Cuando la Biología se centra en el nivel de organización de menor escala de los seres vivos, el molecular, entra de lleno en los dominios de la Química. Pero, en particular, la visión que los biólogos tienen de lo que ocurre entre las moléculas que participan en el funcionamiento de los seres vivos está muy relacionada con la estereoquímica. Por ejemplo, las interacciones entre las enzimas y sus sustratos se producen gracias a un elevadísimo nivel de complementariedad espacial entre ambas moléculas. Por esa razón, la Biología concede una importancia fundamental a los aspectos "visuales" de la Química.
En muchos casos, la observación de la estructura de una molécula proporciona información fundamental a la hora de comprender las funciones que esa molécula puede desempeñar en un ser vivo: proteínas con estructura en forma de "túnel" que actúan como transportadores, "dedos" de zinc que se introducen dentro de la doble hélice... Esa es la razón de que todos los tratados de Bioquímica, incluso los más "tradicionales" hayan estado siempre profusamente ilustrado, mucho más que los libros de Química más o menos del mismo nivel: no es un capricho accesorio, sino una necesidad para comprender el modo en que las moléculas interactúan en el seno de los sistemas biológicos.
De todas formas, la imagen tradicional, la representación estática y en dos dimensiones de la molécula, tampoco resulta ideal para visualizar los fenómenos biológicos, así que desde hace tiempo se han buscado alternativas para ir más allá. En mi casa aún se conserva (y por muchos años) un ejemplar del texto de Rawn que incluye un estereógrafo para visualizar las estructuras moleculares en tres dimensiones.
Hoy en día las TIC nos han proporcionado, sin ninguna duda, herramientas mucho más interesantes y atractivas para la visualización molecular; las animaciones y vídeos son elementos habituales de cualquier recurso para la enseñanza de la Biología, incluyendo algunos artículos de investigación, y los recursos para visualización molecular en tres dimensiones se encuentran distribuidos por toda la red, siendo también utilizados por algunos magníficos recursos educativos, como BIOROM. En este blog tienes, en el bloque de la derecha, un acceso permanente al banco de moléculas de PDB, que mantiene actualizada una base de datos de proteínas que resulta de gran interés. A partir de ahora también podrás tener la posibilidad de acceder a modelos Jmol, como el de la fosfatidilcolina que tienes a continuación.
Los modelos Jmol no son simplemente representaciones más o menos acertadas de moléculas en tres dimensiones. Son modelos interactivos, que permiten la manipulación de las moléculas por parte de quien las está viendo, ya sea interactuando con ellas mediante el ratón, ya sea utilizando el menú contextual o la consola que la aplicación proporciona (para expertos). Jmol se basa en java, así que basta tener instalado ese paquete en el ordenador para poder utilizarlo como cliente. En el modelo anterior puedes girarlo manualmente (mantén pulsado el botón izquierdo del ratón mientras lo mueves), hacerlo girar automáticamente, cambiar la representación, etc. Lo mejor es que explores por tu cuenta el menú contextual que se despliega al pulsar el botón derecho.
Para introducir el modelo Jmol de la fosfatidilcolina he utilizado el "widget" MicroJmol de J. S. Moore, disponible en la página de Widgetbox. En próximas entradas iré introduciendo diferentes modelos moleculares con su correspondiente explicación.
Si el nivel de organización celular de los procariotas coincide plenamente con una categoría taxonómica, el reino Moneras, no ocurre lo mismo con los eucariotas. En este caso, el mismo tipo general de organización es compartido por los cuatro reinos restantes, aunque entre ellos se presenten grandes diferencias morfológicas y estructurales. A grandes rasgos, el Reino Animales, el Reino Vegetales y el Reino Hongos poseen tipos celulares característicos, mientras que el Reino Protistas presenta una considerable variedad de tipos celulares.
Las células animales
La animal es el tipo celular que menos se diferencia del presunto tipo de célula "generalizado" con los orgánulos comunes a todos los eucariotas. En realidad, hay solo unos pocos orgánulos característicos de las células animales y que no se presentan, por ejemplo, en las vegetales:
Componentes del citoesqueleto
Centriolos
Cilios y flagelos (en algunas)
Especializaciones de membrana:
Invaginaciones, microvellosidades
Estructuras de unión entre células.
Especializaciones de membrana de la célula animal
Las invaginaciones son repliegues de la membrana plasmática hacia el interior de la célula. En muchos casos, son zonas por las que se produce la endocitosis activa de diferentes elementos.
Las microvellosidades son prolongaciones de la membrana plasmática con forma de dedo. En su interior hay filamentos de actina que les proporcionan soporte, para mantenerlos más o menos rígidos. La función de las microvellosidades es aumentar la superficie de la célula, con lo que se facilitan los procesos que tienen lugar a través de la membrana, en particular la absorción de sustancias.
Las microvellosidades son características de las células intestinales.
Los estereocilios son también prolongaciones membranosas en forma de dedo, característicos en este caso del oido interno. Su función es sensorial: son capaces de detectar el movimiento del fluido en el que están inmersos, transmitiendo al cerebro una señal que permite identificar la dirección del movimiento del cuerpo.
Uniones intercelulares: las células animales necesitan unirse a otras células adyacentes a ellas en el organismo. Estas uniones pueden ser de diferente naturaleza, en función de las necesidades de cada tejido; en algunos casos, es necesario que las células se unan estrechamente para formar una capa totalmente impermeable, por ejemplo para separar el exterior y el interior del cuerpo; en otros casos puede ocurrir que, a pesar de que la unión intercelular deba ser muy firme deba permitir la circulación de sustancias de una zona a otra del tejido. Por último en otros casos puede ser necesario que ciertas sustancias pasen de una célula a otra sin salir al medio extracelular. Los organismos animales tienen estructuras de unión entre células que permiten realizar todas esas funciones.
Las uniones adherentes forman un "cinturón" completo en torno a cada célula, uniéndola con las que la rodean. de esta forma se crea una banda impermeable, que impide la entrada o la salida de sustancias. Este tipo de uniones crea un tejido "impermeable", lo que las hace particularmente útiles en epitelios, tejidos que tapizan órganos separándolos de su entorno.
Las uniones estrechas son placas de unión que mantienen firmemente unidas a dos entre sí. Aunque la unión en sí misma es impermeable, el resto de la superficie en contacto no está tan íntimamente unidas, por lo que las sustancias pueden rodearlas. Un tipo particular de unión estrecha son los desmosomas y los hemidesmosomas, en los que juegan un importante papel los filamentos intermedios.
Las uniones comunicantes están formadas por canales iónicos de las dos membranas adyacentes enfrentados entre sí, de modo que se crea un conducto de comunicación entre ambas células, permitiendo el paso de iones de una a la otra. Hay que tener claro que los canales iónicos que forman estas uniones pueden estar abiertos o cerrados.
Procesos dinámicos en la membrana
La membrana de las células animales es su envoltura más externa, a través de la cual tienen lugar todos los procesos de relación de la célula con el exterior. Muchos de estos procesos tienen lugar a nivel molecular (intercambio de sustancias, reconocimiento celular, recepción de señales químicas) pero otros involucran a porciones de la membrana. Es el caso de la endocitosis y la exocitosis. El término endocitosis se utiliza, en general, para referirse a los procesos en los que la célula capta del medio extracelular diferentes tipos de elementos, aunque en sentido estricto se utiliza tan solo para la ingestión de partículas por parte de una célula, utilizando el término pinocitosis para la ingestión de líquidos y fagocitosis para el proceso mediante el cual una célula "se traga" a otra entera. Los elementos atrapados por la célula son envueltos por una porción de la membrana plasmática, que da lugar a una vesícula que se separa del resto de la superficie celular y se introduce en el citoplasma. Su destino suele ser la fusión con lisosomas para digerir las partículas ingeridas.
En cuanto a la exocitosis, se refiere a la salida de la célula de sustancias que se encontraban en su interior englobadas en vesículas de membrana, procedentes en general del aparato de Golgi.
Especializaciones del citoesqueleto
Las células animales presentan siempre, como mínimo, un par de estructuras cilíndricas formadas por microtúbulos que reciben el nombre de centriolos. En todas las células animales aparece siempre un par de centriolos cerca de la envoltura nuclear, aunque en algunos casos pueden aparecer también en la base de cilios o flagelos.
Estructuralmente los centriolos están formados por nueve tripletes de microtúbulos, distribuidos formando un cilindro sin ninguna otra estructura aparente en su interior. Los centriolos aparecen siempre de dos en dos, dispuestos uno perpendicularmente respecto al otro. Su función está relacionada con la dinámica de los microtúbulos, ya que el crecimiento de estas estructuras se produce a partir de estas estructuras. Debido a esta función, los centriolos se incluyen en un grupo de estructuras que reciben el nombre de "organizadores de microtúbulos".
Los cilios y flagelos son estructuras básicamente iguales entre sí, hasta el punto de que solo se diferencian en su longitud y, en general, en el número en el que aparecen en la célula (los cilios suelen ser más numerosos que los flagelos, aunque puede haber excepciones; los flagelos son mucho más largos que los cilios).
En ambas estructuras se aprecian las mismas partes: el axonema o tallo, que es la parte que sobresale del citoplasma celular, una zona de transición, que aparece al microscopio electrónico como una estructura densa que atraviesa la membrana plasmática y un cuerpo basal, cuya estructura es igual que la de los centriolos. La estructura interna de cilios y flagelos es idéntica: en su periferia, justo por debajo de la membrana plasmática, aparecen nueve pares (dobletes) de microtúbulos, unidos entre sí por otro tipo de proteínas. En el centro del tallo aparecen, además, dos microtúbulos separados entre sí. Por último, entre los dobletes de microtúbulos periféricos y el par de microtúbulos central pueden apreciarse estructuras radiales, también constituidas por proteína.
La función fundamental de cilios y flagelos es la de proporcionar movilidad a la célula, si bien dentro de los organismos pluricelulares las células ciliadas pueden desempeñar otras funciones. Por ejemplo, las células ciliadas del epitelio respiratorio se ocupan de crear corrientes en el medio extracelular para eliminar las pequeñas partículas que hayan podido penetrar a través de las fosas nasales e impedir que lleguen hasta los alveolos.
Finalmente, las células animales se encuentran inmersas en un medio extracelular, pero interno al organismo del que forman parte, que normalmente ha sido producido por ellas mismas. Desde el punto de vista de su composición, suele tratarse de un gel hidratado formado por polisacáridos y otras sustancias, aunque varía mucho de unos tejidos a otros. Las funciones que realiza son:
Rellenar los espacios que quedan entre las células.
Conferir resistencia mecánica (frente a la compresión, al estiramiento, etc.) a los tejidos.
Constituir el medio homeostático, que proporciona estabilidad química, nutricional y metabólico para las células.
Proporcionar fijación para el anclaje celular.
Constituir el medio por el que se produce el tránsito de las células.
Formar el medio por el cual se transmiten las diferentes señales que viajan entre las células.
Las células vegetales
Pared celular
La característica distintiva más aparente de las células vegetales es la presencia de pared celular, la estructura más externa presente en este tipo de células. Se trata de una cubierta mucho más gruesa que la membrana plasmática, compuesta básicamente por una mezcla de polisacáridos:
Celulosa: es el componente mayoritario de la pared. Se trata de un homopolisacárido de glucosa con enlaces (β1→4) con ramificaciones (β1→6).
Hemicelulosas: una mezca de diferentes heteropolisacáridos.
Pectinas: grupo de heteropolímeros formados por derivados de monosacáridos.
Lignina: se encuentra en las células lignificadas (las que forman parte de la madera).
La pared celular de todas las células vegetales tiene, al menos, dos capas: la lámina media, una capa rica en pectinas, que separa entre sí dos células adyacentes y la pared primaria, formada inmediatamente después de la división celular, que está formada por varias capas de microfibrillas de celulosa. Además, algunas células especializadas presentan también capas adicionales de pared celular que, en conjunto, reciben el nombre de pared secundaria. La pared secundaria se deposita entre la primaria y la membrana plasmática. Puede incluir varias capas, que se van formando a ritmo de una por año.
En algunos casos, la pared celular presenta perforaciones llamadas plasmodesmos, a través de las cuales se produce el contacto directo entre los citoplasmas de células adyacentes.
Vacuola
La mayor parte del citoplasma de las células vegetales suele estar ocupada por una gran vacuola, que desplaza al resto de los orgánulos a la periferia celular. Esta característica no se da en las células inmaduras, en las que, en cambio, aparece un gran número de pequeñas vacuolas. A lo largo del desarrollo, estas vesículas se van fusionando entre sí hasta formar la estructura característica de las células maduras. En el interior de la vacuola vegetal se acumulan diferentes tipos de sustancias químicas, según la planta o incluso el tipo de célula de que se trate. Entre esas sustancias suelen aparecer agua, sales minerales, azúcares, proteínas e incluso sustancias tóxicas que la planta utiliza como defensa contra predadores. La vacuola vegetal, a pesar de su sencillez, realiza diferentes funciones de importancia para la célula:
Contribuye al mantenimiento de la presión osmótica celular.
Almacena diferentes tipos de sustancias.
Participa en procesos de detoxificación
Mantiene separados en compartimentos distintos sustancias que no deben mezclarse.
Plastos
Los plastos son un tipo de orgánulo exclusivo de las células vegetales, de forma ovalada y gran tamaño (de hecho, son mayores que la mayor parte de las bacterias). Tienen una estructura compleja, bastante relacionada con la de las mitocondrias, ya que presentan dos membranas separadas entre sí por un espacio, e incluyen en su interior una molécula de ADN circular y cerrada y ribosomas 70S.
El interior de los plastos recibe el nombre de estroma, y en él aparece un gran número de vesículas de membrana aplanadas, con forma de moneda, llamadas tilacoides. Suelen estar apiladas formando conjuntos llamados grana (en singular granum), y su membrana es estructural y funcionalmente continua con la membrana interna del plasto.
Aunque los más conocidos son los cloroplastos, existen también otros tipos de plastos en la célula: los hay incoloros (leucoplastos), bien porque son inmaduros, bien porque tienen como función principal el almacenamiento de almidón (amiloplastos). Los cloroplastos reciben su nombre de su color (cloro significa verde en griego) que, a su vez, se debe a la abundancia en ellos de clorofila, pero también los hay de otros colores (como amarillo o rojo) debido a la presencia en ellos de otros pigmentos. Los plastos coloreados reciben el nombre genérico de cromoplastos, y tienen como función transformar la energía electromagnética de la luz en energía química.
La célula fúngica, otro modelo de organización eucariota
Los hongos son organismos totalmente diferentes tanto de las plantas como de los animales. Sus células son muy sencillas, con unos pocos orgánulos; se parecen básicamente a las células vegetales (poseen pared celular, aunque sin celulosa, y presentan una gran vacuola central), aunque carecen de cloroplastos. La organización de su núcleo también es muy sencilla.
El segundo gran modelo de organización celular es el característico de los organismos eucariotas, que incluyen a los protistas, los hongos, las plantas y los animales. Aunque existen diferencias significativas entre ellos, todos comparten la misma organización básica, caracterizada por la compartimentalización interna, posible gracias a la presencia de un sistema de membranas intracelular.
La compartimentalización ofrece a la célula nuevas posibilidades; por una parte, los diferentes compartimentos pueden especializarse en funciones distintas, lo que facilita la coordinación entre distintas funciones celulares y la realización de varias al mismo tiempo. Por otra parte, las membranas intracelulares son utilizadas como mecanismo de producción de energía mediante la creación de gradientes quimiosmóticos en el interior de la célula (mitocondria, cloroplasto). Por último, los diferentes compartimentos pueden tener ambientes químicos distintos, incluso totalmente diferentes. Por ejemplo, el citoplasma de las células eucariotas es anaerobio, hasta el punto de que el oxígeno resulta tóxico en esa zona de la célula, mientras que la matriz mitocondrial es aerobia, y permite la utilización del oxígeno en procesos metabólicos.
De hecho, se supone que el origen de las células eucariotas es el resultado de la necesidad de adaptarse a un ambiente químico diferente al que existía previamente. Según la hipótesis endosimibionte, antes de la revolución del oxígeno (la aparición de la fotosíntesis oxigénica que dio lugar a que la atmósfera acumulara oxígeno) solo existían células procariotas. La acumulación de oxígeno en la atmósfera propició la aparición de algunas células también procariotas capaces de utilizarlo en sus procesos metabólicos (las proto-mitocondrias), mientras que otras habrían evolucionado "englobando" con su membrana este tipo celular (y dando lugar a los eucariotas heterótrofos) o también a las células fotosintéticas (proto-cloroplastos), originando los eucariotas autótrofos. El sistema endomembranoso (los orgánulos como el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, las vacuolas o la membrana nuclear) habría evolucionado previamente a partir de invaginaciones de la membrana plasmática de la célula.
Aunque no existe una "célula eucariota generalizada" es posible hacer un listado de todos los orgánulos y estructuras comunes a todas las células con este grado de organización, si bien hay que tener en cuenta que las células reales difieren siempre de este modelo simplificado.
Las características generales de este tipo de células son las siguientes:
Nucleoplasma:
El material genético de la célula siempre está formado por varias moléculas.
Los cromosomas son moléculas de ADN de cadena doble, lineal y terminadas en secuencias de ADN especiales llamadas "telómeros"
El ADN está asociado a histonas.
El conjunto del material genético está rodeado de una doble membrana (membrana nuclear) formando un compartimento separado, el núcleo.
El material genético se replica mediante mitosis.
Organización del citoplasma:
Los ribosomas tienen un coeficiente de sedimentación de 80S (son algo más grandes que los bacterianos).
Poseen citoesqueleto y corrientes citoplasmáticas.
Existen orgánulos diferenciados, constituidos por membrana, con funciones especializadas.
Aspectos generales de la organización eucariota
El material genético de los procariotas es mucho más complejo que el de los procariotas. Consta siempre de varias moléculas, lo que supone una cantidad de información considerablemente mayor. Además, el ADN está organizado en forma de cromosomas, estructuras en las que un conjunto de proteínas (entre ellas las histonas) empaquetan y protegen el material genético propiamente dicho. Por último, el material genético y todos los compuestos relacionados directamente con su replicación y expresión están separados del resto del citoplasma por un sistema membranoso.
La organización del citoplasma también es mucho más compleja: tiene una estructura de sostén, constituida por varios tipos de proteínas, que recibe el nombre de citoesqueleto. Además posee varios sistemas de membrana, diferenciados en estructura y función (orgánulos membranosos).
Orgánulos comunes a todas las células eucariotas
Las células eucariotas incluyen dos tipos diferentes de ribosomas: los de su citoplasma tienen un coeficiente de sedimentación (parámetro relacionado con su masa y con su forma) de 80S. Su subunidad mayor tiene un coeficiente de sedimentación de 60S y la pequeña de 40S. Este tipo de ribosomas se encuentran tanto libres en el citoplasma como adheridos a algunos sistemas de membrana del citoplasma, concretamente a una parte de su retículo endoplásmico. Los ribosomas libres se encargan de sintetizar las proteínas que la célula necesita en su citoplasma, mientras que los que están unidos al retículo se encargan de sintetizar proteínas que van a quedar en el interior del sistema endomembranoso (en el aparato de Golgi, en el retículo endoplásmico o en algunas vesículas especializadas, como los lisosomas) o que van a ser secretadas al exterior de la célula para que cumplan su función allí.
Pero, por otra parte, las células eucariotas cuentan también con ribosomas 70S, idénticos a los que se encuentran en los procariotas, en el interior de sus orgánulos más complejos: mitocondrias y plastos. Este hecho, junto a la presencia de ADN circular y cerrado y la doble membrana de estos orgánulos, apoya la hipótesis endosimbionte para explicar su origen.
Todas las células eucariotas poseen también vesículas o bolsas de membrana, de estructura sencilla (básicamente esféricas, o deformadas), que se diferencian entre sí fundamentalmente por su función. Entre esas estructuras se encuentran las vacuolas de las células vegetales (su nombre procede de vacuum, vacío, porque al microscopio no se aprecia su contenido; en realidad contienen líquido de composición diferente al citoplasma), las vesículas de transporte que se mueven entre diferentes orgánulos celulares llevando sustancias que no se mezclan con el citoplasma, o cuerpos más o menos especializados como los lisosomas, que contienen enzimas capaces de romper otras proteínas, y que no pueden mezclarse con otros componentes celulares sin riesgo de destruirlos. Los peroxisomas se ocupan de eliminar sustancias tóxicas de la célula mediante su oxidación.
El siguiente nivel de complejidad en las estructuras intracelulares está constituido por los sistemas membranosos complejos (retículo endoplásmico liso y rugoso, aparato de Golgi y membrana celular), que pueden diferenciarse entre sí tanto por su morfología como por su función.
El retículo endoplásmico liso es un conjunto de cisternas de membrana, típicamente en forma de tubo, que en su conjunto forman un sistema de tuberías interconectadas que recorren buena parte de la célula, aunque puede tener distintos aspectos en células diferentes. Su principal característica distintiva es que no presenta ribosomas adheridos. Las funciones que realiza son las siguientes:
Participa en la síntesis de lípidos (ácidos grasos, triacilglicéridos y fosfolípidos) y en el transporte de estas sustancias a través de la célula.
Posee enzimas detoxificantes, que metabolizan y eliminan el alcohol y otras sustancias químicas.
El retículo endoplásmico rugoso es un conjunto de cisternas y conductos que se distribuye por toda la célula, aunque su aspecto más típico es el de un conjunto de sacos aplanados. El término "rugoso" que se utiliza para designarlo se refiere a su aspecto en las micrografías electrónicas, en las que se observa que su membrana presenta, hacia su cara citoplasmática, puntos oscuros que sobresalen de la línea de membrana. Se trata de ribosomas que se encuentran adheridos a la superficie de la membrana y que vierten las proteínas que sintetizan directamente al interior de las vesículas manteniendolas, por tanto, separadas del citoplasma. Las funciones que realiza son:
Síntesis de proteínas destinadas al interior de las vesículas de membrana (lisosomas), que se incorporan a las membranas (proteínas integrales de membrana) o destinadas a la secreción.
Glucosilación de proteínas.
Circulación intracelular de sustancias que no deben mezclarse con el contenido citoplasmático.
El aparato de Golgi es un conjunto de sacos aplanados, que reciben el nombre de dictiosomas. Se encuentran apilados unos sobre otros, y típicamente tienen un aspecto curvado, en general con la cara convexa orientada hacia el núcleo. Sus funciones son, fundamentalmente:
Modificación química de diversas sustancias producidas en la célula, para que puedan adquirir su forma activa (glucosilación, fosforilación) o para identificar su destino final, dentro o fuera de la célula (se unen sustancias que actúan como señal, en particular oligosacáridos).
Secreción celular: todas las sustancias secretadas por la célula pasan por el aparato de Golgi.
Producción de membrana para otros sistemas celulares, como los lisosomas o la membrana externa de la célula.
El núcleo celular es una estructura que contiene el material genético celular en el interior de un sistema membranoso. Los elementos que lo forman son:
La envoltura nuclear, una doble membrana que lo separa del citoplasma y que se continúa con el retículo endoplásmico rugoso. Al igual que éste, la cara externa de la membrana presenta ribosomas adosados. El sistema de doble membrana está atravesado por "poros", estructuras proteicas complejas que desempeñan una función de "diafragma", ya que tienen la posibilidad de cerrarse o abrirse, permitiendo la salida de moléculas de ARN.
La lámina nuclear, una zona situada inmediatamente por debajo de la zona interna de la membrana nuclear, formada por filamentos proteicos que tienen como función proporcionar sostén al núcleo.
El nuceloplasma es la zona poco diferenciada que contiene el resto de los elementos nucleares.
El nucleolo es una zona que presenta aspecto diferente al resto del núcleo. Se sabe que en él se está sintetizando activamente ARN ribosómico a lo largo de casi todo el tiempo.
La cromatina es el conjunto de material genético de la célula. Durante la interfase, es decir, mientras la célula está funcionalmente activa, se encuentra desespiralizada, por lo que no se observan los cromosomas. Por el contrario, durante los periodos de división, el ADN se empaqueta hasta formar los cromosomas, que sí pueden observarse.
El retículo endoplásmico liso, el rugoso y la membrana nuclear están interconectados, formando un sistema endomembranoso cuyo espacio interno está interconectado.
La mitocondria es uno de los orgánulos celulares de mayor complejidad. Está presente en la práctica totalidad de las células eucariotas. Al microscopio aparece como un cuerpo alargado, del tamaño y forma de un bacilo. La observación de su estructura permite apreciar que posee un sistema de dos membranas, separadas entre sí por una zona llamada espacio intermembranoso. La membrana interna suele presentar un conjunto de invaginaciones en forma de tabique que reciben el nombre de crestas mitocondriales.
La presencia de las crestas mitocondriales indica que la mitocondria maximiza la proporción entre la superficie de su membrana interna y su volumen, lo que indica que la membrana interna tiene una importancia considerable en su funcionamiento. Se sabe, en efecto, que una parte importante de los procesos metabólicos que ocurren en la mitocondria se producen, precisamente, en su membrana interna.
El interior de la mitocondria se denomina matriz mitocondrial, y es bastante similar al interior de una célula procariota. Al igual que estas células, presenta un genóforo propio, constituido por una única molécula de ADN bicatenario circular, cerrado y no asociado a histonas. Los genes de este genóforo se expresan en la mitocondria, y dan lugar a algunas (pero no a todas) de las proteínas que la mitocondria utiliza en su funcionamiento. También aparecen en la matriz mitocondrial ribosomas similares a los bacterianos, es decir, con un coeficiente de sedimentación de 70S y subunidades 50S y 30S. Estas características comunes con los procariotas refuerzan la hipótesis de su origen endosimbionte. También apoya esta hipótesis el hecho de que la mitocondria se reproduzca autónomamente dentro de la célula, replicando y transmitiendo su material genético a las nuevas mitocondrias, sin que haya relacion directa con los procesos generales de reproducción celular.
En cuanto a las funciones mitocondriales, la más importante es la de proporcionar energía al resto de la célula, gracias a que en su interior (matriz celular y membrana interna) ocurren algunas de las rutas metabólicas más importantes: el ciclo de Krebs, la fosforilación oxidativa y la β-oxidación. Puesto que la mitocondria es el único orgánulo celular capaz de utilizar el oxígeno, es en su interior donde finalizan los procesos degradativos de los combustibles metabólicos. Algunas de estas rutas metabólicas, en particular el ciclo de Krebs, sirven también para proporcionar a la célula sustancias que intervienen en diferentes procesos celulares (intermediarios metabólicos).
El citoesqueleto o esqueleto celular es un conjunto de estructuras filamentosas de naturaleza proteica entre cuyas funciones destacan mantener la forma celular, o permitir sus cambios, permitir la movilidad o inmovilidad de los orgánulos y participar en la división del citoplasma celular (citocinesis) durante los procesos de división celular.
El citoesqueleto tiene tres tipos de componentes fundamentales: filamentos de actina (microfilamentos), filamentos intermedios y microtúbulos.
Los microfilamentos son fibras de unos 7 nm de diámetro, constituidas por dos cadenas de actina. La actina es una proteína globular que puede formar largas cadenas por unión de un gran número de moléculas individuales. Para formar los microfilamentos, dos de estas cadenas constituidas por actina polimerizada se enrollan entre sí formando una espiral. Aparecen especialmente por debajo de la membrana celular, formando una especie de malla que contribuye a mantener la forma de la célula. También son abundantes en las protuberancias celulares (microvellosidades, pseudópodos) o en zonas en las que se dan procesos de comunicación intercelular. Por último, la combinación de la actina con la miosina permite la contracción celular, por ejemplo en las fibras musculares.
Los filamentos intermedios son ligeramente más gruesos que los microfilamentos. En realidad se usa este nombre para referirse a fibras celulares de diferente composición, que básicamente participan en el mantenimiento de la estructura de la célula, mediante el establecimiento de una red tridimensional que se extiende por toda la célula a modo de un andamiaje interno.
Los microtúbulos son cilindros huecos de unos 25 nm de diámetro. En un corte transversal, se observa que el cilindro está formado por trece filamentos que, a su vez, son el resultado de la polimerización de una proteína globular, la tubulina que, a su vez, tiene dos subunidades. Los microtúbulos son estructuras muy dinámicas, que pueden formarse o deshacerse según las necesidades de la célula. Su crecimiento tiene lugar en una única dirección, por lo que se dice que están polarizados (uno de sus extremos, el +, es el que crece, mientras que el otro, llamado -, es el lado por el que se van separando las moléculas de tubulina). En general, los microtúbulos están asociados siempre a una estructura llamada centro organizador de microtúbulos. Pueden existir varios de estos orgánulos en la célula, por ejemplo los corpúsculos basales de cilios y flagelos, o los centriolos, pero en todo caso parecen encargarse de dirigir la polimerización y despolimerización de los microtúbulos relacionados con ellos.
La animación anterior muestra un modelo de la polimerización y despolimerización de los microtúbulos.
Las funciones que realizan los microtúbulos son:
Contribuyen a mantener la forma de la célula.
Participan en el transporte de partículas y orgánulos por el citoplasma
Forman parte del huso acromático, que interviene en la división celular de las células animales.
Forman parte de los cilios y flagelos, y de los centríolos en las células que los presentan.
Si hay una estructura que se ha mantenido básicamente constante a lo largo de la evolución de los seres vivos, indicando la importancia que tiene para su supervivencia, es la membrana plasmática. Su composición básica, su estructura y las funciones que desempeña en los organismos son, fundamentalmente, las mismas en todos los seres vivos, incluso en los que más se diferencian entre sí.
Las membranas biológicas actúan como límite de todas las células vivas. Además, constituyen también el límite de los orgánulos de los eucariotas. Pero, además de servir para delimitar la célula, las membranas desempeñan papeles fundamentales en su funcionamiento:
Actúan como barrera que condiciona el intercambio de sustancias entre la célula y su entorno. Pero se trata de una barrera de permeabilidad selectiva, es decir, que permite el paso de ciertas sustancias impidiendo al mismo tiempo el de otras, en función de las necesidades de la célula en cada momento.
Participa en los procesos de división celular, contribuyendo a la partición del citoplasma. En las bacterias, además, parece jugar un cirto papel también en la división del material genético.
Contribuye a la producción de energía química aprovechable por la célula, acoplando la creación de gradientes químicos a la síntesis de ATP. En estos procesos se aprovecha, precisamente, la selectividad de la membrana ante el paso de sustancias química.
Forman parte de los sistemas de transferencia de información: la membrana es la estructura que recibe los "mensajes químicos" o los estímulos eléctricos procedentes de otras células del organismo o del exterior.
Intervienen en los procesos de identificación intercelular, en particular en los organismos pluricelulares. La membrana, como superficie externa de la célula que es, incorpora elementos que permiten que las células del sistema inmunitario identifique a la célula como propia o como extraña.
Permiten la creación de ambientes químicamente diferenciados en el interior de la célula, compartimentalizando sus funciones, lo que permite una mayor complejidad en el funcionamiento de la célula.
Composición de las membranas biológicas
Todas las membranas biológicas comparten, a grandes rasgos, la misma composión: aproximadamente las dos terceras partes de sus moléculas son lípidos, mientras que el tercio restante son proteínas. Los lípidos más abundantes en la membrana son de naturaleza anfipática, en particular fosfatidilglicéridos. En cuanto a las proteínas de membrana, incluyen tanto holoproteínas como gluco y lipoproteínas.
Los lípidos más abundantes en las membranas biológicas son los fosfatidilglicéridos, formados por una molécula de glicerol a la que están unidos dos ácidos grasos y un grupo polar (fosfato unido a otra molécula también polar), lo que les proporciona una naturaleza anfipática: una parte de la molécula (la cabeza formada por el glicerol, el fosfato y la otra molécula polar) es hidrófila, bien soluble en agua, mientras que la otra zona, la constituida por los ácidos grasos (cuyos enlaces son apolares) es hidrófoba, insoluble en agua. En el siguiente enlace puedes ver un modelo tridimensional de una molécula de fosfatidilcolina, uno de estos compuestos.
Los glucolípidos, en particular los esfingolípidos, también son compuestos habituales de las membranas, aunque en menor proporción. Por último, los esteroles (fundamentalmente el colesterol) juegan un papel importante en las membranas de las células animales.
Las proteínas realizan funciones diferentes en la membrana. Según su grado de integración en ella se distinguen proteínas periféricas, unidas débilmente a una de las superficies de la membrana, especialmente a la cara interna, o integrales, claramente insertadas en la membrana. Entre estas también se puede distinguir entre las proteínas que se encuentran en una de las caras (las de la cara interna son diferentes a las de la cara externa, en la que son bastante abundantes las glucoproteínas) y las transmembrana que, como su nombre indica, la atraviesan por completo.
Estructura de la membrana
Los lípidos de la membrana se disponen en ella formando una lámina cuya estructura recuerda a la de un panel de madera contrachapada: la zona central está ocupada por las partes hidrofóbicas de las moléculas, (las cadenas de ácidos grasos) que se mantienen próximas entre sí tanto gracias a las interacciones hidrofóbicas de atracción que se establecen entre ellas comoa la repulsión que ejercen las moléculas hidrófilas de su entorno. En cuanto a las zonas hidrófilas, forman las dos superficies externas de la lámina, que se mantienen próximas al entorno acuoso. Las proteínas se incluyen en esta estructura básica, bien adhiriéndose a una de las caras de la membrana (proteínas periféricas), bien integrándose profundamente en ella. En algunos casos, incluso, llegan a atravesar la membrana en su totalidad (proteínas transmembrana).
La primera consecuencia de esta disposición es que la membrana se comporta como una estructura estable en entornos acuosos, gracias a que sus superficies de contacto tienen naturaleza hidrófila. Pero, por otra parte, su zona central hidrófoba impide el paso de sustancias polares a su través, por lo que la membrana en su conjunto se hace impermeable al agua y a las sustancias de naturaleza similar. De este modo, las estructuras rodeadas por membrana se mantienen aisladas de su entorno, sin que (en principio) puedan producirse intercambios de sustancias entre el interior y el exterior de tales estructuras.
El modelo quese utiliza para describir la estructura de las membranas biológicas recibe el nombre de modelo de "mosaico fluido", haciendo referencia a dos de las características más determinantes de la membrana:
La membrana es un mosaico porque su composición no es homogénea en toda su superficie. Esto significa que ni los lípidos ni las proteinas que forman parte de la membrana se encuentran distribuidos en ella de un modo aleatorio, sino que algunos componentes son más abundantes en ciertas zonas, mientras que pueden incluso llegar a faltar en otras. Esta heterogeneidad en la distribución de los componentes celulares tiene importantes consecuencias en el funcionamiento de la membrana. En particular, las proteínas de membrana se distribuyen específicamente en las zonas de la misma en las que van a resultar útiles para la célula.
La membrana se encuentra en un estado que prácticamente podríamos considerar como fluido, lo que permite que sus componentes se desplacen lateralmente a lo largo de toda su extensión. De este modo, es posible que una molécula integrada en la membrana se desplace a lo largo de la misma de un punto a otro. Una visión más detallada del funcionamiento de las membranas celulares ha llevado a proponer el modelo de "balsas de membrana", según el cual hay zonas más rígidas, que actúan como "balsas" flotando en un entorno más fluido. En tales balsas suelen mantenerse fijadas ciertas proteínas que la célula necesita mantener siempre en la misma posición. En las células animales, la molécula que se ocupa de mantener cohesionadas las balsas y de forzar a que se comporten de un modo rígido es el colesterol.
Permeabilidad de membrana
La estructura de las membranas biológicas hace que éstas no sean estrictamente impermeables, sino que permitan el paso de ciertas sustancias, mientras que impiden completamente el de otras, en función de sus características químicas:
Los gases, las moléculas hidrófobas y las moléculas hidrófilas de pequeño tamaño (como el agua o el etanol) pueden difundirse a través de la membrana.
Las moléculas cargadas (como los iones) o las moléculas hidrófilas de tamaño mediano o grande (monosacáridos, aminoácidos...) no pueden atravesar la membrana.
En todo caso, el paso de sustancias a través de la membrana cumple estrictamente las leyes químicas: se produce en ambos sentidos, y el flujo neto de moléculas va desde la zona donde la concentración es mayor a donde es menor (a favor del gradiente de concentración).
Sin embargo, el hecho de que no todas las sustancias puedan atravesar la membrana libremente hace que puedan existir diferencias de concentración de esas moléculas a ambos lados de la membrana que no pueden ser eliminadas por entrada o salida de los solutos. Este desequilibrio se resuelve gracias a que el agua sí que puede difundirse a través de la membrana, por lo que, cuando una sustancia no atraviesa la membrana, el agua tiende a compensar la diferencia de concentración de dicho compuesto pasando desde la zona donde la concentración de esa sustancia es menor hacia la zona en la que es mayor (o, lo que es lo mismo, desde donde la disolución tiene más agua a la zona donde hay menos agua).
Debido a esto se producen en las células diferentes fenómenos osmóticos, según la diferencia de concentración de sustancias que no se difunden a ambos lados de la membrana:
Cuando el medio es hipotónico (es decir, la concentración de solutos que no pueden atravesar la membrana es menor en el exterior de la célula que en su interior) el agua tiende a igualar esa diferencia de concentración, introduciéndose en la célula para diluir el contenido de la misma.
En las células animales este proceso termina con la "explosión" de la célula, debido al aumento de la presión osmótica en su interior.
En las células vegetales, la presencia de la pared celular impide que la célula reviente, pero en todo caso su citoplasma se hincha y presiona sobre la pared, dando lugar a la "turgencia celular"
Cuando el medio extracelular es hipertónico (está más concentrado que el citoplasma) el proceso es exactamente el inverso: el agua tiende a salir de la célula, para igualar las concentraciones de sustancias no difusibles a ambos lados de la membrana. Tanto en las células animales como en las vegetales, la pérdida de agua hace que el citoplasma se "arrugue", llegando a sufrir "plasmolisis", es decir, rotura celular.
Si el medio es isotónico, es decir, si la concentración de solutos es igual en el interior que en el exterior de la célula, no se detiene el paso de sustancias a través de la membrana, sino que entra el mismo número de moléculas que sale. La célula está en equilibrio osmótico global con su entorno, lo que no significa que no siga intercambiando sustancias con él.
El transporte a través de la membrana y el funcionamiento de la célula
El transporte de sustancias a través de la membrana celular tiene cuatro objetivos primordiales: proporcionar nutrientes a la célula, permitir el intercambio de gases con su entorno, la excreción de los residuos del metabolismo y el mantenimiento del pH y de la concentración salina intracelular. Para conseguir esto es necesario que la membrana permita el paso a su través de ciertas sustancias que, debido a su naturaleza química, no podrían atravesarla. El mecanismo a través del cual la célula consigue que dichas sustancias entren o salgan de la célula es mediante la presencia en la membrana de transportadores específicos, ciertos tipos de proteínas que permiten el paso a través de la membrana de moléculas que, por sus características químicas, no pueden atravesarla por difusión.
Los transportadores de membrana funcionan, en todo caso, de acuerdo con los principios químicos fundamentales: son bidireccionales (permiten el paso tanto en un sentido como en otro) y las moléculas los atraviesan siguiendo la dirección del gradiente de concentración, es decir, desde la zona en la que están más concentrados a la de menor concentración.
La combinación entre la naturaleza semipermeable de la membrana (que permite el paso de ciertas sustancias, pero no de otras) y la presencia en ella de transportadores específicos da lugar a una característica fundamental de las membranas biológicas: su permeabilidad selectiva. Es decir, las membranas biológicas permiten el paso a su través de aquellas sustancias que la célula debe dejar pasar para que su funcionamiento sea correcto, impidiendo la entrada o la salida de otras. Esta selectividad no es, sin embargo, perfecta, lo que explica que ciertos tóxicos puedan atravesar la membrana, llegando a dañar la célula.
Un caso particular de este tipo de transportadores son los canales iónicos, que permiten el paso de este tipo de especies químicas. Aunque algunos canales iónicos están permanentemente abiertos, la mayoría se abren o se cierran como respuesta a ciertos estímulos, como la presencia de una sustancia química (canales dependientes de ligando) o la existencia de una diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana (canales dependientes de voltaje).
Gradientes quimiosmóticos
El carácter semipermeable de las membranas provoca que las sustancias que no pueden atravesar la membrana mediante difusión se encuentren a diferentes concentraciones a ambos lados de la misma, generando lo que se denomina un gradiente quimiosmótico (diferencia de concentración de una sustancia a través de la membrana). En cierto sentido, los gradientes químicos actúan como una "fuente de energía" química: la tendencia al equilibrio de los sistemas químicos trata de forzar el paso de las moléculas para anular el gradiente. Si ese paso es posible, el proceso se puede acoplar a otro, que necesite energía, de modo que ambos ocurren simultáneamente.
Existen varios tipos de procesos que pueden acoplarse a los gradientes quimiosmóticos. Entre ellos se cuentan:
El transporte de otras sustancias en contra de su propio gradiente de concentración.
La producción de otras formas de energía química. En concreto, la compensación de un gradiente quimiosmótico de protones es utilizada por la célula para sintetizar ATP en los procesos de fosforilación oxidativa (respiración celular) y fotofosforilación (fotosíntesis).
Transporte de sustancias en contra de gradiente
En bastantes ocasiones, el funcionamiento de la célula requiere mantener concentraciones diferentes de ciertas sustancias a ambos lados de la membrana celular. Esto es, evidentemente, opuesto a la tendencia espontánea del sistema, por lo que su mantenimiento necesita un aporte de alguna forma de energía. Una de las posibilidades que tiene la célula para llevar a cabo este proceso es acoplar el transporte contra gradiente de una sustancia al transporte simultáneo de otra sustancia a favor de gradiente de concentración. Si las dos sustancias (la que se mueve a favor de gradiente y la que lo hace en contra de gradiente) atraviesan la membrana en la misma dirección el mecanismo recibe el nombre de simporte, mientras que si lo hacen en direcciones opuestas se denomina antiporte.
Simporte:
Antiporte:
Por último, las células también pueden utilizar otra fuente de energía química, en general la hidrólisis de ATP, para bombear moléculas en contra de gradiente de concentración. En ese caso se dice que se produce un transporte activo.
El ácido ribonucleico es un heteropolímero lineal no ramificado de ribonucleótidos, cada uno de los cuales está formado por una base nitrogenada (que puede ser adenina, citosina, guanina o uracilo), una molécula de ribosa y un grupo fosfato. Tiene tamaños muy variables, que van desde unas 80 bases a varios miles de ellas.
Una característica común a todos los ácidos ribonucleicos presentes en las células tanto procariotas como eucariotas es que son siempre de cadena simple, aunque pueden establecer uniones entre bases de la propia molécula para dar lugar a una estructura tridimensional característica.
En las células existen varios tipos de ARN diferentes, cada uno de los cuales tiene características propias:
El ARN ribosómico (ARNr) forma parte de los ribosomas. Incluye moléculas de diferentes tamaños, con estructuras tridimensionales complejas, que participan activamente en la síntesis de proteínas. Se supone que al menos algunos de ellos tienen funciones catalíticas en este proceso.
El ARN mensajero (ARNm) se forma en el núcleo, pero lo abandona para realizar sus funciones en el citoplasma. Su tamaño es bastante variable, y carece de estructura tridimensional definida; se une a los ribosomas para proporcionarles la información que necesitan para sintetizar proteínas.
El ARN transferente (ARNt) es un conjunto de moléculas de pequeño tamaño, aproximadamente unas 80 bases, todas ellas con una estructura tridimensional parecida (en hoja de trébol). Se encuentran en el citoplasma, y pueden estar unidos a un aminoácido por uno de sus extremos. Se unen temporalmente al ribosoma, para transferir el aminoácido que llevan unido a la proteína que se está sintetizando.
El ARN heteronuclear es una población heterogénea de ácidos ribonucleicos, que incluye todas las moléculas de este tipo de compuestos recién sintetizadas, y que se encuentran en el núcleo de las células eucariotas. Es el precursor del resto de los tipos de ácido ribonucleico.
ARN mensajero
Los ARN mensajeros que se encuentran en la célula son siempre moléculas lineales, sin estructura secundaria. Su función consiste en llevar la información genética que codifica para la síntesis de proteínas.
Existe un ARN mensajero distinto para cada tipo de proteína que se produce en la célula. Cada molécula de ARN mensajero recoge la información de un solo gen, y en general incluye la información para una única proteína. El tamaño de las moléculas de ARN mensajero es muy diferente, según el tamaño de la proteína que codifiquen.
ARN ribosómico
Los ribosomas son cuerpos nucleoprotéicos, es decir, estructuras formadas por una combinación de proteínas y ácidos ribonucleicos formados por dos subunidades que pueden unirse o separarse en función de su actividad. Cada una de estas subunidades está formada, a su vez, por varios tipos de proteínas y varias moléculas distintas de ácido ribonucleico.
Cada tipo de ARN ribosómico presenta una estructura tridimensional diferente, relacionada con la función que realiza, igual que ocurre con las proteínas. En el establecimiento de dicha estructura espacial juegan un importante papel los enlaces por puente de hidrógeno que se forman entre bases de la misma cadena, según el principio de complementariedad de bases. ARN transferente
Los ARN transferentes son una población de moléculas de pequeño tamaño que se encuentran en el citoplasma de la célula. En total hay 61 tipos de ARNt (cifra que tiene importancia en el proceso de síntesis de proteínas). En la célula, los ARNt pueden encontrarse en dos formas: unidos o no unidos a un aminoácido. Su función en la síntesis de proteínas consiste, precisamente, en "transferir" ese aminoácido a la cadena de proteína que se está formando, de acuerdo con la secuencia del ARN mensajero que se lee en cada momento.
Todos los ARN transferentes tienen una estructura secundaria similar, llamada en "hoja de trébol", que da lugar a una estructura terciaria similar a una "L".
Dentro de la estructura del ARNt hay dos zonas que tienen una importancia fundamental en el proceso de síntesis de proteínas: el brazo anticodon, que "lee" la secuencia de nucleótidos del ARN mensajero con información suficiente para indicar el aminoácido que debe incorporarse a la proteína, y el brazo aminoacil, la zona por donde se une dicho aminoácido al ARNt.
Papel biológico del ARN
En la célula, el ADN se encarga de almacenar y transmitir la información genética, necesaria para llevar a cabo la síntesis de las proteínas que la célula utiliza en cada momento y para controlar todos los procesos biológicos. El ARN tiene un papel central en el proceso de plasmación de la información almacenada en el ADN, actuando en todos los procesos que permiten construir una proteína a partir de la información contenida en el ADN.
El ARN mensajero traslada la información de un gen concreto desde el ADN hasta el ribosoma. La célula no lee simultáneamente toda la información que posee, sino solo la que corresponde a las proteínas que necesita en cada momento. Ese fragmento de información (gen) se copia en una molécula de ARN, en un proceso que se denomina transcripción. Luego, la molécula de ARN mensajero se traslada hasta el ribosoma, donde su información va a ser leída y utilizada para sintetizar una proteína.
El ribosoma "lee" la información presente en el ARN mensajero, y en función de la misma sintetiza una cadena de aminoácidos (proteína). Para ello, hace corresponder cada elemento de información del ARN mensajero con el aminoácido que codifica, y luego los une secuencialmente para formar la proteína. El ARN ribosómico juega, en este proceso, un doble papel: estructural, ya que contribuye a dar la forma adecuada al ribosoma, y catalítico, porque se sabe que ocupa el sitio catalítico de esta estructura.
En cuanto al ARN transferente, se encarga de "traducir" la información contenida, en forma de secuencia de nucleótidos, en el ARN mensajero en los aminoácidos correspondiente. Dicha traducción se hace "palabra por palabra", es decir, cada grupo de nucleótidos equivale directamente a un aminoácido, y el ARN transferente hace de intermediario entre ambas secuencias, relacionándolas entre sí. Cada uno de los tipos de ARN transferente presentes en la célula corresponde a un elemento de información de los ácidos nucleicos, concretamente a tres bases (conjunto que se denomina codón), cantidad de información mínima necesaria para permitir el uso de los veinte aminoácidos presentes en las proteínas. Las bases del brazo anticodón de cada ARNt son diferentes, y complementan a los diferentes codones del ARNm. Los tres anticodones que faltan (hay 64 codones posibles) corresponden a la señal de finalización de la proteína. El sitio de unión a los aminoácidos sirve para incluir cada aminoácido en su lugar correspondiente en la proteína. Cada secuencia del brazo anticodón equivale a un único aminoácido. Esta equivalencia constituye el código genético.
Desde hace bastante tiempo se sabe que el ácido desoxirribonucleico (ADN) presente en todas las células es la molécula responsable del almacenamiento y utilización, por parte de la célula, de la información que ésta necesita utilizar para llevar a cabo todos los procesos químicos que, conjunta y coordinadamente, constituyen la vida. Esto ha hecho que, desde principios del siglo XX, haya existido una considerable preocupación por el conocimiento detallado de las características de esta molécula: su composición, su estructura y, especialmente, el modo en que dicha estructura contribuye al desarrollo de su función biológica.
Sabemos ahora que, desde el punto de vista de su naturaleza química el ADN es un heteropolímero lineal no ramificado de desoxirribonucleótidos. Es un heteropolímero porque está formado por diferentes tipos de desoxirribonucleótidos, concretamente cuatro; es lineal y no ramificado porque forma una única cadena abierta y sin cadenas laterales, a diferencia de la estructura de los polisacáridos que sí las presentan.
Estructura primaria del ADN
Como en todos los heteropolímeros, la estructura primaria se define como la secuencia ordenada de los monómeros que la forman. En el caso del ADN se considera, por convenio, que el primer nucleótido de la cadena es el que tiene libre el grupo fosfato. Como ese fosfato está unido al carbono 5' de la desoxirribosa se denomina extremo 5'. Por lo tanto, el último desoxirribonucleótido de la cadena es el que tiene libre el grupo hidroxilo del carbono 3' de la desoxirribosa, que recibe el nombre de extremo 3'. Así pues, la estructura primaria del ADN es la secuencia de desoxirribonucleótidos que forman la molécula, ordenados en sentido 5'→3'.
La unión de los desoxirribonucleótidos se produce entre los fosfatos y los monosacáridos, produciendo una estructura P-D-P-D-P-D..., de la que "cuelgan" las bases. Como los grupos fosfato y las desoxirribosas son idénticas entre todos los monómeros, basta con identificar las bases nitrogenadas para conocer la estructura primaria de la molécula.
Por último, el ADN está formado por cuatro desoxirribonucleótidos diferentes, cuyas bases nitrogenadas son, respectivamente Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G) y Timina (T).
La estructura primaria no basta para explicar la función biológica del ADN. Además, desde el siglo XIX se conoce una particularidad en la composición de las moléculas de ADN que trajo de cabeza a los investigadores, hasta el punto de hacer pensar que el ADN no podía ser la molécula responsable de la herencia biológica: las reglas de Chargaff.
Chargaff descubrió que, al analizar el conjunto del material genético de un organismo, se cumplen siempre unas ciertas regularidades en la composición:
El porcentaje total de Adenina presente en el ADN es siempre igual al porcentaje de Timina.
El porcentaje de Citosina es siempre el mismo que el de Guanina.
El porcentaje de purinas (Adenina+Guanina) es siempre el mismo que el porcentaje de pirimidinas (Citosina+Timina).
Por el contrario, el porcentaje de Guanina+Citosina varía de unas especies de organismos a otros, siendo característica de cada una de ellas.
La importancia de las reglas de Chargaff es que establece restricciones a las posibles secuencias de nucleótidos que pueda presentar la molécula. Dado que la información genética debe residir en la secuencia de nucleótidos (igual que la información del lenguaje reside en la secuencia de letras que forman cada palabra), esta restricción supone un problema considerable, porque limitaría la información que una célula puede poseer. A pesar de ello, estaba claro que el ADN era el responsable de la información genética, tal y como lo habían demostrado los experimentos de Griffith, Avery, MacLeod y McCarthy o, finalmente de Hershey y Chase.
Por otra parte, se descubrió también que el ADN tiene una estructura geométrica regular, como demostraron las imágenes de difracción de rayos X que pudieron hacerse de cristales de este compuesto. Esto hizo que se considerara la descripción de la estructura secundaria del ADN (es decir, de su modelo geométrico) como una cuestión fundamental para entender su papel biológico.
Estructura secundaria del ADN
Antes de poder describir la estructura secundaria del ADN se sabía que ésta debía cumplir varios requisitos:
Debe ser una estructura geométrica regular, tal y como se deduce de las imágenes de difracción de rayos X.
Debe permitir el almacenamiento de la información genética, aparentemente sin restricciones.
Debe explicar las reglas de Chargaff.
Debe explicar la transmisión de la información genética, o al menos permitirla.
El descubrimiento de la estructura del ADN se debió a la unión de una serie de datos encontrados separadamente por diferentes investigadores: por una parte se descubrió que la estructura geométrica correspondía a una hélice formada por dos cadenas. Por otra, Watson y Crick descubrieron que las bases nitrogenadas podían establecer entre sí enlaces por puentes de hidrógeno: la adenina establece dos enlaces con la timina, mientras que la citosina forma tres puentes de hidrógeno con la guanina.
Watson y Crick lograron dar una interpretación conjunta a los datos. Propusieron que el ADN es, en realidad, una molécula doble formada por dos cadenas de nucleótidos cuya estructura primaria está relacionada. Las dos cadenas se disponen en paralelo, enrollándose una respecto a la otra para formar la doble hélice descrita por las imágenes de difracción de rayos X.
En cuanto a la relación que existe entre la estructura primaria de las dos cadenas, una de ella no tiene ningún tipo de restricción en su secuencia, pero la otra está totalmente determinada por la primera: los nucleótidos de la segunda cadena cumplen el principio de complementariedad de bases establecido por Watson y Crick, de acuerdo con las reglas de Chargaff:
Cuando en la primera cadena aparece una Adenina, la segunda presenta frente a ella una Timina, y viceversa.
Cuando en la primera cadena aparece una Citosina, la base que aparece frente a ella en la segunda es una Guanina, y viceversa.
Las dos cadenas se mantienen unidas entre sí gracias a los enlaces por puentes de hidrógeno que se establecen entre los pares de bases, de acuerdo con lo descubierto por Watson y Crick. Por último, ambas cadenas "corren" en sentidos antiparalelos: mientras una avanza en dirección 5'→3', su complementaria lo hace en sentido 3'→5'.
El modelo de Watson y Crick cumple con todos los requisitos que se exigen a la estructura del ADN:
Es una estructura geométrica regular, que cumple las especificaciones de forma y tamaño de las imágenes de difracción.
Permite el almacenamiento de la información genética sin ningún tipo de restricción, ya que la secuencia de una de las dos cadenas es totalmente libre.Cumple (y explica) las reglas de Chargaff: la proporción de Adenina es igual a la de Timina porque, por cada molécula de adenina que hay en una de las cadenas, hay una de timina en la otra; lo mismo ocurre con la proporción de citosina y guanina. La regla relativa a la proporción de purinas y pirimidinas está también explicada, porque cada purina es complementaria de una pirimidina que se encuentra en la otra cadena.
Permite explicar la transmisión de la información genética, porque cada una de las cadenas que forma la doble hélice puede servir como molde a la cadena complementaria. Teniendo en cuenta este sencillo principio, el mecanismo de replicación de la información genética es casi elemental: las dos cadenas se separan entre sí, y cada una sirve de molde para la síntesis de una cadena complementaria a sí misma, con lo que se consigue duplicar la información inicial, sin ninguna pérdida.
La estructura del material genético en los organismos eucariotas
El material genético de los organismos procariotas tiene una estructura muy sencilla, ya que consta básicamente de una única doble hélice que se cierra sobre sí misma. Sin embargo, en los organismos eucariotas esta organización es mucho más compleja. Para empezar, se encuentra distribuida en varios "paquetes" llamados cromosomas. Y en segundo lugar, también a diferencia de lo que ocurre en procariotas, el ADN se encuentra asociado a varios tipos de proteínas, que tienen fundamentalmente la función de protegerlo. Esta diferencia de organización se debe, fundamentalmente, a la diferencia en la cantidad de material genético que tienen unos y otros organismos, mucho mayor en los eucariotas, y a la necesidad de garantizar la división de este material durante los procesos de reproducción celular. El conjunto del material genético y sus proteínas asociadas que forma parte del núcleo de una célula eucariota recibe el nombre de cromatina.
En la mayoría de las circunstancias, la cromatina no es apreciable más que con la ayuda de un microscopio electrónico. Sin embargo, en las células en división sí que es posible observar los cromosomas a través de un microscopio óptico. Esta diferencia se debe a que cuando el ADN está activo, debe resultar accesible a las proteínas que lo "leen" para expresar la información genética que la célula utiliza. Por el contrario, cuando la célula necesita dividirse, el ADN tiene que estar protegido para impedir que sufra daños en el proceso de reparto. Para ello, la célula se encarga de "empaquetarlo" formando los cromosomas.
Los cromosomas representan, por tanto, una forma muy condensada de la cromatina, en la que ésta no realiza las funciones que le corresponde sino que sirve para proteger al ADN. Hasta llegar a formar los cromosomas, el ADN sufre varios procesos de empaquetamiento que reducen su longitud aparente y aumentan el grosor de la fibra:
El ADN "desnudo" es una fibra de 2 nm, diámetro que se corresponde con el de la doble hélice propuesta por Watson y Crick. Esta fibra solo se observa en fragmentos aislados de material genético.
En el núcleo, la fibra de ADN se enrolla en torno de unas partículas proteicas denominadas nucleosomas, dando una vuelta completa a su alrededor. Cada nucleosoma está constituido por ocho subunidades de un tipo de proteínas denominadas histonas. Entre un nucleosoma y el siguiente hay un fragmento de ADN desnudo de unos 150 pares de bases, con lo que la estructura resultante tiene el aspecto de un "collar de perlas", y un diámetro máximo de 11 nm.
La fibra de 11 nm se dispone, por acción de otra histona que no forma parte de los nucleosomas (llamada H1), formando una estructura en forma de muelle. Cada vuelta del muelle comprende seis nucleosomas, y el diámetro de la fibra resultante es de 30 nm.
Esta fibra se une a un conjunto de proteínas, llamadas proteínas del scaffold (andamiaje), que constituyen el "esqueleto" o armazón interno del cromosoma. El ADN se une al andamiaje formando lazos de un tamaño aproximado de unos 300 nm.
Finalmente, la fibra de 300 nm se enrolla sobre sí misma, formando la fibra de 700 nm que constituye cada cromátide.
Los ácidos nucleicos son un tipo de compuestos biológicos cuya función en los seres vivos es servir de soporte físico a la información genética. Todas las "instrucciones" que un organismo necesita están almacenadas en su ADN, que actúa como "memoria" y como sistema de copia, mientras que el ARN realiza todas las funciones necesarias para que esa información se "exprese", es decir, se plasme en otras moléculas que serán las que realicen los procesos químicos celulares: las proteínas.
Desde el punto de vista de su naturaleza química, los ácidos nucleicos son heteropolímeros lineales no ramificados de nucleótidos. A su vez, los nucleótidos son compuestos complejos, constituidos por la unión de tres moléculas más pequeñas de diferente naturaleza:
Una base nitrogenada: las bases nitrogenadas son compuestos cíclicos, con dos o más átomos de nitrógeno, que son los que les proporcionan su carácter básico. En los seres vivos existen seis fundamentales, aunque solo cinco de ellas forman parte de los ácidos nucleicos: adenina, citosina, guanina, timina y uracilo. La sexta, que forma parte de nucleótidos que actúan como coenzimas de oxidación-reducción es la flavina. Estas bases se agrupan en dos grupos: las pirimidinas y las purinas. La diferencia estructural entre ambas (las pirimidinas solo tienen un ciclo hexagonal en su molécula, mientras que las purinas tienen un ciclo hexagonal unido a otro pentagonal) resulta fundamental en la estructura y en la función de los ácidos nucleicos.
Un monosacárido, la ribosa, o un derivado de ella, la desoxirribosa. La ribosa es una aldopentosa que se encuentra habitualmente en su forma cíclica. Aparece en los nucleótidos libres (que no forman parte de los ácidos nucleicos) y en los ribonucleótidos, que son los que componen el ARN. La desoxirribosa es un derivado de la ribosa, que ha perdido el oxígeno del grupo hidroxilo de su carbono 2'. (En los nucleótidos, para no confundir el número que identifica el átomo de la base nitrogenada y del monosacárido, éste último se numera con la indicación '). Los nucleótidos formados por desoxirribosa se denominan, propiamente, desoxirribonucleótidos, y forman parte del ADN.
Un grupo fosfato, unido al grupo 5' del monosacárido, o varios (generalmente hasta tres) unidos uno a otro mediante enlaces de alta energía P-P.
La unión de una base nitrogenada a un monosacárido, sin grupos fosfato, recibe el nombre de nucleósido. Los nucleósidos no tienen demasiada importancia biológica, aparte de ser los constituyentes de los nucleótidos. En cambio, los nucleótidos juegan importantes papeles en la biología de la célula, tanto libres como encadenados formando parte de los ácidos nucleicos. Los nucleótidos libres realizan funciones fundamentales como:
Actúan como coenzimas de oxidación-reducción, transfiriendo electrones y protones entre compuestos. Entre estos compuestos se encuentran el NAD, el NADP, el FAD o el FMN.
Proporcionan energía a las reacciones endotérmicas. El compuesto que realiza esta función en la mayoría de los casos es el ATP, razón por la cual se le considera la "moneda universal de energía" de los seres vivos.
Actúan como mensajeros químicos intracelulares, llevando información desde la membrana celular hasta el núcleo. Esta función es desempeñada por el AMP cíclico.
Nucleótidos libres
Los nucleótidos que podemos encontrar libres en una célula forman parte de varias "familias" de compuestos, caracterizadas por la base nitrogenada que entra en su composición.
Familia de la adenina: los nucleótidos de adenina se encuentran tanto libres como formando parte de los ácidos nucleicos. El compuesto "base" de la familia es el AMP (adenosín monofosfato). A su grupo fosfato puede unírsele otro más, formando el ADP (adenosín difosfato), o incluso dos, para dar lugar al ATP (adenosín trifosfato). Los enlaces que unen entre sí los grupos fosfato son ésteres de alta energía, que queda liberada al romperse. Muchas enzimas tienen capacidad de acoplar la hidrólisis de estos enlaces a otras reacciones químicas, permitiendo que ocurran procesos endotérmicos. Otro compuesto importante de esta familia de nucleótidos es el AMP cíclico, en el que el grupo fosfato se une dos veces a la ribosa, formando un anillo. Este compuesto, que se forma a partir del ATP, actúa como un mensajero químico intracelular, transmitiendo hasta el núcleo la información que llega desde el exterior de la célula.
Familia de la flavina: estos nucleótidos nunca forman parte de los ácidos nucleicos, sino que actúan como coenzimas de oxidación-reducción, en general unidos íntimamente a la proteína cuya función ayudan a realizar. Básicamente son dos compuestos, el FMN (flavín mononucleótido) y el FAD (flavín adenín dinucleótido). Este último es, como su nombre indica, un dímero formado por la unión de un mononucleótido de flavina y otro de adenina.
Familia del NAD: NAD son las siglas de nicotín adenín dinucleótido. Es decir, se trata de la unión de dos nucleótidos, uno de los cuales tiene la adenina como base nitrogenada, mientras que la base del otro es la nicotinamida. Los nucleótidos de este grupo no forman parte de los ácidos nucleicos, sino que actúan como coenzimas de oxidación-reducción aunque, a diferencia de los nucleótidos de flavina, no se unen firmemente a la enzima, sino que quedan libres en el entorno. Esto permite que puedan capturar electrones (y protones) en una reacción y liberarlos en otra distinta, incluso si ocurre en otro lugar de la célula. El NAD+ (es una molécula cargada positivamente) puede captar un par de electrones y un protón, asociándose a otro, dando lugar al NADH+H+. Existe otro par de compuestos similar a esta pareja, pero con un fosfato más en su composición: NADP+ (forma oxidada) y NADPH+H+ (forma reducida), que interviene fundamentalmente en la fotosíntesis.
Cadenas de nucleótidos
En un nucleótido hay dos grupos que pueden intervenir en la formación de un enlace con otras moléculas similares:
Uno de los oxígenos del grupo fosfato que, a su vez, se encuentra unido al carbono 5' del monosacárido.
El grupo hidroxilo del carbono 3' del monosacárido.
La presencia de estos dos grupos hace que cada nucleótido pueda formar dos enlaces distintos, uno a través de su grupo fosfato (extremo P o 5') y otro a través de su hidroxilo del carbono 3' (extremo 3' u OH). La unión 5'→3' de varios nucleótidos consecutivos da lugar a una cadena, llamada genéricamente ácido nucleico, que sigue teniendo dos extremos capaces de reaccionar, igual que cada uno de los nucleótidos, por lo que puede continuar aumentando su tamaño.
Existen dos tipos de cadenas, según estén formados por ribonucleótidos (si el monosacárido es la ribosa) o desoxirribonucleótidos (si el monosacárido es la 2' desoxirribosa). El primer tipo de ácido nucleico recibe el nombre de ácido ribonucleico (ARN), mientras que el segundo se denomina ácido desoxirribonucleico (ADN).
