La membrana, estructura celular universal

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.

Estructura celular: células procariotas

Existen dos grandes tipos de organización celular, que se diferencian significativamente entre sí. Las diferencias más importantes se recogen en la siguiente tabla:

Procariotas	Eucariotas
Genóforo	Nucleoplasma
Un solo cromosoma	Varios cromosomas
ADN de cadena doble, circular y cerrado covalentemente	ADN de cadena doble, lineal y terminado en telómeros
No existe membrana nuclear	Existe membrana nuclear
ADN no asociado a histonas	ADN asociado a histonas
Replicación del material genético: no ocurre mediante mitosis	Replicación del material genético: ocurre mediante mitosis
Organización del citoplasma	Organización del citoplasma
No tienen orgánulos formados o rodeados por membrana	Con orgánulos formados o rodeados por membrana
No tienen citoesqueleto ni corrientes citoplasmáticas	Poseen citoesqueleto y corrientes citoplasmáticas
Ribosomas 70 S	Ribosomas 80 S (y 70 S en algunos orgánulos)

Células procariotas

La organización más simple, y evolutivamente más antigua, es la de las células procariotas. Este tipo celular se encuentra presente exclusivamente en el Reino Moneras, y los organismos que las presentan son siempre unicelulares. En general presentan un tamaño bastante reducido, entre uno y unos pocos micrómetros, lo que las hace comparables a algunos orgánulos presentes en las células eucariotas.

Aunque estructuralmente estas células son bastante sencillas, existe una gran variabilidad entre ellas, de modo que algunas estructuras son comunes a todas, mientras que otras solo aparecen en ciertos grupos. En el listado que aparece a continuación, las estructuras indicadas en cursiva solo están presentes en algunos tipos bacterianos, mientras que las marcadas con letra negrita están siempre presentes. Las estructuras se ordenan desde el medio externo hacia el interior de la célula:

• Cápsula o capa mucilaginosa, capa S paracristalina o vaina: son estructuras de protección, generalmente formadas por glucoproteínas. Son frecuentes en bacterias patógenas.
• Botones de anclaje: permiten a las bacterias que los presentan adherirse al sustrato.
• Pared celular: en realidad está presente en todos los grupos de bacterias, excepto en los Micoplasmas.
• Protoplasto, que a su vez se compone de:
• Membrana plasmática, en la que pueden presentarse (o no) invaginaciones.
• Citoplasma, en el que se incluye
• Genóforo, el material genético, formado por una sola molécula que recibe el nombre de cromosoma bacteriano.
• En algunas estirpes bacterianas aparece material genético suplementario en forma de moléculas de ADN circulares, de tamaño mucho menor que el cromosoma bacteriano, llamadas plásmidos.
• Ribosomas, con un coeficiente de sedimentación 70S
• Inclusiones, depósitos de materiales de reserva que se acumulan en forma de gránulos cristalinos
• Orgánulos no rodeados por membrana, que realizan funciones específicas.
• Flagelos, que hacen posible el movimiento de la bacteria
• Fimbrias o pelos, que pueden tener diferentes funciones.

La pared celular es la principal cubierta de protección de prácticamente todas las bacterias, con la única excepción de los Micoplasmas. Se trata de una estructura gruesa y resistente, que se encuentra hacia el exterior de la membrana plasmática, y que proporciona resistencia mecánica a la célula. Existen dos tipos de paredes, que a su vez dan lugar a dos grandes tipos de bacterias, que se comportan de modo distinto ante los antibióticos. La diferencia en composición y estructura de ambos tipos de pared se manifiesta en su comportamiento frente a una técnica de tinción muy utilizada en Microbiología, la tinción de Gram. Algunos grupos de bacterias no se tieñen cuando se utiliza este colorante, que se fija específicamente a la pared bacteriana, por lo que reciben el nombre de bacterias gram negativas, mientras que la pared de otras bacterias sí retiene el colorante, por lo que reciben el nombre de bacterias gram positivas. Ambos tipos tienen un componente común, el peptidoglucano. Se trata de un polímero complejo, formado por dos derivados de monosacáridos, la N-acetilglucosamina y el ácido N-acetilmurámico. Este compuesto está unido a un tetrapéptido en el que aparecen aminoácidos raros (como la D-alanina), llamado ácido teicoico, y los pentapéptidos se unen entre sí mediante otros péptidos. El conjunto forma un entramado tridimensional.

 

Las bacterias gram positivas tienen una pared sencilla, formada por varias capas superpuestas de peptidoglucano al que se unen moléculas de ácidos teicoicos. Por su parte, la pared celular de las gram negativas es más compleja: hacia el exterior de la membrana plasmática aparece un espacio, llamado espacio  periplásmico, rodeado de una fina capa de peptidoglucano. Por fuera del peptidoglucano aparece otra, capa la membrana externa, que tiene la misma estructura que la membrana plasmática, incluyendo la presencia de proteínas que actúan como transportadores (porinas). Algunas especies poseen también una capa proteica que rodea la membrana externa, y que recibe el nombre de capa S.

La membrana plasmática de las células procariotas tiene las mismas características que la de las eucariotas, por lo que las analizaremos conjuntamente.

El citoplasma bacteriano carece casi por completo de estructuras diferenciadas. Aparecen algunos gránulos que corresponden a acúmulos de sustancias de reserva y ribosomas, que se diferencian de los eucariotas en su coefiente de sedimentación (característica relacionada tanto con su tamaño como con su forma), pero que son similares a los que aparecen en el interior de algunos orgánulos (mitocondrias y plastos): tanto los bacterianos como los de dichos orgánulos tienen un coeficiente de sedimentación de 70S, y están formados por dos subunidades cuyos coeficientes de sedimentación son 50S y 30S, mientras que los ribosomas citoplasmáticos de los eucariotas tienen un coeficiente de sedimentación 80S, siendo sus subunidades de 60S y 40S.

El material genético bacteriano no forma un auténtico núcleo, aunque está en una zona del citoplasma más o menos diferenciada, razón por la cual recibe el nombre de nucleoide. En algunas imágenes parece estar relacionado con la membrana plasmática a través de una estructura denominada mesosoma.

En cuanto a su organización, el genoma bacteriano está formado por una única molécula de ADN de doble cadena, con la estructura típica propuesta por Watson y Crick. Dicha molécula se cierra sobre sí misma, de modo que no tiene extremos, sino que forma un círculo. La molécula está superenrollada, lo que significa que la doble hélice da varias vueltas sobre sí misma antes de cerrarse. Parece ser que la razón para que el material genético esté superenrollado es básicamente compactarlo, por lo que es necesario eliminar esta situación cuando debe ser leído (expresión génica o replicación). El superenrollamiento y la relajación de la molécula de ADN se producen por la acción de un tipo particular de enzimas, las topoisomerasas.

En muchos casos, además del cromosoma bacteriano pueden aparecer moléculas de ADN suplementarias, mucho más pequeñas que el genóforo principal,  también cerradas sobre sí mismas, que reciben el nombre de plásmidos. Los plásmidos son material genético accesorio,  que en principio no son imprescindibles para la supervivencia de la bacteria, hasta el punto de que pueden aparecer en algunas bacterias pero no en otras de la misma especie.  Sin embargo, eso no significa que no tengan importancia: muchos plásmidos incluyen genes que proporcionan a las bacterias que los presentan características ventajosas, como la resistencia a antibióticos.

Los plásmidos son transmisibles: algunas bacterias tienen capacidad para transferirlos a otras, en un proceso denominado conjugación, en el que la segunda bacteria adquiere las características de la primera, mientras que ésta las mantiene.

Además, los plásmidos pueden recombinarse entre sí, reuniendo los genes en una misma molécula. En estos procesos intervienen enzimas bacterianas capaces de cortar el ADN en secuencias específicas complementarias entre sí, y de unir los fragmentos resultantes de ese corte, llamadas restrictasas (las que cortan) y ligasa (la que une los fragmentos). El descubrimiento de estas características y de las enzimas responsables de este proceso supuso el inicio de la ingeniería genética, porque abrió la puerta a la introducción de genes extraños en estos organismos.

Aproximación al estudio de la célula

Uno de las teorías fundamentales de la Biología es la Teoría Celular, cuya formulación ha requerido un proceso largo y paulatino, desde la observación de las primeras células por Leeuwenhoek en el siglo XVII hasta su generalización con el descubrimiento, por parte de Ramón y Cajal, de que las neuronas son también células individualizadas.

En su formulación actual, la Teoría Celular explica la estructura de todos los seres vivos, desde los más simples a los más complejos, a la vez que establece un nexo evolutivo entre todos los organismos que han existido a lo largo de la historia de la Tierra.

Los postulados actuales de la Teoría Celular son los siguientes:

• Todos los seres vivos están formados por células.
• La célula es la unidad de estructura y función de los seres vivos. Esto significa, por una parte, que la célula es la parte más pequeña común a todos los seres vivos (estructura básica), y que además es capaz de realizar por sí misma todas las funciones que caracterizan el funcionamiento de los organismos.
• La célula es también la unidad de reproducción de los organismos, ya que es el elemento más pequeño con capacidad de reproducirse por sí mismo.
• Todas las células proceden de otra, similar a ellas desde el punto de vista genético, estructural y funcional. La única excepción que existe a este postulado es, evidentemente, la primera célula que apareció, que se formó a partir de una estructura más sencilla.
• La célula es también la unidad de vida independiente más sencilla, ya que existen muchos organismos formados por una única célula.

 Todas las células que existen presentan ciertas características comunes, que las relacionan evolutivamente entre sí:

• Una membrana, que separa la célula del medio externo, seleccionando las sustancias químicas que entran y salen de la célula.
• El citoplasma, el medio interno de la célula, que incluye todos los componentes y elementos necesarios para el funcionamiento celular.
• La información genética, imprescindible para controlar la actividad celular, y que se encuentra siempre almacenada en una o varias moléculas de ADN.

A pesar de estas características comunes, existen grandes diferencias entre unos tipos celulares y otros. Básicamente, pueden distinguirse dos niveles de organización diferentes: las células procariotas son las más sencillas, y se encuentran exlcusivamente en los organismos del Reino Moneras. Se caracterizan porque su citoplasma no está dividido en compartimentos, ni tienen orgánulos formados por estructuras membranosas. Su material genético es simple y reducido, ya que se limita a una única molécula de ADN no asociada a histonas y que se cierra sobre sí misma formando un anillo.

El otro nivel de complejidad es el que caracteriza a las células eucariotas, que se presentan en el resto de los organismos. Aunque existen varios tipos de células eucariotas todas ellas tienen características comunes: tienen el citoplasma dividido en diferentes compartimentos separados entre sí por membrana, presentan también orgánulos especializados formados por membranas y su material genético es complejo, incluyendo siempre varias moléculas diferentes, llamadas cromosomas, en las que el ADN no se cierra sobre sí mismo y está asociado a histonas.

Métodos de estudio de la célula

El reducido tamaño de las células ha hecho difícil su estudio durante mucho tiempo. En la actualidad, gracias al avance tecnológico, se dispone de una gran variedad de métodos que permiten conocer tanto su composición como su estructura, e incluso el estudio de sus funciones in vivo. Un posible esquema de este tipo de estudios sería el siguiente:

• Métodos analíticos: pretenden el estudio de las partes de la célula, para lo cual es necesario fraccionarla y separar los distintos elementos que resultan de ese fraccionamiento. La rotura de las células se hace mediante sonicación (aplicación de ultrasonidos), digestión con detergentes u homogenización (rotura mecánica). Los componentes celulares liberados en este proceso se separan mediante centrifugación diferencial, técnica que se basa en que las partículas subcelulares tienen diferente densidad. Si se hace girar estos componentes en un medio con un gradiente de densidad (menor en la parte superior del tubo, mayor en la inferior) a grandes velocidades se consigue que los elementos con diferentes densidades se depositen en distintas partes del tubo, separándolos entre sí.

• Técnicas bioquímicas: una vez separados los componentes celulares permiten el estudio de las diferentes sustancias presentes en la célula. Para ello, en primer lugar se utilizan técnicas que separan los grandes grupos de compuestos en función de sus características generales, y después otras que permiten separar sustancias similares entre sí, por ejemplo la electroforesis, que se utiliza para separar sobre todo proteínas según su punto isoeléctrico, o la cromatografía en columna, que permite separar moléculas por su tamaño (filtración en gel) o por su afinidad por determinados sustratos (lo que, por ejemplo, permite separar una enzima uniéndola a su sustrato). Puedes ver el funcionamiento de algunas de esas técnicas en las siguientes animaciones:
• Electroforesis de proteínas
• Electroforesis de ADN
• Cromatografía (filtración en gel)
• Cromatografía de afinidad
• La autorradiografía permite seguir ciertas moléculas durante su "ciclo de vida" en el interior de la célula. Consiste, básicamente, en marcar la molécula cuyo destino nos interesa seguir uniéndole un isótopo radiactivo, cultivar las células con la molécula marcada y detectar la radiación a intervalos regulares de tiempo.

• Técnicas de microscopía: La microscopía resulta particularmente útil para el estudio de la estructura celular, ya que en algunos casos permite visualizar los diferentes elementos que forman parte de la célula. Básicamente, existen dos grandes tipos de técnicas microscópicas: la microscopía óptica consigue una imagen aumentada utilizando luz visible, mientras que la microscopía electrónica proporciona una imagen aumentada utilizando electrones como "fuente de iluminación", aprovechando su menor longitud de onda. Los parámetros importantes en la microscopía son el aumento, que se define como la proporción entre el tamaño aparente de la imagen y el tamaño real de la muestra, y el poder de resolución, que es la capacidad del microscopio para formar imágenes diferentes de dos puntos cercanos. El poder de resolución depende de la apertura de la lente, una característica que mide la capacidad de la lente de recoger la luz, del índice de refracción del medio y de la longitud de onda de la radiación utilizada para formar la imagen.
 

• La microscopía óptica consiste en hacer pasar la luz a través de la muestra que se desea observar y de dos lentes convergentes, que aumentan el tamaño aparente de la imagen. Además, se utilizan como complementos necesarios en el proceso una fuente de luz y un condensador, que concentra la luz sobre la muestra. En general, las muestras biológicas son prácticamente transparentes, por lo que apenas se observan en el microscopio. Suele ser necesario teñir las células utilizando diferentes sustancias, lo que, en general, supone matar la célula. Existen diferentes técnicas de microscopía óptica (campo claro, campo oscuro, contraste de fases...) que permiten observar características diferentes de la muestra. Algunas de estas técnicas permiten, incluso, la visualización de células vivas.
• La microscopía electrónica se basa en que los electrones, como todas las partículas, se comportan en ocasiones como ondas. La longitud de esta radiación es mucho menor que la de la luz visible, lo que permite conseguir un poder de resolución mucho mayor que el que se logra con la microscopía óptica. El proceso consiste en hacer incidir sobre la muestra un haz de electrones focalizado mediante un electroiman, y recogerlos después en un sensor (una pantalla sensible o una placa fotográfica). Según el camino que sigan los electrones se distinguen dos tipos de microscopía electrónica:
• En la microscopía electrónica de transmisión (TEM) el haz de electrones atraviesa un corte fino de la muestra. Las zonas más densas impiden el paso de los electrones, por lo que dejan una zona oscura o negra en la imagen. Posee el mayor poder de resolución de todas las técnicas de microscopía.
• En la microscopía electrónica de barrido (SEM), en cambio, se recubre una muestra sin cortar con una fina capa metálica, que impide el paso de los electrones, haciéndolos rebotar. Los electrones reflejados son recogidos por el sensor, de forma que éste da una imagen aproximada del relieve de la muestra.
• Cultivo celular: el estudio de la fisiología de la célula suele hacer necesario que ésta se mantenga viva, y al alcance del investigador. El mantenimiento de células en un medio artificial y controlado del que obtienen nutrientes se denomina cultivo celular. El cultivo de células procariotas o fúngicas es sencillo, hasta el punto de que se consigue hacerlo en grandes tanques de miles de litros llamados fermentadores, porque los requisitos de este tipo de organismos unicelulares también son sencillos. Los cultivos de células procedentes de organismos pluricelulares, en particular de animales, resultan más complicados, y requieren condiciones de esterilidad y un control riguroso del medio que se proporciona a las células.

Ácidos nucleicos III: el ARN, estructura y función

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.

Ácidos nucleicos II: El ADN, estructura y función

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.

Ácidos nucleicos I: naturaleza y aspectos generales

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).

Proteínas III: las funciones de las proteínas

Las proteínas son el tipo de moléculas que llevan a cabo la mayor parte de las funciones de las células, gracias a gran variedad de estructuras tridimensionales que pueden adquirir. Entre tales funciones se cuentan:

• Función hormonal: las hormonas son sustancias que se encargan de transmitir una información de un órgano a otros, con el fin de que éstos produzcan una respuesta mantenida en el tiempo. La coordinación hormonal, a diferencia de la actividad del sistema nervioso, es lenta, pero duradera. En general hace que las células que reciben el "mensaje" sinteticen nuevas proteínas y modifiquen su actividad química. Existen, básicamente, dos tipos de hormonas según su naturaleza química: las lipídicas y las que derivan de aminoácidos o tienen naturaleza peptídica, como la insulina. Las hormonas peptídicas necesitan, además, unirse a moléculas concretas en la superficie de la célula (no pueden atravesar la membrana). Estas moléculas, específicas para cada hormona, reciben el nombre de receptores y son siempre proteínas.
• Reconocimiento e identificación celular: la identificación de los elementos propios y ajenos dentro del mismo organismo ocurre siempre por unión a proteínas expuestas en la superficie celular. Los elementos que se unen a organismos o células extrañas que pueden penetrar en nuestro organismo (los anticuerpos) son también proteínas.
• Función transportadora, tanto a través de las membranas biológicas como de sustancias no solubles en un medio acuoso.
• Función estructural: muchas proteínas son utilizadas por la célula para formar la base de diferentes elementos estructurales, como el citoesqueleto. También se usan proteínas para dar resistencia a algunos tejidos de sostén, como el colágeno en el tejido conjuntivo.
• Función defensiva: los anticuerpos, además de reconocer las moléculas propias y las ajenas, contribuyen a eliminar a los microorganismos invasores.
• Movimiento: todas las funciones de los seres vivos que tienen que ver con la motilidad y el movimiento, tanto en el interior de las células como de las células en su conjunto, son realizadas por diferentes tipos de proteínas.
• Función enzimática: posiblemente, la función más extendida de las proteínas sea actuar como enzimas, es decir, como catalizadores de las reacciones químicas que tienen lugar en el interior de las células.

Reacciones químicas, catalizadores y enzimas

La célula funciona como una fábrica química en la que se están produciendo simultáneamente miles de reacciones químicas diferentes. La cantidad de productos que se genera en cada una de ellas está perfectamente ajustada a la cantidad de sustratos que están presentes en la célula en un momento determinado, y a las necesidades que la célula tiene en ese preciso momento. Evidentemente, esta coordinación no ocurre por casualidad, sino que requiere del funcionamiento correcto de elementos celulares que sean capaces de realizar los ajustes precisos en las diferentes reacciones. Esos elementos son las enzimas, y consiguen mantener el equilibrio entre las reacciones celulares modificando su velocidad.

La mayoría de las enzimas se encuentran en el interior de las células, aunque hay algunas que son secretadas y realizan su acción en el torrente circulatorio, el tubo digestivo y otros espacios extracelulares, o incluso fuera del organismo en el caso de muchos microorganismos. Una célula animal "típica" puede contener entre 1000 y 4000 enzimas distintas, cada una de las cuales cataliza una única reacción o un conjunto de reacciones estrechamente relacionadas.

Ciertas enzimas catalizan reacciones comunes a la mayoría de los organismos, entre las que están la síntesis de proteínas, ácidos nucleicos o fosfolípidos, las reacciones que convierten la glucosa y el oxígeno en dióxido de carbono y agua, proporcionando energía a la célula. Estas enzimas son bastante parecidas en todos los organismos. Por otra parte, existen también enzimas que solo están presentes en algunas de las células del organismo.

Las reacciones celulares siguen, evidentemente, los mismos principios que el resto de las reacciones químicas. Para entender el funcionamiento de las enzimas habrá que recordar algunos de ellos. Para eso, partiremos de una reacción hipotética que podríamos representar como

A ↔ B + C

En ella, un sustrato (A) se divide en dos productos, B y C.

La posibilidad de que ocurra una reacción química depende de la energía interna que posean los sustratos, por una parte, y los productos por otra; si los sustratos tienen más energía interna que los productos la reacción será espontánea, aunque eso no nos dice nada de la velocidad con la que ocurrirá: puede ser tan lenta que, en la práctica no ocurra nunca.

Casi todas las reacciones químicas son, además, reversibles. Esto significa que, a medida que el sustrato A se descompone en B y C, una parte de estos reaccionan entre sí regenerando el sustrato original, A. Las velocidades de ambas reacciones (directa e inversa) guardan una curiosa relación: conforme avanza la reacción, la velocidad de la reacción directa va disminuyendo, mientras que la de la reacción inversa va aumentando, hasta llegar a igualarse. En ese momento, se genera tanta cantidad de productos como de sustratos, de modo que las concentraciones de las sustancias que participan en la reacción permanecen constantes; se ha alcanzado el equilibrio químico. Estas variables (diferencia de energía entre sustratos y productos, velocidad de la reacción directa, velocidad de la reacción inversa y proporción de la concentración de sustancias en el equilibrio) caracterizan una reacción química, también en los seres vivos.

Las células pueden actuar, en distinto grado, sobre esas variables para controlar el transcurso de la reacción:

• Pueden modificar la diferencia de energía interna entre sustratos y productos, por ejemplo fosforilando uno de los sustratos. Este compuesto tiene una energía interna mayor que el original, facilitando el transcurso de la reacción. También pueden acoplar una reacción que proporcione energía a la original, en particular la hidrólisis de ATP. Acoplar dos reacciones entre sí consiste en hacer que ambas transcurran simultáneamente, y en el mismo lugar, de modo que una pueda utilizar los productos de la otra (tanto moléculas como energía).
• Pueden alterar las condiciones de equilibrio de la reacción, por ejemplo retirando los productos a medida que se van formando, con lo que nunca se alcanza la proporción entre sustratos y productos que caracteriza el equilibrio.
• Pero el mecanismo más utilizado para controlar el transcurso de las reacciones químicas es modificar la velocidad a la que transcurren mediante el uso de catalizadores.

Un catalizador es una sustancia química que modifica la velocidad de una reacción, recuperándose intacto al final de la misma. Los catalizadores no modifican el equilibrio de la reacción, ni priman un sentido sobre otro (hacen que aumente tanto la velocidad de la reacción directa como de la inversa), sino que actúan modificando la energía de activación.

Para que una reacción tenga lugar, aunque los sustratos tengan más energía que los productos, es necesario que se forme un intermedio de reacción con mayor energía que la de los sustratos.

Se interpreta esta energía de activación teniendo en cuenta que, para que un compuesto estable reaccione químicamente, es necesario que se encuentre en un estado en el que se haga posible la reacción. Si tienen que reaccionar entre sí dos sustancias, el estado activado supondría que las dos moléculas han chocado con la velocidad y orientación necesarias para que los enlaces existentes se rompan, y se formen nuevos enlaces. Si es un único compuesto que se descompone, se trata de que los enlaces entre los átomos estén suficientemente forzados para que lleguen a romperse.

Las enzimas son catalizadores biológicos. Prácticamente todos los compuestos bioquímicos que tienen actividad enzimática son proteínas, siendo las únicas excepciones algunos ácidos ribonucleicos que también tienen este tipo de función. A diferencia de los catalizadores no biológicos, las enzimas son totalmente específicas: cada enzima cataliza una reacción específica o, a lo sumo, unas pocas reacciones muy parecidas entre sí.

La acción enzimática consiste, como la de todos los catalizadores, en modificar la energía de activación necesaria para que la reacción tenga lugar. Para hacer esto, la enzima se une al (los) sustrato(s), formando un complejo enzima-sustrato que suele representarse como [ES], y que puede reaccionar requiriendo una menor energía de activación.

Lo que hace la enzima, como se ve en la animación anterior, es modificar la orientación del sustrato, o la posición de sus enlaces, para facilitar la reacción química.

El efecto macroscópico de un catalizador es, como se ha dicho, modificar la velocidad de las reacciones que cataliza. Para entender cómo el cambio en la energía de activación de las moléculas supone un cambio en la velocidad hay que tener en cuenta que cuando nos referimos a una reacción, aunque utilicemos el singular, en realidad estamos considerando un conjunto de moléculas que van a participar en el proceso. Cada una de esas moléculas tiene propiedades diferentes, por ejemplo su energía, de modo que algunas (normalmente unas pocas) poseen energía suficiente para alcanzar la energía de activación y, por lo tanto, reaccionar. Cuanto menor sea la proporción de moléculas con elevada energía, menor es la velocidad de la reacción (por eso calentar los sustratos suele acelerar las reacciones). Lo que consigue una enzima al reducir la energía de activación es que haya una mayor proporción de moléculas en condiciones de reaccionar, por lo que la velocidad de reacción es mayor.

Factores que determinan la acción enzimática

A continuación tienes una animación interactiva que muestra un modelo de reacción química en presencia de enzima. Antes de describir la actividad enzimática de modo teórico, es interesante que modifiques los parámetros de la animación y que vayas tratando de responderte algunas preguntas para que puedas comprender mejor cómo actúan las enzimas. La cuestión fundamental es la siguiente: ¿cómo se consigue una eficacia máxima de las enzimas a la hora de catalizar una reacción química?

Fíjate en la animación, y observa que en la parte derecha hay unas cuantas variables cuyos valores puedes modificar. Empezando por los dos primeros, que son los más importantes, cambia esos valores (uno de ellos cada vez) y responde a estas preguntas:

• ¿Como afecta la cantidad de sustrato a la velocidad de la reacción?
• ¿Cómo afecta la cantidad de enzima a la velocidad de la reacción?

Al aumentar la cantidad de enzima, la velocidad de la reacción también lo hace. Por otra parte, al aumentar la concentración de sustrato, la velocidad de la reacción se incrementa, pero solo hasta un determinado valor, por encima del cual la velocidad se hace constante. Estos resultados se resumen en la ecuación de Michaelis Menten:

En ella se observa que la velocidad inicial de la reacción (v₀) depende de la velocidad máxima a la que puede transcurrir la reacción (V_máx) y a la concentración de sustrato [S], y es inversamente proporcional de nuevo a la concentración de sustrato y a una constante característica de la enzima, K_M, llamada constante de Michaelis-Menten, que indica la afinidad que la enzima muestra por el sustrato. Cuando la concentración de sustrato es igual a la constante de Michaelis-Menten, la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima de la reacción.

La gráfica de la derecha, que muestra la variación de la velocidad de reacción en función de la concentración de sustrato, tiene algunos aspectos destacables:

• Cuando hay mucha más enzima que sustrato, es decir, cuando la concentración de sustrato es baja, la velocidad de la reacción es proporcional a la cantidad de sustrato.
• Cuando la cantidad de enzima y de sustrato son comparables, la velocidad de la reacción sigue aumentando al incrementar la cantidad de sustrato, pero lo hace mucho más lentamente.
• Por último, llega un momento en que aunque sigamos añadiendo sustrato la velocidad de la reacción permanece constante.

Esta gráfica describe una cinética de saturación. En esta situación, el principal determinante de la velocidad de la reacción es la disponibilidad de enzima. Cuando hay enzima disponible de sobra, la velocidad y la cantidad de sustrato son proporcionales; cuando la enzima está prácticamente ocupada, la velocidad de la reacción depende menos de la cantidad de sustrato, porque las moléculas de éste pueden llegar a tener que "esperar" a que la enzima quede desocupada para poder reaccionar. Por último, cuando hay un exceso de sustrato, la velocidad ha alcanzado su valor máximo, de forma que solo puede incrementarse añadiendo enzima.

Volvamos a la célula. El mantenimiento del equilibrio químico dentro de cada célula precisa que las reacciones químicas que ocurren en ella se produzcan coordinadamente, como si varios bailarines siguieran la misma danza. Para ello, la célula necesita regular y ajustar entre sí las velocidades de diferentes reacciones, lo que puede hacer cambiando la concentración de sustrato (lo que puede ser complejo, puesto que depende de la cantidad de nutrientes disponible) o cambiando la cantidad de enzima disponible, o su efectividad. La regulación de la actividad enzimática tiene, por lo tanto, una gran importancia.

Mecanismo de acción enzimática: fundamento molecular

Para catalizar una reacción química, la enzima se une al sustrato formando un complejo [ES]. Se trata de una unión reversible, ya que se debe a la formación de enlaces débiles entre enzima y sustrato, y altamente específica, porque la enzima y el sustrato presentan un elevado grado de complementariedad espacial: el sustrato encaja en la enzima como una mano en un guante. Para que el "encaje" se produzca suele ser necesario que las conformaciones (las formas tridimensionales instantáneas) de sustrato y enzima varíen hasta conseguir el mejor grado de complementariedad.

El sustrato se une específicamente a una región concreta de la enzima, llamada centro activo, donde se produce la reacción química. El centro activo es una zona tridimensional que puede estar formada por aminoácidos alejados entre sí en la estructura primaria de la proteína. Aunque suele ser solo una pequeña proporción del volumen total de la enzima, en general es necesario que toda la proteína esté intacta para que el centro activo pueda funcionar.

Regulación de las reacciones enzimáticas

En la célula, las reacciones químicas no se producen aisladas, sino interrelacionadas entre sí. En muchos casos, esa relación entre reacciones consiste en que el producto de una de ellas es el sustrato de la siguiente, cuyo producto es, por su parte, sustrato de una tercera reacción... Este conjunto de reacciones químicas encadenadas recibe el nombre de ruta metabólica.

Cuando la célula lleva a cabo una o varias rutas metabólicas, cada una de las reacciones que las forman tienen unas características diferentes, en particular en lo que se refiere a su cinética: unas ocurren más rápidamente que las otras, lo que puede provocar desajustes en el transcurso de la ruta: se pueden acumular cantidades excesivas de un producto intermedio, o bien alguno de ellos puede llegar a agotarse. En ambos casos, se produce un desajuste que dificulta el funcionamiento ordenado de la célula. Para evitarlo, la célula trata de ajustar las velocidades de las diferentes reacciones químicas que ocurren en ella, lo que se conoce como regulación enzimática.

Los organismos pueden ajustar la cantidad de sustancias mediante diferentes mecanismos:

• Regulando la expresión génica, es decir, los genes que se expresan (producen proteínas) en un momento dado. Una buena parte de los genes de cada célula no se expresan normalmente, sino solo cuando son estrictamente necesarios, en general como respuesta a un estímulo.
• Regulando la concentración de sustratos y productos, lo que la célula hace, por ejemplo, separándolos físicamente en orgánulos distintos.
• Regulando la actividad enzimática, mediante la unión a las enzimas de ciertas moléculas que modifican su estructura terciaria.
  

Muchas de las enzimas presentes en la célula pueden modificar su eficacia como resultado de factores de su entorno químico o por la acción de ciertas sustancias que la célula utiliza, precisamente, con ese propósito. Los factores que modifican la actividad enzimática son todos aquellos que son capaces de alterar la estructura tridimensional de las proteínas. Entre ellos, los más importantes son la temperatura, el pH o la fuerza iónica. En cuanto a las sustancias químicas que alteran la actividad enzimática, la mayor parte la reducen, por lo que reciben el nombre de inhibidores enzimáticos. Algunos inhibidores son toxinas o venenos, cuyo mecanismo de acción consiste, precisamente, en impedir la acción de las enzimas correspondientes. Sin embargo, existen también inhibidores enzimáticos que tienen una función importante en el funcionamiento de la célula. Su existencia es importante, porque la célula no solo necesita conseguir que las enzimas funcionen, sino que lo hagan de forma coordinada con el resto de los procesos celulares.

La inhibición enzimática ocurre siempre porque el inhibidor se une físicamente a alguno de los elementos que intervienen en la reacción, modificando su estructura tridimensional e impidiendo que la reacción prosiga. Según donde se produzca la unión del inhibidor se distinguen varios tipos distintos de inhibición:

• Inhibición competitiva: el inhibidor se une a la enzima en el centro activo, compitiendo por él con el sustrato natural e impidiendo que se forme el complejo [ES].
• Inhibición acompetitiva: el inhibidor se une en una zona diferente al centro activo, una vez formado el complejo [ES], impidiendo que evolucione hacia la formación de los productos.
• Inhibición no competitiva: el inhibidor se une fuera del centro activo, pero puede hacerlo tanto a la enzima libre como al complejo [ES].

Los tres tipos de inhibición producen efectos distintos sobre la actividad enzimática, y pueden diferenciarse por los cambios que inducen en la velocidad de la reacción.

También existen algunos compuestos que se unen irreversiblemente a las enzimas, provocando su inactivación definitiva. En estos casos, los inhibidores no son compuestos habituales en la célula, sino que actúan como venenos. Este es, por ejemplo, el caso del DDT, un insecticida que actúa inhibiendo de forma irreversible la acetilcolinesterasa, una enzima relacionada con la transmisión de la información en el sistema nervioso.

Regulación alostérica

Las células aprovechan los mecanismos de inhibición enzimática para regular la actividad de las enzimas, con el objetivo de ajustar los procesos químicos que ocurren en su interior de modo que disponga en todo momento de la cantidad apropiada de cada una de las sustancias que precisa. Para ello, existen muchas proteínas que poseen más de un lugar de unión a diferentes moléculas: el centro activo, para la unión del sustrato, y otro lugar donde se unen compuestos que van a modular la acción de la enzima, ya sea activándola o inhibiéndola. Los lugares de unión de estos otros compuestos reciben el nombre de sitios alostéricos (del griego, con el significado de "otro lugar"), y el mecanismo por el que los moduladores (activadores o inhibidores) alteran la acción de la proteína se denomina regulación alostérica.

Los reguladores alostéricos actúan del mismo modo que los inhibidores no competitivos y acompetitivos: su unión a la enzima, o al complejo enzima-sustrato, modifica la estructura terciaria de la proteína en su conjunto, modificando la afinidad de la enzima por el sustrato y, como consecuencia, la velocidad de la reacción.

En general, la regulación no ocurre sobre todas las enzimas, sino solo sobre algunas que juegan un papel clave dentro del conjunto de reacciones metabólicas que se producen en la célula, bien porque formen parte de varias rutas metabólicas, bien porque sean las que condicionan la velocidad de toda la ruta metabólica (las más lentas), bien por alguna otra razón.

Otro aspecto interesante de la regulación alostérica es cuáles son los compuestos que la célula utiliza como reguladores. En general, se trata de sustancias que forman parte de la ruta metabólica que se está regulando, lo cual tiene mucho sentido desde el punto de vista de la eficacia de la regulación.

• Los activadores alostéricos suelen ser precursores del sustrato de la enzima regulada. De este modo se consigue que, cuando se acumulan en la célula, la enzima funcione más rápidamente, consumiéndolos. A medida que se reduce la concentración del activador, la enzima va reduciendo su velocidad, con lo que consigue ajustar su actividad a la disponibilidad de precursor.
• Los inhibidores alostéricos suelen ser los productos finales de la ruta metabólica regulada. Con esto se consigue que, si se acumulan los productos, éstos frenen la acción de la enzima, con lo que se van produciendo más lentamente. A medida que los productos finales van siendo utilizados, la reacción regulada vuelve a aumentar su velocidad, impidiendo que los productos se consuman por completo.

Ambas situaciones caracterizan un sistema de regulación por retroalimentación negativa, que tiene como principal ventaja que puede mantener los elementos que participan en él en una situación de equilibrio dinámico: nunca se acumulan en exceso los precursores, ni se agotan los productos, porque la velocidad de la enzima se ajusta para evitarlo.

Animación: regulación alostérica de una ruta metabólica

Actividad enzimática y elementos no proteicos

Muchas enzimas necesitan para realizar su función la presencia de otro tipo de moléculas que son las que realmente participan en la reacción catalizada por la enzima, mientras que la parte proteica (que recibe el nombre de apoenzima), les proporciona un entorno adecuado para facilitar que transcurra la reacción. La parte no proteica recibe diferentes nombres, en función de su naturaleza química y de su grado de unión a la proteína:

• Las moléculas no proteicas unidas covalentemente a la parte proteica de la enzima se denominan cofactores.
• Los grupos no unidos covalentemente, de naturaleza inorgánica reciben el nombre de grupos prostéticos.
• Los grupos no unidos covalentemente, de naturaleza orgánica, se denominan coenzimas.

De este modo se tiene que el NADH es una coenzima de oxidación reducción, porque se mantiene unido débilmente a las proteínas que lo utilizan, mientras que el FADH₂, que realiza esa misma función, es un cofactor porque se une covalentemente a las enzimas que lo emplean. Por el contrario el hierro, que es necesario por ejemplo para el transporte de oxígeno por la hemoglobina, es un grupo prostético, porque es una molécula inorgánica.