Estructura molecular de los ácidos nucleicos (página 2)

Antiguamente los biólogos pensaban que las células estaban formadas por una gelatina uniforme que llamaban protoplasma. Con la microscopía electrónica y otras herramientas modernas de investigación, se ha extendido la percepción del mundo con respecto a las células. En la actualidad sabemos que la célula tiene un alto nivel de organización y que es sorprendentemente compleja: tienen su propio centro de control, su sistema de transporte interno, fuentes de energía, fábricas para procesar la materia que requiere, plantas de empaquetamiento, e incluso un sistema de autodestrucción. En nuestros días el término protoplasma si acaso se utiliza es en un sentido muy general. La porción de protoplasma que se encuentra fuera del núcleo se llama citoplasma, y el material interno del núcleo se llama nucleoplasma. Los organelos se encuentran suspendidos en el componente líquido del citoplasma y del nucleoplasma. Cada uno de los organelos delimitados por sus membranas forma uno o más compartimentos independientes dentro del citoplasma. (3)

Estructura de las células eucariotas y sus funciones: (4)

Cuadro 2.2.2-1. Estructura de la célula eucariota y sus funciones

• TIPOS DE ORGANIZACIÓN CELULAR:

ORGANIZACIÓN UNICELULAR:

Células Eucariotas:

Los organismos Eucariotas son aquellos que contienen una estructura llamada núcleo, que se encuentra limitado por una membrana. El núcleo sirve para localizar el material genético, el ADN.

El término eucariota significa "núcleo verdadero" y se refiere a que el material genético de las células, está incluido en un núcleo distinto, rodeado por una membrana nuclear. Estas células también presentan varios organelos limitados por membranas que dividen el citoplasma celular en varios compartimentos adicionales. Algunos organelos sólo se presentan en algunas variedades celulares específicas. Por ejemplo, los cloroplastos, que atrapan la luz solar para conversión de energía, se hallan en las células que realizan fotosíntesis. Los organelos especializados de las células eucariotas les permiten resolver algunos de los problemas relacionados con su gran tamaño, de manera que pueden ser considerablemente más grandes que las células procariotas. (5)

Células procariotas:

Las células procariotas son aquellas que carecen de núcleo, vacuolas, mitocondrias y otros orgánulos subcelulares, generalmente son más pequeñas que las eucariotas. Son organismos de una sola célula que pertenecen al grupo Monera: se incluyen bacterias y algas verdeazules o cianobacterias, que no son sino bacterias fotosintéticas. El ADN de las células procariotas está confinado a una o más regiones nucleares, que a veces se denominan nucleoides, los cuales no están limitados por una membrana independiente.

Las células procariotas tienen una membrana plasmática que confina el contenido celular a un compartimento interno, pero carece de un sistema de membranas internas en forma de organelos. En algunas células procariotas la membrana plasmática puede plegarse hacia adentro y forma un complejo de membranas internas en donde se piensa se llevan a cabo las reacciones de transformación de energía. Algunas células procariotas también tienen una pared celular o membrana externa, que es una estructura que encierra a toda la célula, incluida la membrana plasmática. (6)

Virus:

Los virus o viriones no son seres celulares, dado a que no se mueven por si mismos y no son capaces de metabolizar de manera independiente: sólo pueden vivir cuando han infectado una célula. Un virus consiste en un filamento de ADN o de ARN (pero nunca ambos ácidos nucleicos en un mismo virus) contenido en una envoltura proteica de forma geométrica denominada cápside o cápsida, que está integrada por un conjunto de subunidades idénticas, los capsómeros, dispuestas en mosaico. Los virus pueden presentarse desnudos o bien revestidos de una envoltura lipoproteica, procedente de una porción de la membrana plasmática de la célula huésped. (7)

ORGANIZACIÓN PLURICELULAR: (8)

Tejidos vegetales:

Los vegetales presentan dos tipos de organización celular bien diferenciados. Los hongos, las algas y las plantas no vasculares en general carecen de verdaderos tejidos y vasos; las divisiones celulares tienen lugar en un plano y los nutrientes llegan directamente a todas las células sin necesidad de un sistema especializado de transporte. Es la organización tipo talo.

Las plantas vasculares, adaptadas ya a la vida terrestre y aérea, son las que tienen verdaderos tejidos diferenciados. Es la organización tipo cormo, con raíces, hojas y tallos verdaderos, los tres órganos de las plantas superiores.

Tejidos animales:

Generalmente los tejidos animales se clasifican en cuatro tipos fundamentales: epitelial, conectivo, muscular y nervioso. Otras clases de tejidos como el óseo o la sangre son formas de tejido conectivo.

Los tejidos se reúnen en forma de órganos especializados en un tipo de actividad (corazón, estómago, etc.), de forma que un determinado órgano puede estar formado por varios tejidos diferentes. Un conjunto de órganos coordinados puede desarrollar una función específica (por ejemplo, la respiración) constituye un aparato. Y un conjunto de órganos de la misma clase de tejidos y distribuidos por todo el organismo con una misma función es lo que se llama un sistema (sistema nervioso, endocrino, etc.).

• PROCESOS CELULARES: (9)

Metabolismo:

En todos los seres vivos ocurren reacciones químicas esenciales para la nutrición, el crecimiento y la reparación de las células, así como para la conversión de la energía en formas utilizables. La suma de todas estas actividades químicas del organismo recibe el nombre de metabolismo. Las reacciones metabólicas ocurren de manera continúa en todo ser vivo; en el momento en que se suspenden se considera que el organismo ha muerto.

Crecimiento:

Algunas cosas no vivas parecen crecer. Por ejemplo, se forman cristales en una solución sobresaturada de una sal; a medida que va saliendo más sal de la solución, los cristales crecen más y más. No obstante, ese proceso no es crecimiento en el sentido biológico. Los biólogos restringen el término crecimiento a los procesos que incrementan la cantidad de sustancia viva en el organismo. El crecimiento por tanto es, es un aumento de la masa celular, como resultado de un incremento del tamaño de las células individuales del número de células, o de ambos. El crecimiento puede ser uniforme en las diversas partes del organismo, o mayor en unas partes que en otras, de modo que las proporciones corporales cambian conforme ocurre el crecimiento.

Algunos organismos p. ej. casi todos los árboles siguen creciendo en forma definida. Muchos animales tienen un periodo de crecimiento, el cual termina cuando se alcanza el tamaño característico del adulto. Uno de los aspectos más notables del proceso es que cada parte del organismo sigue funcionando conforma éste crece.

Movimiento:

El movimiento, aunque no necesariamente la locomoción, es otra característica de los seres vivos. El movimiento de casi todos los animales es muy obvio: se agitan, raptan, nadan, corren o vuelan. Los movimientos de las plantas son mucho más lentos y menos obvios, pero no por ello dejan de ser un hecho. El movimiento de flujo del material vivo en el interior de las células de las hojas de las plantas se conoce como ciclosis.

La locomoción puede ser el resultado de la actividad de diminutas extensiones piliformes llamadas cilios o flagelos, de la contracción de los músculos, o del lento flujo de una masa de sustancias celulares llamado movimiento amiboideo.

Irritabilidad:

Los seres vivos reaccionan a los estímulos, que son cambios físicos o químicos en su ambiente interno o externo. Los estímulos que evocan una reacción en la mayoría de los organismos son: cambios de color, intensidad o dirección de la luz; cambios en temperatura, presión o sonido, y cambios en la composición química del suelo, aire o agua circundantes. En los animales complejos, como el ser humano, ciertas células del cuerpo están altamente especializadas para reaccionar a ciertos tipos de estímulos; por ejemplo las células de la retina del ojo reaccionan a la luz. En los organismos más simples esas células pueden estar ausentes, pero el organismo entero reacciona al estímulo. Ciertos organismos celulares reaccionan a la luz intensa huyendo de ella.

La irritabilidad de las plantas no es tan obvia como la de los animales, pero también los vegetales reaccionan a la luz, la gravedad, el agua y otros estímulos, principalmente por crecimiento de su cuerpo. El movimiento de flujo del citoplasma de las células vegetales se acelera o detiene a causa de las variaciones en la intensidad de la luz.

Reproducción:

Aunque hubo una época en la que se creía que los gusanos se creaban a partir de crines de caballo sumergidas en abrevaderos, que los gusanos de la carne se originaban a partir de ésta, y que las ranas surgían del fango del Nilo, ahora se sabe que cada uno de esos organismos sólo puede provenir de organismos preexistentes. Uno de los principios fundamentales de la biología es que "toda vida proviene exclusivamente de los seres vivos". Si existe alguna característica que pueda considerarse la esencia misma de la vida, ésta es la capacidad que tienen los organismos de reproducirse.

En el caso de los organismos más simples, como las amibas, la reproducción puede ser asexual; es decir, sin contacto sexual. Cuando una amiba alcanza cierto tamaño, se reproduce partiéndose en dos, y forma dos amibas nuevas. Antes de dividirse, cada amiba produce un duplicado de su material genético, de modo que cada amiba hija, es idéntica a la célula progenitora.

En casi todas las plantas y animales, la reproducción sexual se realiza mediante la reproducción de células especializadas llamadas óvulos y espermatozoides, las cuales se unen y forman el óvulo fecundado, o cigoto, del que nace el nuevo organismo. Cuando la reproducción es sexual, cada descendiente es el producto de la interacción de diversos genes, aportados por la madre y el padre, en vez de ser idéntico al progenitor, como sucede en el proceso asexual. La variación genética es la materia prima sobre la cual actúan los procesos vitales de la evolución y la adaptación.

Adaptación:

La capacidad que muestra una especie para adaptarse a su ambiente es la característica que les permite sobrevivir en un mundo en constante cambio. Las adaptaciones son rasgos que incrementan la capacidad de sobrevivir en un ambiente determinado. Dichas adaptaciones pueden ser estructurales, fisiológicas o conductuales, o una combinación de ellas.

La adaptación trae consigo cambios en la especie, mas que en el individuo. Si todo organismo de una especie fuera exactamente idéntico a los demás, cualquier cambio en el ambiente sería desastroso para todos ellos, de modo que la especie se extinguiría. La mayor parte de las adaptaciones se producen durante periodos muy prolongados de tiempo, y en ellas intervienen varias generaciones. Las adaptaciones son resultado de los procesos evolutivos.

• HOMEOSTASIS Y TRANSPORTE A TRAVES DE MEMBRANA:

HOMEOSTASIS:

En todos los organismos, los diversos procesos metabólicos deben ser cuidadosos y constantemente regulados para mantener un estado de equilibrio. Cuando ya se sintetizó una cantidad suficiente de un componente celular, es necesario reducir su producción o suspenderla por completo. Cuando declina la cantidad de energía disponible en una célula, es necesario que entren en funcionamiento los procesos adecuados para poner a disposición de la célula nueva energía. Estos mecanismos autorregulados de control son notablemente sensibles y eficientes. La tendencia de los organismos a mantener un medio interno constante se denomina homeostasis, y los mecanismos que realizan esa tarea se llaman mecanismos homeostáticos.

La regulación de la temperatura corporal en el ser humano es un ejemplo de la operación de tales mecanismos. Cuando la temperatura del cuerpo se eleva por arriba de su nivel normal de 37°C, la temperatura de la sangre es detectada por células especializadas del cerebro que funcionan como un termostato. Dichas células envían impulsos nerviosos hacia las glándulas sudoríparas e incrementan la secreción del sudor. La evaporación del sudor que humedece la superficie del cuerpo reduce la temperatura corporal. Otros impulsos nerviosos provocan la dilatación de los capilares sanguíneos de la piel, haciendo que esta se sonroje. El aumento de flujo sanguíneo en la piel lleva más calor hacia la superficie corporal para que desde ahí se disipe la radiación.

Cuando la temperatura del cuerpo desciende por debajo de su nivel normal, el sensor del cerebro inicia una serie de impulsos que constriñen los vasos sanguíneos de la piel, reduciendo así la pérdida de calor a través de la superficie. Si la temperatura corporal desciende aún más, el cerebro empieza a enviar impulsos nerviosos hasta los músculos, estimulando las rápidas contracciones musculares conocidas como escalofríos, un proceso que tiene como resultado la generación de calor. (10)

TRANSPORTE A TRAVES DE MEMBRANA: (11)

El hecho de que una membrana permita el paso de las moléculas de cierta sustancia depende de la estructura de aquella y el tamaño y carga eléctrica de las moléculas. Se dice que una membrana es permeable para alguna sustancia si permite que ésta la cruce e impermeable si no permite el paso de dicha sustancia. Una membrana selectivamente permeable permite el paso de algunas sustancias pero no el de otras. Todas las membranas biológicas que rodean las células, núcleos, vacuolas, mitocondrias, cloroplastos y otros organelos celulares son selectivamente permeables.

Al reaccionar a las condiciones ambientales cambiantes a las diversas necesidades de la célula, la membrana puede constituir una barrera al paso de un compuesto determinado en cierto momento, mientras promueve activamente su paso en otro momento. Mediante la regulación del tráfico químico de esa manera, la célula controla su propia composición interna de iones y moléculas que puede ser muy diferente a la del exterior. En el mundo abiótico, los materiales se mueven pasivamente por procesos físicos como la difusión. En los seres bióticos, los materiales también se mueven activamente por procesos fisiológicos como transporte activo, exocitosis y endocitosis. Esos procesos fisiológicos activos demandan un gasto de energía por parte de la célula.

Difusión:

Algunas sustancias se desplazan hacia adentro y afuera de las células, y se mueven dentro de éstas por medio de un proceso llamado difusión simple, el cual se basa en el desplazamiento al azar. A temperaturas mayores al cero absoluto, todos los átomos y moléculas poseen energía cinética, o energía de movimiento. Los tres estados de la materia (sólido, liquido y gaseoso) difieren con respecto a la libertad del movimiento de las moléculas que los constituyen. Las moléculas del estado sólido se encuentran muy cerca una de otra, y las fuerzas de atracción entre ellas les permiten vibrar, pero no desplazarse. Las moléculas de un líquido se encuentran más separadas entre sí, respecto a las de un sólido; las fuerzas intermoleculares son más débiles, y las moléculas se desplazan con relativa libertad; en el estado gaseoso, las moléculas están tan separadas que las fuerzas intermoleculares son mínimas y por tanto el desplazamiento de las moléculas sólo está limitado por las paredes del recipiente que las contiene. Esto significa que los átomos y moléculas de líquidos y gases se separan en una especie de "desplazamiento al azar". A este desplazamiento se atribuye el proceso de difusión, movimiento neto de partículas (átomos, iones, moléculas, etc.) de una región de alta concentración a una de concentración más baja, de manera que las partículas adquieren una distribución uniforme. Por tanto puede decirse que la difusión implica el movimiento neto de partículas a favor de un gradiente de concentración. Esto no significa que las partículas no puedan desplazarse en sentido contrario al gradiente de concentración. Sin embargo, si al inicio hay mayor cantidad de partículas en una región de concentración elevada, lógicamente más partículas se desplazarán desde la zona de alta concentración hacia la de baja concentración, que a la inversa. La proporción de difusión está en función del tamaño y forma de las moléculas, de sus cargas eléctricas y de la temperatura, las moléculas se mueven con mayor rapidez y aumenta la proporción de difusión.

Diálisis:

La difusión de un soluto a través de una membrana diferencialmente permeable se llama diálisis. Para demostrar la diálisis se utiliza una bolsa de celofán llena con una solución de azúcar, que luego se sumerge en un matraz que contiene agua pura. Si la membrana de celofán es permeable al azúcar y al agua, las moléculas de azúcar pasarán a través de ella hasta que la concentración de azúcar en el agua de los dos lados de la membrana sea exactamente igual. A partir de ese momento, las moléculas de soluto (así como también las moléculas de agua) seguirán pasando a través de la membrana, pero ya no habrá ningún cambio neto en las concentraciones ya que la velocidad de movimiento será igual en ambos sentidos. La diálisis renal es una aplicación práctica de este proceso; los productos de desecho, que se difunden a través de las membranas artificiales del aparato, pueden retirarse del organismo, pero los eritrocitos, proteínas sanguíneas y otras moléculas grandes, no se difunden a través de la membrana, y por tanto se retendrán en el organismo.

Osmosis:

La ósmosis es una variedad especial de difusión que implica el movimiento de moléculas solventes (p. ej., agua) a través de una membrana de permeabilidad selectiva. Las moléculas de agua pasan libremente en cualquier dirección, pero al igual que en todos los procesos de difusión, el movimiento neto ocurre a partir de la región de mayor concentración a la de menor. La mayor parte de los solutos no puede difundirse libremente a través de la membrana celular de permeabilidad selectiva.

Los principios que intervienen en el proceso de ósmosis se ilustran mediante la utilización de un aparato llamado tubo en U, éste se divide en dos secciones por una membrana de permeabilidad selectiva que permite que las moléculas de soluto (glucosa, sal y otras). En una parte del tubo se coloca una solución de agua y solutos; en la otra se coloca agua pura. La solución de agua y solutos contiene una concentración de agua menor a la del agua pura, porque las moléculas de soluto han diluido las moléculas de agua. Por tanto, hay un movimiento neto de moléculas de agua del lado del agua pura (con mayor concentración de moléculas de agua) hacia el lado del agua con soluto (que tiene menor concentración de moléculas de agua), como resultado de esto el nivel del líquido del lado del agua pura disminuye, mientras que se eleva el del lado del agua con soluto. Sin embargo aún existe una diferencia en la concentración de las moléculas de agua entre ambos lados, debido a que las moléculas de soluto no pueden moverse a través de la membrana. El movimiento neto de agua continuará, y el nivel del líquido del lado del agua con soluto seguirá aumentando. En condiciones no sujetas a la gravedad, este proceso continuará indefinidamente, pero en la tierra, el peso de la columna del líquido en aumento finalmente ejercerá una presión suficiente para detener el cambio en los niveles del líquido, aunque las moléculas de agua continuarán pasando a través de la membrana en ambas direcciones.

La presión osmótica de una solución se define como la tendencia que presenta el agua de moverse hacia dicha solución mediante ósmosis.

Soluciones isotónicas, hipertónicas e hipotónicas:

Con frecuencia deseamos comparar las presiones osmóticas de dos soluciones. En todo líquido de los compartimentos de las células vivas se encuentran disueltas sales, azúcares y otras sustancias que le confieren a dicho líquido una determinada presión osmótica. Cuando una célula se coloca en una solución, cuya presión osmótica es igual a la suya, no hay movimiento neto de partículas de agua, ni hacia fuera ni hacia dentro de ella; por tanto la célula no se hincha ni se encoge. Se dice que el líquido en el cual se colocó la célula es un líquido isotónico (es decir que tiene presión osmótica igual) con respecto al líquido interior de la célula.

Si el líquido circundante tiene una concentración de solutos mayor que la del líquido intracelular y, por tanto, una presión osmótica mayor que la de éste se dice que es una solución hipertónica; una célula colocada en una solución hipertónica pierde agua y por tanto, se encoge. Cuando una célula con pared celular se coloca se coloca en un medio hipertónico pierde agua, y entonces su contenido disminuye dentro de la pared celular; este proceso se llama plasmólisis.

Si el líquido circundante posee una concentración de solutos menor que la del líquido intacelular, y por tanto tiene una presión osmótica menor que la de éste, se denomina solución hipotónica; en estas circunstancias, el líquido se desplazará hacia el interior de la célula provocando que ésta se hinche.

Presión de turgencia:

Las paredes celulares rígidas de células vegetales, algas, bacterias y hongos hacen posible que esos organismos vivan sin reventar en un medio externo muy diluido, que contenga una concentración muy baja de solutos. Debido a las sustancias disueltas en el citoplasma, las células son hipertónicas respecto al medio externo. (El medio circundante es hipotónico respecto al citoplasma). El agua tiende a difundirse hacia el interior de las células por ósmosis, llenando sus vacuolas centrales y distendiéndolas. La célula se hincha acumulando presión, llamada presión de turgencia, contra las paredes celulares rígidas de celulosa. La pared celular puede estirarse muy poco, y se alcanza un estado de equilibrio cuando su resistencia impide que la célula se hinche más. Al llegar a este punto ya no hay movimiento neto de moléculas de agua hacia el interior de la célula (aunque desde luego, las moléculas continúan moviéndose hacia dentro y hacia fuera de la membrana). La presión de turgencia es un factor importante en el sostén del cuerpo de las plantas herbáceas. Por este motivo, una flor se marchita cuando la presión de turgencia de sus células disminuye (las células han sufrido plasmólisis) por falta de agua.

Transporte mediado de moléculas pequeñas:

La membrana celular es relativamente impermeable a casi todas las grandes moléculas polares. Esto constituye una ventaja biológica para la célula, ya que casi todos los compuestos metabolizados en su interior son polares y la impermeabilidad de la membrana impide su pérdida por difusión. Para transportar nutrientes polares, como glucosa y aminoácidos, a través de la membrana lipídica hacia el interior de la célula, han aparecido por evolución sistemas de proteínas transportadoras que se unen a esas moléculas y las transfieren a través de la membrana. El paso de solutos a través de la membrana celular por el sistema de transporte se llama transporte mediado. La energía que se necesita proviene de dos fuentes: difusión facilitada y transporte activo.

Difusión facilitada:

En los casos más simples, la célula utiliza la energía almacenada por el gradiente de concentración de una sustancia cuya concentración es mayor en el líquido extracelular que el intracelular. En estas circunstancias, mientras la membrana sea permeable a dicha sustancia, ésta se desplazará hacia el interior de la célula. Este tipo de transporte se llama difusión facilitada. La difusión facilitada depende de la existencia de proteínas transportadoras, las cuales se combinan temporalmente con la molécula de soluto para acelerar el paso de ésta a través de la membrana celular. La proteína transportadora no se modifica por ésta acción; después de transportar la molécula de soluto, queda libre para unirse a una nueva molécula.

Transporte activo mediado:

Algunas moléculas se transportan a través de la célula mediante el proceso de difusión; otras las requiere la célula en concentraciones mayores a su concentración extracelular. Estas moléculas se incorporan mediante mecanismos de transporte activo. Este mecanismo exige una fuente de energía debido a que el transporte activo implica el "bombeo" de una molécula en contra de su gradiente de concentración. Por tanto los sistemas de transporte activo utilizan energía generada por el metabolismo celular en forma de trifosfato de adenosina (ATP) o bien utilizan algún otro tipo de energía almacenada, derivada de la hidrólisis del ATP.

Uno de los ejemplos más sorprendentes de los mecanismos de transporte activo es la bomba de sodio y potasio que se observa en todas las células animales.

Sistema de cotransporte:

El gradiente electroquímico generado por la bomba de sodio y potasio también proporciona suficiente energía para propiciar el transporte activo de otras moléculas esenciales. En estas reacciones, el gradiente de concentración de sodio y potasio cotransporta las moléculas requeridas, junto con los iones de sodio y potasio. La energía del ATP se usa en forma indirecta al favorecer el transporte activo de una molécula requerida, cuando une el transporte de dicha molécula en contra de su gradiente de concentración, con el transporte de sodio o potasio, a favor de su gradiente de concentración.

Sistema de transporte múltiple integrado:

En algunas células se observa el funcionamiento de más de un sistema de transporte para una sustancia determinada. Por ejemplo, el transporte de la glucosa del intestino hacia el torrente circulatorio se lleva a cabo a través de una delgada capa de células epiteliales que recubren la luz del intestino y que poseen regiones especializadas, o dominios, en su membrana plasmática. La superficie de éstas células, expuesta en el intestino, posee una gran cantidad de microvellosidades que incrementan con eficacia la superficie de membrana disponible para absorción. El transporte de glucosa en esta zona de la superficie celular es parte de un sistema de transporte activo que se efectúa en cotransporte con el sodio. La concentración intracelular de sodio se mantiene en cifras bajas por función de una bomba de sodio y potasio en la superficie opuesta de la célula, que bombea el sodio hacia el torrente circulatorio. Gracias a su elevada concentración dentro de la célula, la glucosa puede ser transportada hacia el torrente circulatorio mediante difusión facilitada.

Transporte de grandes moléculas a través de las membranas:

En la difusión simple, en la difusión facilitada y en el transporte activo las moléculas individuales y los iones pasan a través de la membrana celular. Sin embargo en ocasiones también es necesario el desplazamiento de cantidades más grandes de material o de partículas de alimento o incluso de células completas, hacia afuera o adentro de una célula. Esto implica un gasto de energía por parte de la célula y en ocasiones conlleva también la fusión de membranas. En la exocitosis una célula expulsa productos de desecho o productos específicos de secreción (como hormonas), mediante la fusión de una vesícula con la membrana plasmática de la célula. La exocitosis consiste en la fusión de la membrana de la vesícula secretora con la membrana plasmática.

En la endocitosis, la célula incorpora materiales hacia su interior. En los sistemas biológicos operan varios mecanismos endocitóticos. Por ejemplo en la fagocitosis, la célula ingiere partículas sólidas como bacterias o nutrientes. Durante la ingestión los pliegues de la membrana celular engloban a la partícula, que se ha unido a la superficie celular, y forman una vacuola alrededor de ella. Una vez que la membrana ha encerrado a la partícula en cuestión, se4 fusiona en el punto de contacto, dejando que la vacuola flote libremente en el citoplasma. Posteriormente la vacuola se fusiona con los lisosomas, donde el material es ingerido y degradado.

En otro tipo de endocitosis llamada pinocitosis, la célula incorpora materiales disueltos. Algunos pliegues de la membrana plasmática engloban gotas de líquido, las cuales emergen en el citoplasma en forma de pequeñas vesículas.

Otro tipo de endocitosis llamado endocitosis mediada por receptor, algunas proteínas específicas de determinadas partículas se unen a proteínas receptoras, localizadas en la membrana plasmática de la célula. Luego, las moléculas ligadas al receptor emigran en placas recubiertas, que son regiones de la superficie citoplasmática de la membrana recubiertas con estructuras en forma de cepillo.

• FOTOSINTESIS Y RESPIRACION:

FOTOSINTESIS: (12)

La fotosíntesis es una de las funciones biológicas fundamentales. Por medio de la clorofila contenida en los cloroplastos, los vegetales verdes son capaces de absorber la energía que la luz solar emite como fotones y transformarla en energía química. Esta se acumula en las uniones químicas producidas por la síntesis de muchos principios nutritivos. Las mitocondrias son susceptibles de utilizar y transformar la energía contenida en las sustancias alimenticias mediante la fosforilación oxidativa. En la fotosíntesis ocurre, hasta cierto punto, un proceso inverso. En los procariotas fotosintéticos, bacterias y cianofíceas, no hay cloroplastos, pero la clorofila se encuentra en extensos sistemas membranosos internos.

Los cloroplastos y las mitocondrias tienen muchas semejanzas estructurales y funcionales, pero también poseen algunas diferencias.

La principal reacción de la fotosíntesis es:

que consiste en la combinación de CO2 y H2O para formar carbohidratos con liberación de O2.

Se ha calculado que cada molécula de CO2 de la atmósfera, se incorpora al vegetal cada 200 años, y que el oxígeno del aire es renovado por las plantas cada 2000 años. Sin plantas no existiría O2 en la atmósfera y la vida sería casi imposible.

Los carbohidratos formados al principio por la fotosíntesis son azúcares solubles que pueden acumularse como granos de almidón o de otros polisacáridos dentro del cloroplasto o, más frecuentemente, en el interior de los leucoplastos (amiloplastos). Después de varias etapas que involucran la participación de diferentes tipos de plástidos y de sistemas enzimáticos, el material fotosintético se almacena como un producto de reserva o bien se emplea como una parte estructural del vegetal (ej. celulosa).

Desde los primeros estudios, se sugirió que en la reacción (1) el H2O era el dador de hidrógeno, del mismo modo que el H2S es el dador en las sulfobacterias.

Por tanto, la reacción (1) en las plantas superiores puede expresarse:

La reacción (3) demuestra que el agua es el dador de H2 y que todo el O2 liberado proviene de ella.

Los estudios bioquímicos revelaron que la reacción (3) estaba compuesta por una serie de pasos complejos, de los cuales algunos se producen sólo en presencia de luz, mientras que los otros pueden llevarse a cabo también en la oscuridad. Por lo tanto, se las denomina reacciones en la luz y en la oscuridad. En la primera, la luz es absorbida y empleada por la clorofila; ésta es la reacción fotoquímica o de Hill. En la segunda, tiene lugar la fijación y reducción del CO2 por medio de mecanismos termoquímicos.

Reacción fotoquímica:

Al estudiar la reacción fotoquímica es necesario tener presente el proceso de la oxidación fosforilativa de las mitocondrias. En ésta el flujo de los electrones va desde NADH2 hacia O2, siendo el gradiente de potencial de oxidoreducción (-0,6 a +0,81V). En la fotosíntesis es a la inversa: los electrones fluyen desde el H2O al NADPH2, es decir de +0,81 a –0,6 V.

La reacción fotoquímica o primaria de la fotosíntesis tiene lugar en las membranas de los tilacoides. Cuando éstas son iluminadas se produce la transferencia de electrones desde el agua (E'o=0,81V) al aceptor final (E'o=-0,6V). Para que esa transferencia pueda cumplirse en contra del gradiente electroquímico es indispensable la energía provista por los fotones de luz. Este proceso tiene lugar en una cadena de transportadores de electrones acoplados a la fosforilación del ADP a ATP.

A diferencia de la fosforilación oxidativa de las mitocondrias, en la fotofosforilación no se emplea O2. Mediante la fotofosforilación, los vegetales verdes pueden producir una cantidad de ATP 30 veces mayor que la obtenida en sus propias mitocondrias. Por otra parte éstas plantas contienen muchos más cloroplastos que mitocondrias.

Ciclo fotosintético de la reducción del carbono o ciclo de Calvin:

Las moléculas de ATP y NADPH2, producidas en el tilacoide proveen, a las enzimas del estroma del cloroplasto, de la energía necesaria para fijar el CO2 y sintetizar los carbohidratos. Junto con la energía proporcionada por el ATP, el NADPH2 reducido, es capaz de reducir el CO2 atmosférico y combinarlo con el hidrógeno para formar los diferentes carbohidratos. Este proceso comprende diversos pasos que han sido dilucidados fundamentalmente mediante el uso de CO2 radiactivo. Las reacciones involucradas son tan rápidas que se completan en un segundo o menos después del agregado de C14O2. Tienen lugar en la oscuridad total, si las plantas fueron expuestas previamente a la luz.

En células expuestas al C14O2 durante 5 segundos, el compuesto predominante es el 3-fosfoglicerato. Dos moléculas de triosafosfato se unen para formar hexosa (fructosa) difosfato, de la que deriva luego la glucosa fosfato. A partir de ésta última se originan varios disacáridos y polisacáridos.

La enzima inicial del ciclo de Calvin es la ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa o carboxidismutasa, que tiene un alto peso molecular (500000 dalton), con ocho subunidades grandes producidas en el cloroplasto y ocho más pequeñas sintetizadas en el citosol. Esta enzima representa la mitad de las proteínas del estroma y desempeña el papel central del ciclo al combinar una pentosa-ribulosa 1,5 difosfato con un CO2 para producir dos moléculas de 3-fosfoglicerato, utilizando una de H2O.

Esta triosa se fosforila luego con ATP y se forma una molécula activada que puede aceptar H+ y electrones a partir de NADPH. Se trata del 3-fosfogliceraldehido, que luego se reduce para constituir hexosas y carbohidratos más complejos.

Calvin y Benson propusieron que en cada vuelta de éste ciclo (también llamado ciclo C3) se regenera una molécula de ribulosa 1,5 difosfato. Tal proceso de regeneración es muy complejo y comprende unas 12 reacciones enzimáticas. Para producir una hexosa a partir de la fijación de CO2 se necesitan 6 vueltas del ciclo.

La clásica ecuación para la síntesis de una hexosa es:

En ella se produce la acumulación de 686 kcal/mol de hexosa. Esta energía es provista por 12 NADPH y 18 ATP, que en total representan 877 kcal/mol. Por lo tanto, la eficiencia del proceso alcanza al 78%.

Ciclo C 4:

Además del ciclo de Calvin (que se halla en la mayoría de las plantas superiores) en cierto número de especies de angiospermas se encuentra el ciclo C4. Desde el punto de vista de la biología celular es de gran interés que ambos ciclos, el C4 y el C3, se hallan integrados en la misma planta.

En las células mesófilas se asimila el CO2 por la carboxilación del fosfoenolpiruvato (PEP), lo que da origen a los ácidos C4, como aspartato y malato. El CO2 que sale por descarboxilación entra en el ciclo de Calvin y da origen al 3-fosfoglicerato, mientras que los productos C3 pueden volver a la célula mesófila y entrar en el ciclo C4.

RESPIRACION CELULAR:

Al igual que las células animales, las vegetales efectúan las reacciones de la respiración celular, principalmente en sus mitocondrias, utilizando para ello sustratos como la glucosa y produciendo CO2. En estas reacciones hay producción de ATP, el cual sirve para impulsar los procesos metabólicos de las células. Además en determinadas condiciones, muchas plantas utilizan oxígeno y producen CO2 a través de un proceso diferente llamado fotorrespiración.

En días de sol intenso, cuando el clima es caliente y seco, las células vegetales cierran sus estomas (pequeños poros de la superficie foliar) para evitar la pérdida de agua a través de las hojas. Esta respuesta impide la deshidratación pero al mismo tiempo el paso de CO2 al interior de la hoja. Al llevar a cabo la fotosíntesis en estas condiciones, el CO2 es expulsado y la concentración de oxígeno aumenta. Cuando la concentración de oxígeno en la hoja es mayor que la concentración de CO2, el oxígeno se combina en vez del CO2, con el sitio activo de la ribulosa difosfato carboxilasa. Esta enzima es una oxigenasa y al mismo tiempo es una carboxilasa; el CO2 y el carbono y el oxígeno compiten entre sí por el sitio activo de esta enzima. Cuando actúa como carboxilasa, cataliza la combinación del CO2 con la ribulosa 1,5 difosfato y el oxígeno molecular, formando un compuesto de tres carbonos, el 3-fosfoglicerato, y uno de dos carbonos, el 2-fosfoglicolato. El fosfoglicolato se hidroliza, formando el glicolato y fosfato inorgánico. Luego el glicolato abandona el cloroplasto y más adelante se metaboliza en un glioxisoma. El glicolato se convierte en glioxilato, liberando peróxido de hidrógeno. Posteriormente el glioxilato se metaboliza en las mitocondrias, formando CO2.

La fotorrespiración consume hasta 50% del CO2 fijado en el ciclo de Calvin; por tanto parece ser un proceso de desgaste sin beneficio aparente para la planta. Si pudiera disminuirse la fotorrespiración, podría aumentarse el abastecimiento de alimento. Nótese que las plantas C4 fijan CO2 en condiciones que provocarían la fotorrespiración en las plantas C3.

2.2.7.1.- ÁCIDOS NUCLEICOS

2.2.7.1.1.- Estructura molecular.-

Deseamos proponer una estructura para la sal del ácido desoxirribonucleico (ADN). Esta estructura presenta características nuevas que son de considerable interés biológico.

Pauling y Corey ya han propuesto una estructura para el ácido nucleico. Con gentileza nos brindaron su manuscrito aun antes de publicarlo. Su modelo consta de tres cadenas entrelazadas, cuyos fosfatos se encuentran cerca del eje de fibra, mientras que, las bases dan al exterior. En nuestra opinión, esa estructura es insatisfactoria por dos razones: (1) Creemos que el material que produce los diagramas de rayos X es la sal, no el ácido libre. Sin los átomos de hidrógeno acídicos no esta claro que fuerzas podrían mantener unida la estructura, de manera especial dado que los fosfatos cargados negativamente que hay cerca del eje se repelerían unos a otros; (2) Algunas de las distancias de Van der Waals parecen demasiado pequeñas.

Fraser (en prensa) ha propuesto también otra estructura de tres cadenas. En su modelo, los fosfatos están por fuera y las bases en el interior , unidas por enlaces de hidrógeno. Es una estructura algo deficientemente definida, cual se describe, y por lo mismo no la comentaremos.

Deseamos proponer una estructura radicalmente diferente para la sal del ácido desoxirribonucleico. En una estructura de dos cadenas helicoidales enrollada en torno al mismo eje. Hemos hecho los supuestos químicos usuales, a saber, que cada cadena consta de grupos diésteres de fosfasto unidos a residuos de b-D-Desoxirribofuranosa con enlaces de 3', 5'. Ambas cadenas (que no las bases) se encuentran relacionadas por una diada perpendicular al eje de fibra. Las dos cadenas siguen un giro hacia la derecha, pero por la diada las secuencias de loa átomos de ambas cadenas corren en dirección contraria. Cada cadena se parece algo al modelo N° 1 de Furberg, o sea, las bases están en el interior de la hélice y los fosfatos por fuera . La configuración del azúcar y de los átomos cercanos a él se acerca a la "configuración estándar" de Furberg, con el azúcar más o menos perpendicular a la base que lleva adherida. En cada cadena hay un residuo cada 3-4 A en dirección -z. Hemos supuesto un ángulo de 36° entre residuos ayacentes en la misma cadena, de manera que la estructura se repite en cada cadena después de 10 residuos, o sea, después de 34 A. La distancia de un átomo de fósforo al eje de fibra es de 10 A. Como los fosfatos están en el exterior, los cationes les llegan fácilmente.

Es una estructura abierta y su contenido de agua es más bien alto. Si el de agua fuera inferior cabría esperar que las bases se inclinaran, de donde la estructura resultaría más compacta.

La estructura tiene de característica novel el modo como se mantienen las dos cadenas por las bases purínicas y pirimidínicas . Los planos de las bases son perpendiculares al eje de fibra. Van en pares, de forma que cada base de una cadena se enlaza por medio de hidrógeno con otra base de otra cadena, una al lado de otra con idénticas coordenadas -z. Para que pueda ocurrir el enlace, un elemento del par ha de ser de una purina y el otro de una pirimidina. Los enlaces de hidrógeno son como sigue: posición purínica 1 a posición pirimidínica 1; posición purínica 6 a posición pirimidínica 6.

Si se supone que las bases sólo ocurren en la estructura en las formas tautoméricas más plausibles (o sea, con las configuraciones keto y no con la enol) resulta que sólo se pueden enlazar pares específicos de bases . Dichos pares: adenina (purina) con timina (pirimidina), y guan (purina) citosina (pirimidina).

En otras palabras, si una adenina forma un miembro del par, en ambas cadenas, entonces de tal supuesto el otro miembro ha de ser timina, y lo mismo vale para la guanina y la citosina. La secuencia de bases de una cadena no parece tener restricción de ningún tipo. Sin embargo, si solo se pueden formar pares específicos de bases, se sigue que sabiendo la secuencia de bases de una cadena se puede determinar automáticamente la secuencia en la otra cadena.

Se ha visto experimentalmente que la proporción en la cantidad de adenina frente a la timina, y la proporción de guanina a citosina, son siempre muy próximas a la unidad en el ácido desoxirribonucleico.

Quizá sea imposible construir esta estructura con un azúcar de ribosa en vez de la desoxirribosa, puesto que el átomo de oxigeno extra acercaría demasiado la distancia de Van der Waals.

Los datos de rayos X antes publicados sobre el ácido desoxirribonucleico para comprobar con rigor nuestra estructura. Hasta donde podemos afirmar es compatible en general con los datos experimentales, pero se ha de considerar como no probada hasta compulsarla con resultados más exactos. En las siguientes comunicaciones se presentan algunos de éstos. No nos habíamos percatado de los detalles de los resultados allí presentados, al idear la estructura , que se basa principalmente en datos experimentales publicados ( aunque no del todo) y en argumentos estereoquímicos.

No se nos ha escapado que el apareamiento específico que hemos postulado sugiere de inmediato la existencia de un posible mecanismo de copiado de material genético.

Los detalles completos de la estructura , incluidas las condiciones supuestas para construirla, junto con un par de coordenadas de los átomos, se publicarán en otra parte.

Estamos muy en deuda con el Dr. Jerry Donohue, por su constante consejo y crítica, sobre todo respecto de las distancias interatómicas . Nos ha estimulado asimismo el haber tenido conocimiento, de una manera general , de los resultados inéditos de experimentos y de ideas del Dr. M.H.F. Wilkins, de la Dra. R. E. Flanklin y sus colaboradores en el King's College, Londres. Uno de nosotros (J. D.W.) dispone de la ayuda de una beca de la Fundación Nacional pro Parálisis Infantil.

2.2.7.2.-Síntesis de proteínas

La traducción del ARNm

2.2.7.2.1.-INTRODUCCION

El ARN mensajero es el que lleva la información para la síntesis de proteínas, es decir, determina el orden en que se unirán los aminoácidos

La síntesis de proteínas o traducción tiene lugar en los ribosomas del citoplasma celular. Los aminoácidos son transportados por el ARN de transferencia (ARNt) , específico para cada uno de ellos, y son llevados hasta el ARN mensajero (ARNm), dónde se aparean el codón de éste y el anticodón del ARN de transferencia, por complementariedad de bases, y de ésta forma se sitúan en la posición que les corresponde.

Una vez finalizada la síntesis de una proteína, el ARN mensajero queda libre y puede ser leído de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finalice una proteína ya está comenzando otra, con lo cual, una misma molécula de ARN mensajero, está siendo utilizada por varios ribosomas simultáneamente.

• Los ARNt desempeñan un papel central en la síntesis de las proteínas

La síntesis proteica tiene lugar en el ribosoma, que se arma en el citosol a partir de dos subunidades riborrucleoproteicas provenientes del nucléolo. En el ribosoma el ARN mensajero (ARNm) se traduce en una proteína, para lo cual se requiere también la intervención de los ARN de transferencia (ARNt). El trabajo de los ARNt consiste en tomar del citosol a los aminoácidos y conducirlos al ribosoma en el orden marcado por los nucleótidos del ARNm, que son los moldes del sistema

La síntesis de las proteínas comienza con la unión entre sí de dos aminoácidos y continúa por el agregado de nuevos aminoácidos -de a uno por vez- en uno extremos de la cadena.

Como se sabe la clave de la traducción reside en el código genético, compuesto por combinaciones de tres nucleótidos consecutivos -o tripletes- en el ARNm. Los distintos tripletes se relacionan específicamente con tipos de aminoácidos usados en la síntesis de las proteínas.

Cada triplete constituye un codón: existen en total 64 codones, 61 de los cuales sirven para cifrar aminoácidos y 3 para marcar el cese de la traducción. Tal cantidad deriva de una relación matemática simple: los cuatro nucleótidos (A, U, C y G)se combinan de a tres, por lo que pueden generarse 64 (43).

Dado que existen más codones, (61) que tipos de aminoácidos (20), casi todos pueden ser reconocidos por más de un codón, por lo que algunos tripletes a como "sinónimos". Solamente el triptófano y la metionina -dos de los aminoácidos menos frecuentes en las proteínas – son codificados, cada uno, por un solo codón.

Generalmente los codones que representan a un mismo aminoácido se parecen entre sí y es frecuente que difieran sólo en el tercer nucleótido. La baja especificidad de este nucleótido ha llevado a decir que existe una "degeneración" en tercera base de la mayoría de los codones. Resta agregar que el número de codones en el ARNm determina la longitud de la proteína.

• Existen 31 tipos diferentes de ARNt

Las moléculas intermediarias entre los codones del ARNm y los aminoácidos son los ARNt, los cuales tienen un dominio que se liga específicamente a uno de los 20 arninoácidos y otro que lo hace, específicamente también, con el codón apropiado. El segundo dominio consta de una combinación de tres nucleótidos -llamada anticodón – que es complementaria de la del codón.

Cada tipo de ARNt lleva antepuesto el nombre del aminoácido que transporta. por ejemplo, leucinil-ARNt para el aminoacil-ARNt de la leucina, lisinil-ARNt para el de la lisina, fenilalanil-ARNt para el de la fenilalanina, metionil-ARNt para el de la metionina, etcétera.

Por su lado. El ARNt unido al aminoácido compatible con él se designa aminoacil-ARNtAA, en el que "AA" correspnde a la sigla del aminoácido. Por ejemplo, leucinil-ARNtLeu, lisinil-ARNtlys, fenilalanil-ARNtPhe. metionil-ARNtMet, etcétera.

Si bien teóricamente pueden existir 61 tipos de ARNt diferentes, sólo hay 31. El déficit se resuelve por la capacidad que tienen algunos ARNt de reconocer a más de un codón. Lo logran porque sus anticodones suelen poseer la primera base "adaptable", es decir, que puede unirse con una base no complementaria situada en la tercera posición del codón (recuérdese la "degeneración" de esta base).

Así, la G en la primera posición del anticodón puede aparearse tanto con una C -es lo habitual – como con una U del codón . Similarmente, la U en la primera posición del anticodón puede hacerlo con una A -es lo habitual – o con una G. Por otra parte, la inosina (I) -una de las bases inusuales se encuentra en la primera posición del anticodón en varios ARNt y es capaz de aparearse con cualquier base (excepto con una G) localizada en la tercera posición del codón.

• El codón de iniciación es el triplete AUG

El primer codón que se traduce en los ARNm es siempre el triplete AUG. cuya información codifica al aminoácido metionina . Por lo tanto, este codón cumple dos funciones: señala el sitio de comienzo de la traducción -caso en el cual recibe el nombre de codón de iniciación -, y cuando se halla en otras localizaciones en el ARNm codifica a las metioninas del interior de las moléculas proteicas.

Al especificar el primer aminoácido de la proteína, el codón AUG de iniciación determina el encuadre de los sucesivos tripletes, lo que asegura la síntesis correcta de la molécula. Tómese como ejemplo la secuencia AUGGCCUGUAACGGU. Si el ARNm es traducido a partir del codón AUG, los codones

siguientes serán GCC, UGU, AAC y GGU, que codifican, respectivamente, a los aminoácidos alanina, cisteina ,asparagina y glicina. En cambio, si se omitiera la A del codón de iniciación, el encuadre de los tripletes sería el siguiente: UGG, CCU, GUA y ACG, los cuales se traducen en los aminoácidos triptófano, prolina, valina y treonina, respectivamente.

Algo semejante ocurriría si también se omitiera la U, pues resultaría un tercer tipo de encuadre: GGC, CUG, UAA y CGC. En este caso, después de codificar los dos primeros codones a los aminoácidos glicina y leucina, la traducción se detendría, ya que UAA es un codón de terminación.

• Los aminoácidos se ligan por medio de uniones peptídicas

La unión de los aminoácidos entre sí para construir una proteína se produce de modo que el grupo carboxilo de un aminoácido se combina con el grupo a amínoácido siguiente, con pérdida de una molécula de agua H2O y recordemos que esa combinación se llama unión peptídica.

Cualquiera que sea su longitud, la proteína mantiene el carácter anfotérico de los aminoácidos aislados, ya que contiene un grupo amino libre en uno de sus extremos y un grupo carboxilo en el otro extremo. La proteína se sintetiza a partir de extremo que lleva el grupo amino libre. Ello se corresponde con la dirección 5´ ? 3´ usada para la traducción del ARNm, la misma con que el ADN se transcribe.

Antes de describir los procesos que dan lugar a la síntesis de las proteínas analizaremos cómo arriban los ARNm al citoplasma, qué configuración poseen los ARNt y cuál es la estructura de los ribosomas.

• Los ARNm arribados al citoplasma se conectan con ríbosomas

Los transcriptos primarios de los ARNm se hallan combinados con diversas proteínas, con las que forman las nueleoproteínas heterogéneas nucleares o RNPhn.. No obstante, muchas de esas proteínas se desprenden de los ARNm a medida que éstos abandonan el núcleo.

Los ARNm salen hacia el citoplasma por los poros de la envoltura nuclear. Ya en el citosol, cada ARNm se combina con nuevas proteínas y con ribosomas, lo que lo habilita para ejercer su función codificadora durante la síntesis proteica. Entre las proteínas se encuentra la llamada CBP (por cap binding protein), que se combina con el cap en el extremo 5´ del ARNm.

Algunos ARNm se localizan en sitios prefijados en el citoplasma, de modo que las proteínas que codifican se sintetizan y se concentran en esos sitios. Un ejemplo es el ARNm de la actina, que se sitúa en la zona periférica de las células epiteliales donde se deposita la mayor parte de la actina .

El extremo 5' de los ARNm contiene una secuencia de alrededor de 10 nucleótidos previa al codón de iniciación -entre éste y el cap – que, como es lógico, no se traduce . En algunos ARNm esta secuencia participa en el control de 1a traducción y en otros regula la estabilidad del ARNm, es decir, su supervivencia.

Otra secuencia especial del ARNm, de hasta miles de nucleótidos, suele hallarse después del codón de terminación. entre éste y la poli A . Tiene por función controlar la supervivencia del ARNm.

• Las moléculas de los ARNt adquieren una forma característica

Hemos visto que los codones del ARNm no seleccionan a los aminoácidos directamente y que la traducción de los ARNM en proteínas depende de un conjunto de moléculas intermediarias -los ARNt- que actúan como adaptadores, ya que discriminan tanto a los codones del ARNm como a los aminoácidos compatibles con ellos.

Así la función básica de los ARNt es alinear a los aminoácidos siguiendo el orden de los codones para poder cumplir con sus funciones, los ARNt ,adquieren una forma característica semejante a un trébol de cuatro hojas . Los cuatro brazos se generan por la presencia en los ARNt de secuencias de 3 a 5 pares de nuelcótidos complementarios, los cuales se aparean entre sí como los nucleótidos de las dos cadenas del ADN.

En la punta de uno de los brazos confluyen los extremos 5' y 3´ del ARNt. El extremo 3´ es más largo, de modo que sobresale el trinucleótido CCA que fue incorporado durante el procesamiento. Este brazo se llama aceptador porque a él se liga el aminoácido, que se une a la A del CCA.

Los tres brazos restantes poseen en sus extremos secuencias de 7 a 8 nucleótidos no apareados, -con forma de asas -, cuyas denominaciones derivan de los nucleótidos que las caracterizan. Una de ellas contiene el triplete de nueleótidos del anticodón, por lo que su composición varía en cada tipo de ARNt. Otra, en virtud de que contiene dihidrouridinas (D), se denomina asa D. La tercera se conoce como asa T, por el trinucleótido T? C que la identifica. La letra T simboliza a la ribotimidina y la ? a la seudouri dina.

Entre el asa T y el anticodón existe un asa adicional, llamada variable porque su longitud difiere en los distintos ARN de transferencia.

Un plegamiento ulterior en el ARNt hace que deje de parecerse a un trébol de cuatro hojas y adquiera la forma de la letra L . El cambio se debe a que se establecen apareamientos inusuales entre algunos nueleótidos, como la combinación de un nucleótido con dos a la vez.

Formada la L, las asas D y T pasan a la zona de unión de sus dos ramas y el brazo aceptador y el triplete de bases del anticodón se sitúan en las puntas de la molécula.

 Una aminoacil-ARNt sintetasa une el aminoácido al ARNt

El aminoácido se liga a su correspondiente ARNt por la acción de una enzima llamada aminoacil-ARNt sintetasa, que cataliza la unión en dos pasos.

Durante el primero, el aminoácido se liga a un AMP , con el cual forma un aminoacil AMP. Por ejemplo leucinil –AMP , lisinil AMP, fenilalanil AMP, metionil-AMP, etc.. Dado que el AMP deriva de la hidrólisis de un ATP , se libera pirofosfato (PP) y energía , que también pasa al aminoacil- AMP

AA + ATP? AA-AMP + PP

En el segundo paso esa energía es utilizada por la aminoacil ARNt sintetasa para transferir el aminoácido del aminoacil –AMP a la A del brazo aceptador del ARNt compatible, con lo cual se forma una molécula esencial para la síntesis proteica: el aminoacil-ARNtAA que reconoce el codón complementario en el ARNm.

AA-A + ARNt ? ( AMINOACIL SINTETASA)? AA-ARNtAA + AMP

Debe señalarse que la energía del ATP usada en la primera reacción queda depositada en la unión química entre el aminoácido y la A del trinucleótido CCA.

• Existen 20 amínoacil – ARNt sintetasas diferentes

Existen 20 aminoacil-ARNt sintetasas diferentes, cada una diseñada para reconocer a un aminoácido y al ARNt compatible con él. Ambos reconocimientos permiten que cada uno de los 31 tipos de ARNt

se ligue sólo a uno de los 20 aminoácidos usados en la síntesis proteica. Ello es posible porque cada aminoacil ARNt sintetasa identifica al ARNt por el anticodón, la parte más específica del ARNt . No obstante, en los ARNt existen otras señales que son reconocidas por la enzima, generalmente tramos de nucleótidos cercanos al anticodón.

Como es obvio, la existencia de 11 clases de ARNt hace que algunos aminoácidos sean reconocidos por más de un ARNt.

Uno de los ARNt redundantes es el llamado ARNt iniciador o ARNt[i], pues transporta a la metionina destinada exclusivamente al codón AUG de iniciación . Es muy probable quecerca de ese codón existan señales que diferencien al metionil-ARNt[i]met –portador de la metionina dirigida a él- de los metionil ARNtmet comunes, portadores de las metioninas destinadas a los restantes codones AUG del ARNm.

• Los ribosomas están compuestos por dos subunidades

Los mecanismos para alinear a los aminoacil ARNtAA de acuerdo con el orden de los codones del ARNm son algo complicados. Requieren de los ribosomas cuya primera tarea es localizar al codón AUG de iniciación y acomodarlo correctamente para que el encuadre de ese triplete y el de los siguientes sea el adecuado.

Luego el ribosoma se desliza hacia el extremo 3´del ARNm y traduce a los sucesivos tripletes en aminoácidos. Estos son traídos – de a uno por vez – por los respectivos ARNt. Las reacciones que ligan a los aminoácidos entre sí – es decir , las uniones peptídicas – se producen dentro del ribosoma . Finalmente, cuando el ribosoma arriba al codón de terminación – en el extremo 3´del ARNm – cesa la síntesis proteica y se libera la proteína. Como podemos notar, los ribosomas constituyen las "fábricas de las proteínas"

Cada ribosoma está compuesto por dos subunidades – una mayor y otra menor – identificadas con las siglas 40S y 60S respectivamente (los números hacen referencia a los coeficientes de sedimentación de las subunidades, es decir a las velocidades con que sedimentan cuando son ultracentrifugadas, la 60S migra más rápido al fondo del tubo).

En la subunidad menor algunas proteínas forman dos áreas – una al lado de la otra – denominadas sitio P (por peptidil) y sitio A (por aminoacil).

Por otro lado en la subunidad mayor las proteínas ribosómicas formarían un túnel por el que saldría la cadena polipeptídica a medida que se sintetiza

Las etapas de la síntesis de proteínas

La síntesis de las proteínas se divide en tres etapas, llamadas de iniciación , de alargamiento y de terminación.

• El comienzo de la síntesis proteica requiere de varios factores de iniciación

  La etapa de iniciación es regulada por proteínas citosólicas denominadas factores de iníciación (IF), que provocan dos hechos separados pero concurrentes , uno en el extremo 5´del ARNm y otro en la subunidad menor del ribosoma

El primer proceso involucra al cap y a una secuencia de nucleótidos aledaña, localizada entre el cap y el codón de iniciación . Estas partes reconocidas por el factor IF-4, que se liga a ellas sí al ARNm se proteína CBP . La conexión del IF-4 con el ARNm insume energía que es provista por un ATP.

En el segundo proceso, el metioníl-ARNt[i]met se coloca en el sitio P de la subunidad menor del ribosoma, reacción que requiere el factor IF-2 y la energía de un GTP.

Logrados ambos acondicionamientos, otro factor de iniciación, el IF-3, con la ayuda del IF-4 coloca el extremo 5´ del ARNm sobre una de las caras de la unidad menor del ribosoma, la que posee los sitios P y A.

De inmediato la subunidad menor se desliza por el ARNm y detecta al codón de AUG de iniciación, que se coloca, en el sitio P . Como es lógico , el segundo codón del ARNm queda colocado al lado, es decir en el sitio A.

Entre tanto, el metioril-ARNt[i]met ,' ubicado en el sitio P de la subunidad menor, se une al codón AUG de iniciación mediante su anticodón CAU (UAC? ). El acoplamiento correcto entre estos dos tripletes es imprescindible para asegurar el encuadre normal de los siguientes codones del ARNm en los sitios P y A del ribosoma.

La etapa de iniciación concluye cuando la subunidad menor se combina con la subunidad mayor y se forma el ribosoma. En él se encuentran los primeros dos codones del ARNm: en el sitio P el codón AUG de iniciación -unido al metionilARNt[i]met- y en el sitio A el codón que le sigue.

La unión entre sí de las dos subunidades ribosómicas se produce luego del desprendimiento del IF-2 y del IF-3, lo cual es mediado por el factor IF-5.

• El alargamiento de la cadena proteica es promovido por factores de elongación

La etapa de alargamiento comienza cuando al sitio A del ribosoma se acerca otro aminoacil-ARNtAA, compatible con el segundo codón del ARNm, con el cual se une. La reacción es mediada por un factor de elongación llamado EF-1 y consume energía, que es aportada por un GTP.

Al quedar el aminoacil-ARNtAA cerca del metionil-ARN[t]met. la metionina localizada en el sitio P, al tiempo que se desacopla del. ARNt[i], se liga – mediante una unión peptidica – al aminoácido ubicado en el sitio A. Se forma así un dipeptidil-ARNt, que continúa ubicado en el sitio A. Su permanencia en este sitio es breve, en seguida veremos por qué.

La unión peptídica es catalizada por la subunidad mayor del ribosoma. Debe agregarse que la energía requerida para consumar esa unión proviene de la ruptura de otra unión química , aquella que liga al aminoácido con la adenina en el brazo aceptador del ARNt. Como en el caso del metionil – ARNt [i]met, la ruptura química tiene lugar siempre en el sitio P.

Entre tanto, fuera del ribosoma, esperando para ingresar, se encuentra el tercer codón del ARNm. Aborda el ribosoma cuando el ARNm se corre tres nucleótidos en dirección de su extremo 5´. Este proceso – llamado traslocación – es mediado por el el factor de elongación EF-2 y también consume energía ahora aportada por un GTP.

Como vemos, desde el punto de vista energético la síntesis proteica es bastante costosa, ya que por cada aminoácido que se incorpora se consumen dos GTP y un ATP, el último gastado durante 1a síntesis del aminoacil-ARNtAA

El corrimiento del ARNm hace que el codón de iniciación sea desalojado del sitio P sitio P -y, por consiguiente, del ribosoma- el segundo codón se mude del sitio A al sitio P y el tercer codón ingrese en el sitio A vacante. Lógicamente el corrimiento de los codones desplaza también a los ARNt , por lo que el ARNt[i] sale del ribosoma -no tarda en desprenderse del codón de iniciación – y el dipéptido pasa del sitio A al sitio P.

Mientras tanto, un tercer aminoacil-ARNtAA ingresa en le ribosoma , se acomoda en el sitio A y su anticodón se une al tercer codón de ARNm, otra vez por la intervención del EF-1. Debe señalarse que el EF-1 actúa después que el EF-2 se retira del ribosoma, y viceversa.

El paso siguiente comprende la formación de una unión peptídica entre el dipéptido y el aminoácido del tercer aminoacil –ARNt AA. Esta unión peptídica, ahora entre e dipéptido y el aminoácido del tercer aminoacil-ARNtAA. Esta unión peptídica genera un tripeptidil –AARNt, que permanece en el sitio P hasta la próxima translocación del ARNm.

Los procesos citados se repiten de forma sucesiva codón tras codón ; así , en el cuarto paso se forma un tetrapeptidil ARNt y luego peptidil – ARNt cada vez más largos , que se traslocan del sitio A al P conforme se producen las uniones peptídicas. Se calcula que se agregan a la cadena, en promedio, cinco aminoácidos por segundo.

Debido a que con cada traslocación se corren tres nucleótidos del ARNm , su extremo 5´se aleja progresivamente del ribosoma y su extremo 3´se acerca a él en igual medida. Cuando el ribosoma se ha alejado del extremo 5´del ARNm unos 90 nucleótidos, en el codón de iniciación se acomoda un nuevo ribosoma, lo cual da inicio a la síntesis de otra cadena proteica. Esto se repite varias veces .

• La síntesis proteica concluye cuando el ribosoma alcanza el codón de terminación

La etapa de terminación determina la conclusión de la síntesis de la proteína cuando el sitio A del ribosoma es abordado por el codón de terminación del ARNm (UUA, UGA o UAG, indistintamente). Ello deja al sitio A sin el esperado aminoacil-ARNtAA, aunque pronto es ocupado por un factor de terminación llamado eRF (eucaryotic releasing factor), que sabe reconocer a los tres codones de terminación.

En síntesis la terminación de la cadena polipeptídica está señalada por el ARNm mediante un codón que no especifica la incorporación de ningún aminoácido . Ese codón de terminación puede ser UUA, UGA o UAG, y sobre él no se une ningún ARNt. En cambio, es reconocido por dos proteínas llamadas factores de liberación (eRF). Cuando esto sucede, la proteína terminada se libera del último ARNt, que también se separa del ARNm. Por último también se disocian las subunidades ribosómicas. Todos estos elementos pueden ser reutilizados en una nueva síntesis.

 2.2.8.- DIVISIÓN CELULAR

2.2.8.1.- División celular en procariotas | Contenidos

Los procariotas tienen una organización mucho más simple que la de los eucariotas, los cuales entre otras cosas, tienen muchos más cromosomas.El cromosoma procariota es una sola molécula circular de ADN contenida en una región definida del citoplasma, denominada nucleoide, sin estar separado del mismo por una membrana. Este cromosoma es el elemento obligatorio del genoma, aunque es frecuente encontrar unidades de replicación autónomas llamadas plásmidos, que si se pierden, la bacteria sigue siendo viable.

El método usual de duplicación de las células procariotas se denomina fisión binaria. La duplicación de la célula va precedida por la replicación del cromosoma bacteriano. Primero se replica y luego pega cada copia a una parte diferente de la membrana celular. Cuando las células que se originan comienzan a separarse, también se separa el cromosoma original del replicado.

Luego de la separación (citocinesis), queda como resultado dos células de idéntica composición genética (excepto por la posibilidad de una mutación espontánea)

Una consecuencia de este método asexual de reproducción es que todos los organismos de una colonia son genéticamente iguales. Cuando se trata una enfermedad originada en una infección bacteriana, una droga que mata a una bacteria matará a todos los miembros de ese clon (colonia).

2.2.8.2.- División celular en eucariotas | Contenidos

En razón de su número de cromosomas, organelas y complejidad la división de la célula eucariota es más complicada, aunque ocurran los mismos procesos de replicación, segregación y citocinesis.

2.2.8.3.- Mitosis  | Contenidos

La mitosis es el proceso de formación de dos células  idénticas (generalmente) por replicación y división de los cromosomas de la original que da como resultado una "copia" de la misma.

Las células eucariotas poseen un mayor número de cromosomas que por otra parte son mucho más grandes que los de los procariotas.

Los estructura de los cromosomas replicados y condensados tiene varios aspectos de interés. El cinetocoro es el punto donde "anclan" los microtúbulos del huso. Los cromosomas replicados consisten en dos moléculas de ADN (junto con sus proteínas asociadas: las histonas) que se conocen con el nombre de cromátidas. El área donde ambas cromátidas se encuentran en contacto se conoce como centrómero, el cinetocoro se encuentra en la parte externa del centrómero. Se debe hacer hincapié en que los cromosomas son cromatina (ADN más histonas) y señalar la particularidad  que en los extremos del cromosoma (que toman el nombre de telómero) se encuentran secuencias repetidas de ADN.

Dependiendo de la posición del centrómero los cromosomas se clasifican en:

• A. telocéntricos, con el centrómero en un extremo

• B. acrocéntricos, uno de sus brazos es muy corto

• C. submetacéntricos, brazos de diferente longitiud

• D. metacéntricos, brazos de igual longitud

2.2.8.4.- Empaquetamiento del ADN | Contenidos

Las proteínas asociadas al ADN se conocen colectivamente con el nombre de histonas. Son polipéptidos relativamente cortos cargados positivamente (básicos) y por lo tanto son atraídos por las cargas negativas del ADN (ácido)  Las histonas son sintetizadas en cantidad durante la fase S ( S por síntesis) del ciclo celular. Una de las funciones de esas proteínas está relacionada con el empaquetamiento del ADN en la forma del cromosoma: los 2 metros de ADN de la célula humana son empaquetados en 46 cromosomas de un largo combinado de aproximadamente 200 nm. La célula tiene unas 90 millones de moléculas de histonas siendo la mayoría perteneciente a un tipo conocido como H1. Se conocen cinco tipos de las siguientes histonas (H1, H2A, H2B, H3, y H4 , 8 moléculas en total); con la excepción de la H1 la mayor parte de las histonas de los eucariotas son muy similares.

El nucleosoma es la unidad fundamental de "empaquetamiento" del ADN eucariótico. El "carretel" ("core") del mismo consiste en dos moléculas de H2A, H2B, H3, y H4; alrededor de las cuales el ADN se enrolla dos veces . La histona 1 esta fuera del "carretel". Este nivel de empaquetamiento ("packing") se conoce como "cuentas de un collar" . El siguiente nivel se conoce como la fibra de 30 nm, cuyos detalles de organización no se conocen completamente. Las fibras se condensa a posteriori en dominios en bucle de 300 nm . Los dominios son parte de las secciones condensadas ( 700 nm) de los cromosomas (el cromosoma tiene un ancho de unos 1.400 nm en la metafase) .