Flujo de la Información Genética: Dogma Central de la Biología Molecular

El dogma central de la biología molecular esquematiza el flujo que sigue la información genética: “La información genética del ADN pasa al ARNm en la transcripción; este ARNm sale del núcleo y lleva la información a los ribosomas, donde se produce la traducción o síntesis de proteínas; en la traducción también interviene el ARNt, que transporta los aminoácidos, y el ARNr que forma los ribosomas”.

Tras el descubrimiento de la transcriptasa inversa se redefinió el dogma central de la biología molecular.

Replicación del ADN

Es un proceso mediante el cual se sintetiza una nueva molécula de ADN a partir de otra ya preexistente que sirve como modelo.

La replicación del ADN tiene lugar en la fase S de la interfase y la división de la célula se produce en un breve espacio de tiempo.

El mecanismo general de la replicación, replicación semiconservativa, propone que la doble hélice del ADN se abre y las dos cadenas de nucleótidos se separan; a partir de cada cadena se forma una nueva, que es complementaria de la que ha servido como molde.

La replicación consta de 3 fases: iniciación, elongación y terminación.

Fase de Iniciación

Comienza en un lugar del cromosoma bacteriano llamado oriC, donde se abre la molécula de ADN, se desenrolla y se forma una estructura llamada burbuja de replicación. La burbuja de replicación se forma gracias a la acción de una enzima llamada helicasa que rompe los puentes de hidrógeno que unen ambas cadenas de ADN. Para que la burbuja de replicación no se cierre, actúan enzimas como la topoisomerasa, la girasa y las proteínas SSB. La burbuja de replicación se va extendiendo en ambos sentidos, por eso se dice que la replicación es bidireccional.

Fase de Elongación

(Contenido original no proporcionado para esta sección específica, pero se menciona como una de las fases).

Fase de Terminación

La replicación, que comenzó en el oriC y avanzó de forma bidireccional durante la fase de elongación, termina en un punto específico del cromosoma (por ejemplo, la región Ter en bacterias).

Transcripción: Síntesis del ARN

La síntesis del ARN o transcripción necesita los siguientes elementos:

• Una cadena de ADN que actúe como molde. Solo la de sentido 3’ → 5’ se transcribe (cadena molde), mientras que la otra no lo hace (cadena codificante).
• El proceso está catalizado por las enzimas ARN polimerasas. Existe solo una en los procariotas, que se encarga de la síntesis de todos los tipos de ARN, y tres en los eucariotas: las ARN polimerasas I, II y III.
• Ribonucleótidos trifosfato: ATP, GTP, CTP y UTP (con bases A, G, C y U).

La transcripción consta de 3 etapas: iniciación, elongación y terminación. Una vez formado el ARN, en eucariotas, se produce su maduración.

Etapa de Iniciación

Comienza cuando la ARN polimerasa reconoce una señal en el ADN que se va a transcribir. Esta señal, denominada promotor, es una secuencia de bases nitrogenadas a la que se une la ARN polimerasa.

En las células eucariotas es necesaria la presencia de unas proteínas llamadas factores de transcripción que se fijan al promotor para que comience la transcripción.

La ARN polimerasa hace que la doble hélice de ADN se abra y se forme una burbuja de transcripción.

Etapa de Elongación

Se produce la adición de sucesivos ribonucleótidos para formar el ARN. La ARN polimerasa avanza a lo largo de la cadena molde de ADN “leyéndola” en sentido 3’→ 5’, mientras que el sentido de la síntesis del ARN es 5’→3’.

Etapa de Terminación

La ARN polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación que indican el final de la transcripción: se cierra la burbuja de transcripción y la ARN polimerasa se separa del ARN transcrito.

Maduración del ARN (en Eucariotas)

En el ARNm transcrito primario (pre-ARNm) hay unas secuencias llamadas exones, que tienen información para la síntesis de proteínas, y otras llamadas intrones, que no tienen información para la síntesis de proteínas y deben ser eliminadas (proceso de splicing).

Durante la maduración:

• En el extremo 5’ del ARNm se añade la caperuza (cap), formada por metilguanosina trifosfato.
• En el extremo 3’ del ARNm se añade una estructura llamada cola poli-A, formada por unos 200 nucleótidos de adenina.

Proceso de Traducción: Síntesis de Proteínas

Consiste en la síntesis de las proteínas mediante la unión de aminoácidos, siguiendo el orden establecido por la secuencia de nucleótidos del ARNm.

Tiene lugar en los ribosomas y requiere:

• Aminoácidos
• ARNm (mensajero)
• ARNt (transferencia)
• Enzimas
• Energía (aportada por nucleótidos trifosfato como el GTP)

Los ribosomas son orgánulos citoplasmáticos constituidos por dos subunidades, una pequeña y otra grande, formadas por ARNr (ribosómico) específico y proteínas. El ARNm se une a la subunidad pequeña y los aminoácidos (transportados por ARNt) se unen en la subunidad grande para formar la cadena polipeptídica. Ambas subunidades se juntan cuando se van a sintetizar las proteínas.

En el ribosoma se distinguen tres lugares:

• El sitio P (peptidil)
• El sitio A (aminoacil)
• El sitio E (exit o salida)

La síntesis de proteínas transcurre de forma similar en procariotas y eucariotas, distinguiendo: una fase previa de activación de los aminoácidos y la traducción propiamente dicha, que transcurre en tres pasos: iniciación, elongación de la cadena proteica y terminación.

Fase Previa o de Activación de los Aminoácidos

Los aminoácidos necesarios para la síntesis de las proteínas se encuentran en el citoplasma celular y son transportados hasta los ribosomas por el ARNt.

La activación consiste en la unión de un aminoácido con el ARNt que le corresponde, catalizada por la enzima aminoacil-ARNt sintetasa. El aminoácido se une al extremo 3’ del ARNt y se forma un aminoacil-ARNt (el aminoácido unido al ARNt que lo transporta).

Síntesis de las Proteínas: Fase de Iniciación

La iniciación presenta diferencias entre procariotas y eucariotas. En las procariotas, el ARNm no está sometido a maduración; en las eucariotas sí.

La síntesis comienza cuando la subunidad pequeña del ribosoma y el ARNm se unen en un punto cercano al codón de iniciación AUG, que marca el comienzo de la proteína.

En el sitio P del ribosoma, entra un primer aminoacil-ARNt, cuyo anticodón (UAC) es complementario al codón iniciador (AUG).

El primer aminoácido que tienen las proteínas en las células eucariotas es la metionina (Met). El primer aminoácido de las proteínas en las células procariotas es la N-formil-metionina (fMet).

Finalmente, la subunidad grande del ribosoma se une al complejo, quedando completo el complejo de iniciación.

Síntesis de las Proteínas: Fase de Elongación

Es el alargamiento de la cadena proteica. La secuencia de nucleótidos del ARNm se lee en sentido 5’→ 3’, codón a codón.

Un nuevo aminoacil-ARNt entra en el sitio A, cuyo anticodón es complementario al codón del ARNm en ese sitio.

Se forma un enlace peptídico entre el aminoácido del sitio P y el aminoácido del sitio A, gracias a la actividad peptidiltransferasa (asociada al ARNr de la subunidad grande).

El ribosoma se desplaza un codón (translocación), el ARNt sin aminoácido pasa al sitio E y sale, el ARNt con el péptido creciente pasa del sitio A al sitio P, y el sitio A queda libre para el siguiente aminoacil-ARNt.

Los aminoácidos que forman la proteína se van uniendo desde el extremo amino terminal hasta el extremo carboxilo terminal.

Síntesis de las Proteínas: Fase de Terminación

La síntesis de la cadena polipeptídica se detiene cuando aparece uno de los tres codones de terminación (o codones stop) en el sitio A del ARNm: UAA, UGA o UAG.

Factores de liberación reconocen estos codones, provocando la hidrólisis del enlace entre el péptido y el ARNt del sitio P. La proteína se libera, y las subunidades ribosómicas, el ARNm y el ARNt se separan.

A medida que se van sintetizando, las proteínas adquieren la estructura secundaria y terciaria que les corresponde mediante interacciones entre los aminoácidos, como puentes de hidrógeno y enlaces disulfuro.

Código Genético

Es la correspondencia entre los codones del ARNm y el aminoácido que codifican. Un codón es un conjunto de tres nucleótidos (bases nitrogenadas).

Los 64 codones posibles identifican a los 20 aminoácidos proteicos y a las señales de iniciación (AUG) y de terminación (UAA, UAG y UGA) de la síntesis proteica.

Características del Código Genético

1. Universalidad (casi total): El código es compartido por casi todos los organismos conocidos, incluyendo los virus. Así, el codón UUG codifica para el aminoácido leucina, tanto en procariotas como en eucariotas (con algunas excepciones menores en mitocondrias y algunos protozoos).
2. Es degenerado: Significa que la mayor parte de los aminoácidos, a excepción de la metionina (Met) y el triptófano (Trp), están codificados por más de un codón. Los distintos codones que codifican un mismo aminoácido se denominan codones sinónimos. Esto supone una ventaja, ya que si se producen cambios en algún nucleótido (mutaciones silenciosas), no tiene por qué alterarse el orden de los aminoácidos que forman una proteína.
3. No es ambiguo: Cada codón codifica solo para un aminoácido específico (o una señal de terminación).
4. Carece de solapamiento y es continuo: Los tripletes de bases se leen de manera lineal y continua, uno tras otro, sin que entre ellos existan comas ni espacios y sin que compartan ninguna base nitrogenada. La lectura se inicia en un punto fijo (codón de inicio) y sigue el marco de lectura establecido.

Fenómeno de la Mutación: Cambios Hereditarios

El término mutación se emplea para designar los cambios que se producen en la secuencia o en el número de nucleótidos en el ADN de una célula, o en el ADN o ARN de un virus.

Esta alteración puede manifestarse durante la traducción en un cambio en la secuencia de aminoácidos de una proteína y puede afectar a la supervivencia del organismo portador de la mutación.

Tipos de Mutaciones

1. Según el Grado de Afectación

• Perjudiciales: Causan daños en el organismo, pudiendo llegar a ser letales y provocar la muerte del portador.
• Beneficiosas: Aumentan la probabilidad de supervivencia del organismo o le confieren alguna ventaja adaptativa. Son la base de la evolución.
• Neutras: No producen beneficios ni perjuicios aparentes para el organismo.

2. Según las Células Afectadas

• Somáticas: Ocurren en las células somáticas (no reproductivas). Afectan al individuo (pudiendo causar enfermedades como el cáncer), pero no son heredables, por lo que no juegan un papel directo importante en la evolución de la especie.
• Germinales: Ocurren en las células de la línea germinal (gónadas) y afectan a los gametos o las células madre que los originan. Estas mutaciones pueden transmitirse a la descendencia. El nuevo organismo llevará la mutación en todas sus células, tanto en las somáticas como en las germinales. Son fundamentales para la evolución.

3. Según la Extensión del Material Genético Afectado

• Génicas o puntuales: Son las mutaciones en el sentido más estricto. Provocan cambios en la secuencia de nucleótidos de un gen concreto.
• Cromosómicas estructurales: Afectan a la estructura interna de los cromosomas (deleciones, duplicaciones, inversiones, translocaciones), alterando la disposición de los genes.
• Cromosómicas numéricas o genómicas: Alteran el número de cromosomas característico de la especie (aneuploidías, euploidías).

4. Según el Origen

• Espontáneas: Se producen por causas naturales, como errores cometidos durante la replicación del ADN o daños químicos espontáneos en las bases.
• Inducidas: Originadas por la exposición a factores externos físicos o químicos que reciben el nombre de agentes mutagénicos.

Mutaciones Génicas o Puntuales

Alteran la secuencia de nucleótidos de un solo gen. Se llaman puntuales porque a menudo afectan a un único par de bases de un gen.

Hay dos tipos principales:

Mutaciones por Sustitución de Bases

Cambio de una base del ADN por otra. Pueden ser de dos clases:

• Transiciones: Se sustituye una base púrica (A, G) por otra púrica, o una pirimidínica (C, T) por otra pirimidínica. Son las más comunes.
• Transversiones: Se sustituye una base púrica por otra pirimidínica o viceversa.

Estas mutaciones afectan a uno solo de los nucleótidos y, por lo tanto, solo un triplete de bases (codón) se ve alterado. El efecto puede ser:

• Mutación silenciosa: El nuevo codón codifica el mismo aminoácido (debido a la degeneración del código).
• Mutación de sentido erróneo (missense): El nuevo codón codifica un aminoácido diferente.
• Mutación sin sentido (nonsense): El nuevo codón es un codón de terminación, llevando a una proteína truncada.

Mutaciones por Pérdida o Inserción de Nucleótidos

Se llaman deleciones (pérdida) o inserciones/adiciones (adición) y consisten en la eliminación o adición de uno o más nucleótidos en la molécula de ADN.

Si el número de nucleótidos insertados o eliminados no es múltiplo de tres, estas mutaciones provocan un corrimiento de la pauta de lectura (frameshift). A partir del punto donde ocurre la deleción o la inserción, varían todos los tripletes de bases. Cuando el gen afectado se traduce, se produce una proteína completamente diferente y, a menudo, no funcional.

Mutaciones Cromosómicas

(El texto original mezcla mutaciones cromosómicas estructurales y numéricas. Se reorganiza para mayor claridad).

Mutaciones Cromosómicas Estructurales

Afectan a la disposición de los genes dentro de uno o más cromosomas. Incluyen:

• Deleción: Pérdida de un fragmento de cromosoma.
• Duplicación: Repetición de un fragmento de cromosoma.
• Inversión: Un fragmento de cromosoma cambia de sentido dentro del propio cromosoma.
• Translocación: Intercambio de fragmentos entre cromosomas no homólogos.

Mutaciones Cromosómicas Numéricas (Genómicas)

Son variaciones en el número de cromosomas. Estas mutaciones son frecuentes en vegetales. En los animales, la ganancia o la pérdida de un cromosoma o de parte de él suele tener consecuencias graves (a menudo letales) o conduce a un fenotipo anormal.

Se clasifican en dos grupos: euploidías y aneuploidías.

Euploidías

Alteraciones en el número normal de dotaciones cromosómicas completas (juegos de cromosomas) de una especie.

• Monoploidía o haploidía (n): Existe un solo juego de cromosomas (un solo cromosoma de cada par de homólogos). La monoploidía es un estado normal en algunos organismos como los hongos y en los machos de especies con determinación sexual por haplodiploidía (ej. abejas).
• Poliploidía: Son poliploides los organismos que contienen más de dos juegos completos de cromosomas. Pueden ser triploides (3n), tetraploides (4n), etc. Se distingue entre:
  • Autopoliploidía: Todos los juegos cromosómicos proceden de la misma especie.
  • Alopoliploidía: Los juegos cromosómicos proceden de la hibridación de dos especies distintas.
  En los vegetales, los poliploides suelen tener mayor tamaño celular y de órganos, lo que es interesante desde el punto de vista agrícola y alimentario. En animales es rara y generalmente inviable.

Aneuploidías

Se caracterizan porque los individuos afectados presentan algún cromosoma de más o de menos con respecto a su dotación normal (diploide, 2n), pero sin afectar a juegos completos.

• Monosomías (2n-1): Los individuos carecen de uno de los cromosomas de una pareja de homólogos. Ejemplo: Síndrome de Turner (45, X0).
• Trisomías (2n+1): Los portadores poseen un cromosoma extra en una de las parejas de homólogos. Las trisomías afectan tanto a los autosomas como a los cromosomas sexuales. En ambos casos provocan desequilibrios genéticos. La trisomía autosómica más conocida en humanos es la que causa el Síndrome de Down (Trisomía 21). Estas personas tienen 47 cromosomas en el ADN de sus células (en lugar de 46), debido a la presencia de tres cromosomas 21 en vez de dos. Otros ejemplos: Síndrome de Klinefelter (47, XXY), Síndrome de Patau (Trisomía 13), Síndrome de Edwards (Trisomía 18).

Agentes Mutagénicos y Reparación del ADN

Agentes Mutagénicos

Agentes mutagénicos o mutágenos son aquellos agentes físicos o químicos que aumentan la tasa de mutación espontánea de una especie por encima de su nivel basal. Todos actúan dañando o alterando la estructura o la replicación del ADN.

Agentes Mutágenos Físicos

1. Radiaciones ionizantes: Son radiaciones electromagnéticas o corpusculares con alto poder energético, como los rayos X, los rayos gamma (γ) y las partículas radiactivas (partículas alfa α y beta β). Pueden causar roturas de los cromosomas (mutaciones cromosómicas) o modificar químicamente las bases nitrogenadas (mutaciones génicas).
2. Radiaciones no ionizantes: En este grupo destacan los rayos ultravioleta (UV). Tienen menor energía que las ionizantes pero pueden ser absorbidos por las bases nitrogenadas (especialmente las pirimidinas), provocando la formación de dímeros (ej. dímeros de timina) que distorsionan la hélice de ADN y dificultan la replicación y transcripción.

Agentes Mutágenos Químicos

Provocan principalmente mutaciones génicas mediante diversos mecanismos (modificación química de bases, intercalación en el ADN, análogos de bases).

Ejemplos:

• Sustancias intercalantes (ej. bromuro de etidio, benzopireno presente en el humo del tabaco).
• Agentes alquilantes (ej. gas mostaza).
• Ácido nitroso (HNO₂).
• Análogos de bases (ej. 5-bromouracilo).

Reparación del ADN

(Esta sección no estaba en el texto original, pero es crucial mencionarla junto a los mutágenos). Las células poseen complejos sistemas enzimáticos para detectar y reparar los daños en el ADN, minimizando la tasa de mutación. Fallos en estos sistemas de reparación pueden aumentar la incidencia de mutaciones y enfermedades como el cáncer.

Biodiversidad desde el Punto de Vista Evolutivo

Desde el punto de vista evolutivo, la biodiversidad puede considerarse como el resultado final de los procesos evolutivos que han actuado sobre la vida a lo largo de millones de años.

Los principales procesos evolutivos responsables de la biodiversidad están relacionados con los tres niveles de diversidad:

• Variabilidad genética: Si todos los individuos de una población o especie fuesen genéticamente iguales y tuviesen una descendencia idéntica a ellos, no habría cambio evolutivo y la diversidad sería nula. La evolución solo es posible si existe variabilidad genética dentro de las poblaciones. Por tanto, la biodiversidad como resultado de la evolución depende de esta variabilidad en primera instancia. El origen primario de la variabilidad genética se halla en la mutación, y se incrementa y redistribuye mediante la recombinación genética (durante la meiosis) y el flujo génico.
• Diversidad de especies: La especiación, proceso por el cual surgen nuevas especies a partir de poblaciones ancestrales, es fundamental para aumentar la biodiversidad a este nivel.
• Diversidad de ecosistemas: La adaptación de las especies a diferentes ambientes y las interacciones entre ellas generan una gran variedad de ecosistemas.

¿Qué es el Metabolismo?

Es el conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren dentro de un ser vivo, mediante las cuales se obtiene y utiliza la energía y la materia necesarias para mantener la vida.

Dentro del metabolismo se distinguen dos procesos interconectados:

• Catabolismo: Consiste en la degradación oxidativa de moléculas orgánicas complejas (como glúcidos, lípidos, proteínas) en moléculas más simples (como CO₂, H₂O, ácido pirúvico, amoniaco). Estas reacciones son generalmente exergónicas, es decir, liberan energía, parte de la cual se conserva en forma de ATP y poder reductor (NADH, FADH₂).
• Anabolismo: Es la construcción o síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas precursoras más simples. Estas reacciones son generalmente endergónicas, es decir, requieren un gasto de energía (aportada por el ATP) y poder reductor (aportado por NADPH, principalmente).

Para que se produzcan las reacciones catabólicas y anabólicas de forma eficiente y regulada, es necesaria la participación de un tipo especial de proteínas: las enzimas.

Enzimas

Estructura y Funcionamiento de las Enzimas

Las enzimas son proteínas (o, en algunos casos, moléculas de ARN con actividad catalítica llamadas ribozimas) que actúan como catalizadores biológicos. Aceleran la velocidad de las reacciones bioquímicas sin consumirse en el proceso. Lo hacen uniéndose de forma específica a la molécula que se va a transformar, llamada sustrato (S), en una región concreta denominada centro activo.

Funcionamiento de las Enzimas como Catalizadores

La reacción general se puede esquematizar como:

E + S ⇌ ES → E + P

Donde E es la enzima, S el sustrato, ES el complejo enzima-sustrato (intermedio) y P el producto.

Las enzimas:

1. Disminuyen la energía de activación (Ea): La energía de activación es la energía mínima necesaria para que los reactantes (sustratos) alcancen el estado de transición y la reacción pueda ocurrir. Las enzimas proporcionan una ruta alternativa con menor Ea, acelerando así las reacciones bioquímicas.
2. Aumentan la velocidad de la reacción: Al disminuir la Ea, un mayor número de moléculas de sustrato pueden reaccionar por unidad de tiempo.
3. No alteran el equilibrio de la reacción: Solo aceleran la velocidad a la que se alcanza el equilibrio.
4. Son altamente específicas: Cada enzima suele catalizar un solo tipo de reacción o actuar sobre un sustrato o grupo de sustratos muy específico.
5. Al finalizar la reacción, quedan libres e intactas: Pueden volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato y catalizar la reacción repetidamente.

La energía que se gasta en convertir un sustrato en producto es menor si se utiliza una enzima que si no se utiliza catalizador o se usa otro catalizador menos eficiente.

Influencia del pH y de la Temperatura en la Actividad Enzimática

Una característica propia de las enzimas es que son activas solo dentro de un determinado rango de pH y de temperatura, existiendo un valor óptimo de funcionamiento para cada enzima.

• Temperatura: Las variaciones de temperatura producen cambios en la estructura tridimensional (terciaria o cuaternaria) de las enzimas. A bajas temperaturas, la actividad disminuye porque hay menos energía cinética. A medida que la temperatura aumenta, la actividad enzimática generalmente se incrementa hasta alcanzar una temperatura óptima. Por encima de esta temperatura, la agitación térmica es tan alta que provoca la desnaturalización de la enzima (pérdida de su estructura tridimensional y, por tanto, de su función), alterando irreversiblemente su centro activo y anulando su actividad biológica.
• pH: Las variaciones del pH del medio provocan cambios en el estado de ionización de los grupos ácidos y básicos de los aminoácidos de la enzima, especialmente los del centro activo y los que mantienen su estructura tridimensional. Esto modifica su conformación y su capacidad para unirse al sustrato. Para cada enzima existe, dentro de un pequeño intervalo de tolerancia, un pH óptimo en el cual su actividad es máxima. Valores de pH extremos (muy ácidos o muy básicos) pueden causar la desnaturalización irreversible de la enzima.

Ejemplos:

• Pepsina: Enzima digestiva que se encuentra en el estómago humano, donde el pH es muy ácido (aproximadamente 1.5-2.5). Rompe enlaces peptídicos entre aminoácidos en las proteínas. Su pH óptimo es ácido.
• Tripsina: Enzima digestiva que actúa en el intestino delgado, donde el pH es básico o alcalino (aproximadamente 8). También rompe proteínas en péptidos. Su pH óptimo es básico.

Cofactores Enzimáticos

Algunas enzimas requieren para su actividad la presencia de componentes no proteicos adicionales. Estas enzimas completas y activas reciben el nombre de holoenzimas y están formadas por dos componentes:

• Apoenzima: Es la parte exclusivamente proteica de la holoenzima. Es catalíticamente inactiva por sí sola.
• Cofactor: Es la parte no proteica, esencial para la actividad catalítica.

Los cofactores tienen diversa naturaleza y pueden ser de dos tipos:

• Iones metálicos (activadores): Cationes metálicos como Zn²⁺, Fe²⁺/Fe³⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, K⁺, etc. Se unen a la apoenzima y participan en la catálisis.
• Moléculas orgánicas complejas (coenzimas): Dentro de estos cofactores orgánicos se diferencian:
  • Grupos prostéticos: Están unidos de forma fuerte y permanente (covalentemente) a la apoenzima. Ejemplo: el grupo hemo en las peroxidasas.
  • Coenzimas: Se unen a la apoenzima de forma más débil y transitoria, actuando a menudo como transportadores de grupos químicos o electrones entre diferentes reacciones. Muchas vitaminas son precursoras de coenzimas. Ejemplos importantes: NAD⁺ (Nicotinamida Adenina Dinucleótido), FAD (Flavín Adenina Dinucleótido), NADP⁺ (Nicotinamida Adenina Dinucleótido Fosfato), Coenzima A (CoA).

Clasificación de las Enzimas

Las enzimas se clasifican en seis clases principales según el tipo de reacción que catalizan:

1. Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de óxido-reducción (transferencia de electrones o átomos de hidrógeno). Ejemplo: deshidrogenasas, oxidasas.
2. Transferasas: Catalizan la transferencia de grupos funcionales (ej. grupo metilo, amino, fosfato) de una molécula donadora a otra aceptora. Ejemplo: quinasas, transaminasas.
3. Hidrolasas: Catalizan la ruptura de enlaces mediante la adición de una molécula de agua (hidrólisis). Ejemplo: peptidasas, lipasas, glucosidasas, nucleasas.
4. Liasas: Catalizan la ruptura de enlaces (C-C, C-S, C-N, C-O) por mecanismos distintos a la hidrólisis o la oxidación, a menudo formando dobles enlaces o añadiendo grupos a dobles enlaces. Ejemplo: descarboxilasas, aldolasas.
5. Isomerasas: Catalizan la reorganización de átomos dentro de una molécula, transformándola en uno de sus isómeros (geométricos o estructurales). Ejemplo: epimerasas, mutasas.
6. Ligasas (o Sintetasas): Catalizan la formación de nuevos enlaces (ej. C-C, C-S, C-O, C-N) entre dos moléculas, acoplando esta reacción a la hidrólisis de un nucleótido trifosfato (generalmente ATP) que proporciona la energía necesaria. Ejemplo: ADN ligasa, sintetasas.

La Reacción Enzimática

Especificidad

La alta especificidad de las enzimas (capacidad de distinguir entre sustratos muy similares) se debe a la conformación tridimensional precisa del centro activo, que es complementaria en forma, tamaño y propiedades químicas (carga, hidrofobicidad) a la molécula del sustrato. Existen dos modelos principales para explicar esta interacción: el modelo de la llave-cerradura (ajuste rígido) y el modelo del ajuste inducido (la unión del sustrato induce un cambio conformacional en la enzima para un ajuste óptimo).

Inhibición de la Actividad Enzimática

La actividad de una enzima puede disminuirse o anularse por la acción de ciertas moléculas llamadas inhibidores.

• Inhibidores reversibles: Se unen a la enzima de forma transitoria y no covalente. La inhibición puede revertirse si se elimina el inhibidor. Se distinguen:
  • Inhibidores competitivos: Tienen una estructura similar a la del sustrato y compiten con él por unirse al centro activo de la enzima.
  • Inhibidores no competitivos: Se unen a la enzima en un sitio distinto al centro activo (sitio alostérico), alterando la conformación de la enzima y disminuyendo su eficacia, independientemente de si el sustrato está unido o no.
  • Inhibidores acompetitivos: Se unen únicamente al complejo enzima-sustrato (ES).
• Inhibidores irreversibles o venenos: Se unen de forma permanente (generalmente covalente) a la enzima, a menudo al centro activo, modificándola químicamente y suprimiendo por completo su actividad. Muchos venenos y fármacos actúan como inhibidores irreversibles.

Catabolismo de la Glucosa

La Glucólisis

Es una ruta metabólica prácticamente universal que se produce en el citoplasma (citosol) de las células de casi todos los organismos vivos (procariotas y eucariotas).

Consiste en una secuencia de 10 reacciones enzimáticas que degradan una molécula de glucosa (un azúcar de 6 carbonos) en dos moléculas de ácido pirúvico (o piruvato, una molécula de 3 carbonos).

Durante la glucólisis se produce una ganancia neta de energía en forma de:

• 2 moléculas de ATP (por fosforilación a nivel de sustrato)
• 2 moléculas de NADH (poder reductor)

La glucólisis es el primer paso tanto de la respiración celular aerobia como de la fermentación.

¿Qué organismos llevan a cabo la glucólisis?

Prácticamente todos los organismos de los reinos conocidos: Reino Monera (bacterias y arqueas), Reino Protista (protozoos y algas), Reino Fungi (hongos y levaduras), Reino Plantae (plantas) y Reino Animalia (animales).

¿Requiere oxígeno la glucólisis?

No, la glucólisis es un proceso anaerobio, es decir, no requiere la presencia de oxígeno para ocurrir. Aunque forma parte de la respiración celular aerobia (que sí requiere oxígeno), la glucólisis en sí misma puede funcionar tanto en presencia como en ausencia de oxígeno.

Destino del Piruvato: Descarboxilación Oxidativa y Ciclo de Krebs (en condiciones aerobias)

En presencia de oxígeno (condiciones aerobias), las dos moléculas de ácido pirúvico obtenidas en la glucólisis entran en la matriz mitocondrial (en eucariotas).

Allí, cada molécula de piruvato sufre una descarboxilación oxidativa (DO), catalizada por el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa. Como resultado de la DO:

• Cada piruvato (3C) se convierte en una molécula de Acetil-Coenzima A (Acetil-CoA) (2C).
• Se libera una molécula de CO₂ (dióxido de carbono).
• Se forma una molécula de NADH.

Por cada molécula de glucosa inicial, se obtienen en la DO: 2 Acetil-CoA, 2 CO₂ y 2 NADH.

El Acetil-CoA obtenido entra entonces en el Ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos), que también ocurre en la matriz mitocondrial.

En el Ciclo de Krebs, el grupo acetilo (2C) del Acetil-CoA se oxida completamente a CO₂ a través de una serie cíclica de reacciones. Por cada molécula de Acetil-CoA que entra al ciclo, se obtiene:

• 3 moléculas de NADH
• 1 molécula de FADH₂ (otro transportador de electrones reducido)
• 1 molécula de GTP (equivalente a 1 ATP, por fosforilación a nivel de sustrato)
• 2 moléculas de CO₂

Considerando las dos moléculas de Acetil-CoA provenientes de una glucosa, el rendimiento total del Ciclo de Krebs por glucosa es: 6 NADH, 2 FADH₂, 2 GTP (o ATP) y 4 CO₂.

El NADH y el FADH₂ son moléculas ricas en energía (contienen electrones de alta energía). El CO₂ producido en la DO y en el Ciclo de Krebs es un producto de desecho que en los animales se elimina a través de la respiración pulmonar.

Cadena de Transporte de Electrones (Cadena Respiratoria) y Fosforilación Oxidativa

El NADH y el FADH₂ formados en la glucólisis (los NADH deben entrar a la mitocondria), la descarboxilación oxidativa y el Ciclo de Krebs ceden sus electrones de alta energía a la cadena de transporte de electrones (CTE) o cadena respiratoria.

La CTE está formada por una serie de complejos proteicos transportadores de electrones (Complejo I, II, III y IV) y moléculas móviles (Ubiquinona o Coenzima Q, Citocromo c) que se encuentran embebidos en la membrana mitocondrial interna (en eucariotas) o en la membrana plasmática (en procariotas aerobios).

Los electrones fluyen a través de la cadena, desde niveles de energía más altos a más bajos, liberando energía en el proceso. Esta energía liberada se utiliza para bombear protones (H⁺) desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranoso, a través de los complejos I, III y IV. Esto crea un gradiente electroquímico de protones (una diferencia de concentración y de carga eléctrica) a través de la membrana interna.

Los protones acumulados en el espacio intermembranoso tienden a volver a la matriz mitocondrial a favor de su gradiente, pero solo pueden hacerlo a través de un canal específico: el complejo enzimático ATP sintasa (también llamado Complejo V), situado en la membrana interna.

La ATP sintasa utiliza la energía potencial almacenada en el gradiente de protones (fuerza protón-motriz) para catalizar la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi). Este proceso se denomina fosforilación oxidativa, ya que la síntesis de ATP está acoplada a la oxidación de NADH y FADH₂ y al transporte de electrones.

Se estima que, en condiciones óptimas:

• Por cada molécula de NADH que cede sus electrones a la CTE, se forman aproximadamente 2.5-3 moléculas de ATP.
• Por cada molécula de FADH₂ (que entra en la cadena en un nivel energético inferior, en el Complejo II), se forman aproximadamente 1.5-2 moléculas de ATP.

Al final de la cadena de transporte de electrones, los electrones de baja energía, junto con los protones de la matriz mitocondrial, se unen al oxígeno molecular (O₂), que actúa como el aceptor final de electrones. Esta reacción, catalizada por el Complejo IV (citocromo oxidasa), forma agua (H₂O), llamada agua metabólica.

Por eso, la respiración celular que utiliza oxígeno se llama respiración aerobia.

El rendimiento energético total de la respiración aerobia completa de una molécula de glucosa (glucólisis + DO + Ciclo de Krebs + CTE + Fosforilación Oxidativa) es de aproximadamente 30-32 moléculas de ATP (el valor exacto puede variar según la lanzadera utilizada para transportar el NADH citosólico a la mitocondria y la eficiencia de la ATP sintasa).

Fermentaciones

Las fermentaciones son procesos metabólicos de oxidación incompleta de compuestos orgánicos (como la glucosa) que ocurren en ausencia de oxígeno (condiciones anaerobias).

En la fermentación, la glucólisis sigue siendo el primer paso, produciendo piruvato, ATP y NADH. Sin embargo, como no hay oxígeno para actuar como aceptor final de electrones en una CTE, el piruvato (o un derivado del mismo) actúa como el aceptor final de electrones para regenerar el NAD⁺ a partir del NADH producido en la glucólisis.

La regeneración del NAD⁺ es crucial para que la glucólisis pueda continuar y seguir produciendo ATP (aunque en pequeña cantidad, solo 2 ATP netos por glucosa).

El rendimiento energético de las fermentaciones es mucho menor que el de la respiración aerobia.

Fermentación Etílica (o Alcohólica)

En este tipo de fermentación, el piruvato se convierte primero en acetaldehído (liberando CO₂) y luego el acetaldehído se reduce a etanol (alcohol etílico) utilizando el NADH, que se reoxida a NAD⁺.

La enzima clave en el último paso es la alcohol deshidrogenasa.

La realizan principalmente ciertas levaduras (como Saccharomyces cerevisiae) y algunas bacterias. Es utilizada industrialmente para la fabricación de bebidas alcohólicas (vino, cerveza) y en la panificación (el CO₂ producido hace que la masa suba).

Fermentación Láctica

En este caso, el piruvato se reduce directamente a ácido láctico (o lactato) utilizando el NADH, que se regenera como NAD⁺. La enzima clave es la lactato deshidrogenasa.

La realizan ciertas bacterias (llamadas bacterias lácticas, como las de los géneros Lactobacillus y Streptococcus) y también ocurre en las células musculares animales durante el ejercicio intenso, cuando el aporte de oxígeno es insuficiente.

Las bacterias lácticas se utilizan en la industria alimentaria para producir yogur, queso y otros productos lácteos fermentados. La acumulación de ácido láctico disminuye el pH, lo que provoca la coagulación de las proteínas de la leche (caseína) y ayuda a conservar el alimento.

La fermentación láctica se produce en el citoplasma.

Catabolismo de los Lípidos (Ácidos Grasos)

β-Oxidación de los Ácidos Grasos

Los lípidos, principalmente los triglicéridos (grasas), son una importante reserva energética en los animales. Los ácidos grasos son las moléculas que mayor cantidad de energía rinden por gramo en nuestro cuerpo (aproximadamente 9 kcal/g), casi el doble que los glúcidos o las proteínas (aproximadamente 4 kcal/g).

Para que los ácidos grasos puedan ser utilizados como fuente de energía:

1. Hidrólisis del triglicérido (Lipólisis): Primero, los triglicéridos almacenados (principalmente en el tejido adiposo) deben ser hidrolizados por enzimas llamadas lipasas. Esta hidrólisis rompe los enlaces éster y libera glicerol y tres moléculas de ácidos grasos. La lipólisis ocurre en el citosol.
2. Destino del Glicerol: El glicerol liberado puede entrar en la ruta glucolítica (convirtiéndose en dihidroxiacetona fosfato, un intermediario de la glucólisis) para ser catabolizado.
3. Activación del Ácido Graso: Antes de poder ser oxidados, los ácidos grasos deben ser activados en el citosol. Esta activación consiste en la unión del ácido graso a la Coenzima A (CoA), formando Acil-CoA. Este proceso requiere el gasto de energía equivalente a 2 ATP (ATP → AMP + PPi).
4. Transporte a la Mitocondria: El Acil-CoA debe ser transportado desde el citosol al interior de la matriz mitocondrial, donde tiene lugar la β-oxidación. Este transporte se realiza mediante un sistema transportador que utiliza la molécula carnitina.
5. β-Oxidación: Una vez en la matriz mitocondrial, el Acil-CoA sufre un proceso cíclico llamado β-oxidación. En cada ciclo de la β-oxidación, la cadena del ácido graso se acorta en dos átomos de carbono, liberando:
   • Una molécula de Acetil-CoA (2C)
   • Una molécula de NADH
   • Una molécula de FADH₂
   El ciclo se repite hasta que todo el ácido graso se ha convertido en moléculas de Acetil-CoA.

Rendimiento Energético de la β-Oxidación (Ejemplo y Cálculo PAU 2024)

Consideremos un ácido graso saturado de 16 carbonos (ácido palmítico), que se activa a Palmitoil-CoA.

La β-oxidación completa de un ácido graso de n carbonos requiere (n/2) – 1 ciclos.

Para el ácido palmítico (n=16): (16/2) – 1 = 8 – 1 = 7 ciclos de β-oxidación.

En estos 7 ciclos se producen:

• 7 moléculas de NADH
• 7 moléculas de FADH₂

Además, se generan n/2 moléculas de Acetil-CoA. Para n=16, se generan 16/2 = 8 moléculas de Acetil-CoA.

Respuesta a las preguntas tipo PAU 2024:

• ¿Cuántas moléculas de Acetil-CoA, NADH y FADH₂ se obtienen en la β-oxidación de un ácido graso de 16C? Se obtienen 8 moléculas de Acetil-CoA, 7 moléculas de NADH y 7 moléculas de FADH₂.
• ¿Dónde se produce este proceso (β-oxidación)? En la matriz mitocondrial (en eucariotas).
• ¿Cuál es el destino del Acetil-CoA que se forma? El Acetil-CoA entra al Ciclo de Krebs para ser oxidado completamente a CO₂, generando más NADH, FADH₂ y GTP/ATP.
• ¿Cuál es el destino de los protones y electrones que ceden el NADH y FADH₂ que se forman (tanto en β-oxidación como en Ciclo de Krebs)? Entran en la cadena de transporte de electrones (CTE) para impulsar la síntesis de ATP mediante la fosforilación oxidativa.

Conexión con el Catabolismo de Proteínas

Hemos visto el catabolismo de la glucosa y el catabolismo de las grasas (ácidos grasos). Nos queda por mencionar brevemente el catabolismo de las proteínas.

Las proteínas normalmente tienen funciones estructurales o funcionales, pero en ciertas condiciones (ayuno prolongado, dieta hiperproteica) pueden utilizarse como fuente de energía.

Para ello, primero se hidrolizan en los aminoácidos que las componen. Luego, los aminoácidos pierden su grupo amino (desaminación) y el esqueleto carbonado resultante puede convertirse en intermediarios metabólicos como piruvato, Acetil-CoA u otros intermediarios del Ciclo de Krebs, entrando así en las rutas centrales del catabolismo para generar energía.

Por lo tanto, el Acetil-CoA es una molécula fundamental y central en el catabolismo, ya que es un producto común de la degradación de glúcidos (vía piruvato), ácidos grasos (vía β-oxidación) y algunos aminoácidos. Se dice, por tanto, que el Acetil-CoA es una molécula que actúa como encrucijada metabólica, conectando diversas rutas catabólicas antes de entrar al Ciclo de Krebs para su oxidación final.

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