Bioquímica celular: enzimas, mitosis, traducción, PCR, respiración, fotosíntesis y replicación del ADN

Reacciones enzimáticas con un sustrato

La enzima E fija el sustrato a su superficie por absorción. Al finalizar la reacción se libera la enzima intacta E y el producto P.

S + E ⇌ ES ⇌ EP ⇌ E + P

Gráfica: estado de transición, estado inicial, estado final, energía libre de activación, energía libre de activación de la reacción catalizada y variación global de energía libre en la reacción.

Proceso de mitosis

Consta de nueve dibujos o etapas representativas:

Profase

• Duplicación del centrosoma.
• Condensación del ADN.
• Microtúbulos polares.
• Placa cinetocórica.

Metafase

• Huso mitótico.
• Placa ecuatorial.

Anafase

• Separación de las cromátidas hermanas.

Telofase

• Reorganización del núcleo.
• Cilindros.
• Envoltura nuclear.

Fases de la traducción del ARNm

1. Iniciación de la síntesis

2. Elongación o alargamiento de la cadena polipeptídica

3. Finalización de la síntesis

PCR: reacción en cadena de la polimerasa

El ciclo consta de tres fases:

1. Desnaturalización: se calienta la doble hélice de ADN hasta 94 °C, lo que rompe los enlaces de hidrógeno entre las dos hebras.
2. Hibridación: se enfría hasta 50 °C en presencia de los cebadores, que se emparejan específicamente con su hebra complementaria.
3. Elongación: se calienta a 72 °C y la ADN polimerasa alarga las nuevas hebras de ADN a partir de los cebadores, uniendo nucleótidos trifosfato.

Se obtienen dos nuevas copias del fragmento y el ciclo se vuelve a repetir. De este modo se obtienen 2ⁿ fragmentos, por lo que el aumento del número de moléculas es exponencial.

Lisosomas

Son vesículas procedentes del aparato de Golgi, en cuyo interior hay enzimas digestivas: hidrolasas ácidas como la fosfatasa ácida, glucosidasa, lipasa, proteasa y ADNasa.

Las enzimas se forman en el retículo endoplasmático rugoso, pasan al aparato de Golgi donde se activan y se concentran, y después se acumulan en el interior de los lisosomas.

Tienen una membrana plasmática con proteínas de la cara interna muy glucosiladas. Los lisosomas digieren la materia orgánica. La enzima digestiva más importante es la fosfatasa ácida, capaz de romper los enlaces fosfoéster y liberar grupos fosfato.

Cadena de transporte de electrones: última etapa de la respiración celular

En la cadena respiratoria se oxidan las coenzimas reducidas NADH y FADH₂, producidas en las etapas anteriores, y de esta manera se utilizan para sintetizar ATP a partir de la energía que contienen.

Tiene tres procesos: transporte de electrones, quimiosmosis y fosforilación oxidativa.

Transporte de electrones

La cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria está constituida por moléculas proteicas, englobadas de forma ordenada en la membrana interna de las mitocondrias de las células eucariotas y en la membrana plasmática de los procariotas. Cada una de estas moléculas acepta electrones de la molécula anterior, se reduce y luego los transfiere a la molécula siguiente, por lo que se oxida.

Esto es posible porque los electrones siempre pasan a ocupar en la siguiente molécula una posición más próxima al núcleo, es decir, de menor energía.

Los electrones que entran en la cadena respiratoria proceden de los NADH y FADH₂, que al cederlos junto con los protones H⁺ se convierten en las coenzimas oxidadas NAD⁺ y FAD.

La cadena respiratoria está formada por seis componentes:

• Los cuatro grandes complejos proteicos (I, II, III y IV), engloba dos en la membrana.
• La ubiquinona Q, capaz de desplazarse por la doble capa lipídica y que transporta electrones del complejo I y II al III.
• La citocromo C, una pequeña proteína que se encuentra en la cara interna de la membrana y comunica el complejo III con el IV.

Quimiosmosis

La energía perdida por los electrones se utiliza para bombear protones al exterior. En el caso de las mitocondrias, pasan de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Allí se acumulan y, cuando su concentración es elevada, los protones vuelven a la matriz mitocondrial a través de los canales internos con enzimas englobadas en la membrana, llamadas ATP-sintasa.

Fosforilación oxidativa

Las ATP-sintasas están constituidas por cuatro partes, cada una de ellas formada por varias subunidades polipeptídicas. Las partes se mueven entre sí como si fueran las piezas de un molino hidráulico cuando los protones fluyen por su canal interior. Esto produce cambios en tres lugares que provocan la unión de un ADP y un grupo fosfato, generando así un ATP.

Fotosistemas

Son complejos formados por proteínas transmembrana que contienen pigmentos fotosintéticos y constan de dos subunidades funcionales: el complejo captador de luz o antena y el centro de reacción. Se encuentran en las membranas de los tilacoides.

Complejo captador de luz

Contiene moléculas de pigmentos fotosintéticos que captan energía luminosa, se excitan y transmiten la energía de excitación de unas moléculas a otras hasta llegar finalmente al centro de reacción.

Centro de reacción

En esta subunidad hay dos moléculas de un tipo especial de clorofila, el pigmento diana, que al recibir la energía captada por los pigmentos anteriores transfiere sus electrones a otra molécula, denominada primer aceptor de electrones, que a su vez los cede a otra exterior.

El pigmento diana es capaz de iniciar una reacción de transferencia de electrones y reponer los electrones perdidos a partir de otra molécula denominada primer dador de electrones.

Fotosistemas I y II

En la fotosíntesis intervienen dos fotosistemas diferentes:

• Fotosistema I: su pigmento diana capta luz de longitud de onda igual o inferior a 700 nm (clorofila P700). Es abundante en los tilacoides del estroma y no puede romper la molécula de agua para liberar electrones.
• Fotosistema II: su pigmento diana capta luz de longitud de onda igual o inferior a 680 nm (clorofila P680). Es más abundante en los tilacoides apilados y puede romper las moléculas de agua para liberar al medio electrones que repongan los que ha perdido el pigmento diana.

Fragmentos de Okazaki y crecimiento de la hebra retardada: duplicación del ADN celular procariota

Los fragmentos de Okazaki son cadenas cortas de ADN recién sintetizadas en la hebra discontinua. Se sintetizan en dirección 5´→3´ a partir de cebadores de ARN que después son eliminados. Cada fragmento está constituido por unos 50 nucleótidos de ARN y entre mil y dos mil de ADN.

Incógnitas

• Cómo la ADN polimerasa podía sintetizar sin necesidad de cebador.
• Cómo las dos hebras de la horquilla podían crecer en paralelo, ya que si una lo hacía en sentido 5´→3´, la otra debía hacerlo en sentido 3´→5´.

Duplicación del ADN

Se realiza en dos fases:

1. Fase de iniciación

Una secuencia de nucleótidos en el ADN actúa como señal de inicio. El proceso se inicia con la enzima helicasa, que rompe los puentes de hidrógeno entre las dos hebras complementarias y las separa. Las topoisomerasas eliminan las tensiones y los superenrollamientos que se producen en la molécula al romper la doble hélice. Las proteínas estabilizadoras mantienen la separación y se forma la horquilla de replicación. La replicación es bidireccional y las dos horquillas de replicación forman las burbujas u ojos de replicación.

2. Fase de elongación

Intervienen las ARN polimerasas (primasas), que sintetizan un fragmento corto de ARN formado por unos 10 nucleótidos (primer o cebador). Después, la ADN polimerasa III, partiendo del primer, empieza a sintetizar una hebra de ADN en sentido 5´→3´ a partir de nucleótidos trifosfato; esta hebra se llama hebra conductora.

Sobre la hebra retardada, la ARN polimerasa sintetiza unos 40 nucleótidos de ARN en un punto que dista mil nucleótidos de ADN, y entonces se forma el fragmento de Okazaki. Este proceso se va repitiendo. Luego interviene la ADN polimerasa I, que retira los segmentos de ARN y añade nucleótidos de ADN en su lugar. Finalmente interviene la ADN ligasa, que une los distintos fragmentos de ADN sintetizados.