Conceptos Fundamentales de Biología Celular y Bioquímica Enzimática

Enzimología y Cinética Celular

Características de las Enzimas Alostéricas

Las enzimas alostéricas presentan propiedades distintivas:

• Están formadas por dos o más subunidades.
• Poseen varios centros de regulación (sitios alostéricos).
• Pueden adoptar dos conformaciones espaciales distintas.
• Existe un efecto cooperativo entre las subunidades: la activación o inhibición de una subunidad produce un efecto en todas las demás.
• Su regulación es más rápida y su cinética enzimática es diferente a la de las enzimas michaelianas.

Concepto y Propiedades de las Enzimas

Una enzima es un catalizador biológico de las reacciones bioquímicas y casi todas son de naturaleza proteica.

Características Comunes de los Catalizadores

• Aumentan la velocidad de reacción.
• No alteran el equilibrio químico, sino que aceleran su consecución.
• No se consumen durante el proceso catalítico.
• Actúan en cantidades muy pequeñas.

Características Propias de las Enzimas

• Son sumamente activas.
• Presentan una alta especificidad de sustrato y de acción.
• Actúan a temperaturas moderadas o bajas compatibles con el desarrollo de la vida.
• Su actividad está sujeta a precisos mecanismos de regulación.

Actividad Enzimática

La actividad de una enzima se mide habitualmente en moles o micromoles de sustrato transformados por unidad de tiempo y depende de:

• Factores fisicoquímicos que influyen en la velocidad (temperatura, pH, concentración de sustrato).
• Mecanismos moleculares que optimizan la eficiencia catalítica.
• Mecanismos reguladores (modulación alostérica, inhibición, modificación covalente).

Organización Celular Comparada

Células Animales frente a Células Vegetales

• Pared celular: Presente en vegetales (compuesta de celulosa); ausente en animales.
• Vacuolas: Grandes y predominantes en células vegetales; pequeñas y escasas en células animales.
• Plastos: Exclusivos de los vegetales; almacenan almidón (amiloplastos) y, por acción de la luz, pueden diferenciarse en cloroplastos.
• Reserva energética: Los vegetales almacenan almidón, mientras que los animales almacenan glucógeno.
• Estructuras de motilidad: Los animales pueden presentar cilios, flagelos y pseudópodos.
• Centrosoma (citocentro): Presente en todas las células animales, pero ausente en la mayoría de las plantas superiores.

Células Procariotas

Comprenden a las bacterias y las arqueas. Carecen de compartimentación interna y son siempre unicelulares. Su tamaño oscila comúnmente entre 0,2 × 1,2 µm y 1,5 × 4 µm, exhibiendo una enorme diversidad metabólica.

• Estructura general: Membrana plasmática, nucleoide (región desprovista de membrana que contiene el ADN), pared celular y, en algunas cepas, membrana externa.
• Fotosíntesis: Capacidad de fijar energía lumínica; puede ser oxigénica (como en cianobacterias) o anoxigénica (en otras bacterias fotosintéticas).
• Mesosomas: Invaginaciones membranosas implicadas en el intercambio metabólico y soporte enzimático.
• Apéndices: Flagelos conformados por flagelina (movilidad) y pili o fimbrias (adherencia y conjugación o apareamiento genético).

Células Eucariotas

Abarcan a protoctistas, plantas, hongos y animales. Presentan dimensiones habitualmente diez veces mayores que las procariotas y se caracterizan por:

• Compartimentación interna mediante endomembranas especializadas en distintas rutas bioquímicas.
• El material genético (ADN) se encuentra confinado en el núcleo celular, delimitado por una envoltura propia.
• Capacidad de integrarse para formar organismos pluricelulares.
• Existencia de un citoesqueleto interno que mantiene la forma celular, organiza el tráfico vesicular y moviliza los orgánulos.
• Presencia de estructuras extracelulares y uniones que actúan de nexo intercelular.

Estructura y Función de los Orgánulos Celulares

Citoplasma y Citosol

El citosol actúa como medio de soporte con múltiples funciones:

• Reserva de sustratos combustibles y materiales estructurales.
• Reserva de proteínas solubles, muchas de ellas de naturaleza enzimática.
• Vías metabólicas centrales: glucogenogénesis, glucogenólisis, glucólisis, biosíntesis de aminoácidos, síntesis de proteínas, lipogénesis y fermentaciones.

Retículo Endoplasmático Rugoso (RER)

• Acumula y procesa las proteínas sintetizadas por los ribosomas anclados a su superficie.
• Lleva a cabo la glicosilación de proteínas de forma cotraduccional (simultánea a su síntesis).
• Forma vesículas de transporte dirigidas hacia el aparato de Golgi.

Retículo Endoplasmático Liso (REL)

• Participa en la movilización de calcio para la propagación del estímulo de la contracción muscular.
• Lleva a cabo la síntesis de lípidos a partir de ácidos grasos.
• Interviene en la síntesis del colesterol y sus derivados.
• Efectúa procesos de detoxificación, transformando compuestos tóxicos liposolubles en derivados hidrosolubles eliminables.

Aparato de Golgi

• Completa la maduración de los productos de secreción.
• Concentración y empaquetamiento de proteínas.
• Formación de lisosomas primarios.
• Procesos de secreción celular exocítica.
• Síntesis de glucosaminoglucanos/mucopolisacáridos de la matriz extracelular y de polisacáridos de la pared vegetal.
• Renovación de los componentes de la membrana plasmática.

Vacuolas

• Colaboran en la renovación de la membrana plasmática.
• Acumulan agua para mantener la presión de turgencia estructural en vegetales.
• Almacenan enzimas, pigmentos y colorantes.
• Pueden retener sustancias defensivas o venenosas.
• Participan en la osmorregulación celular expulsando el exceso de agua (vacuolas pulsátiles).
• Ciertas vacuolas derivan de fagosomas y almacenan residuos metabólicos no degradados.

Mitocondrias

Matriz Mitocondrial

• Formación de acetil-CoA.
• β-oxidación de ácidos grasos.
• Desarrollo del ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico).
• Síntesis de proteínas mitocondriales.
• Replicación y duplicación del ADN mitocondrial.

Crestas Mitocondriales

• Cadena de transporte de electrones.
• Generación de ATP por fosforilación oxidativa.

Envoltura Nuclear

• Compartimenta y separa el material genético del citosol.
• Regula el transporte bidireccional y selectivo de moléculas entre el nucleoplasma y el hialoplasma mediante complejos de poro nuclear.
• Tráfico de sustancias: nucleótidos, histonas, ARN mensajero (ARNm), ARN ribosómico (ARNr), ARN de transferencia (ARNt) y enzimas implicadas en la replicación y transcripción.

Importancia Biológica de la Meiosis

La meiosis es un pilar fundamental en los procesos evolutivos biológicos:

• La teoría de la evolución se sustenta en la variabilidad genética de la descendencia y la supervivencia de los individuos mejor adaptados a su entorno.
• La meiosis representa el motor de la evolución biológica en organismos de reproducción sexual.
• A través de la recombinación genética (entrecruzamiento) producida durante la profase I de la meiosis, se reorganizan los alelos parentales originando combinaciones génicas únicas.