Explorando la Célula: Biomoléculas, Orgánulos y Procesos Vitales Fundamentales

Biomoléculas Esenciales

Carbohidratos

Los carbohidratos, también conocidos como glúcidos o hidratos de carbono, son azúcares y sus polímeros. Cumplen funciones cruciales, como el almacenamiento de energía y la formación de estructuras.

• Monosacáridos: Son los azúcares más simples (ej. glucosa, fructosa).
• Disacáridos: Formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace glucosídico (ej. sacarosa, lactosa).
• Polisacáridos: Largas cadenas de monosacáridos (ej. almidón, glucógeno, celulosa).

Funciones principales: Fuente de energía inmediata, reserva energética y componente estructural.

Lípidos

Los lípidos son un grupo diverso de moléculas hidrofóbicas, compuestas principalmente por hidrocarburos de cadena larga. Incluyen grasas, aceites, fosfolípidos y esteroides.

Funciones principales: Reserva energética a largo plazo, componentes estructurales de las membranas celulares, aislamiento térmico y señalización celular.

Proteínas

Las proteínas son polímeros complejos de aminoácidos. Un aminoácido es una molécula orgánica que contiene un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo amino (-NH₂). Existen 20 tipos de aminoácidos esenciales que, combinados de diversas maneras, forman miles de proteínas diferentes. Los aminoácidos se enlazan mediante enlaces peptídicos para formar un polipéptido.

Niveles de Estructura de las Proteínas:

• Estructura Primaria: Es la secuencia única y lineal de aminoácidos en la cadena polipeptídica.
• Estructura Secundaria: Se refiere a los plegamientos regulares locales de la cadena polipeptídica, como las hélices alfa (α-hélice) y las láminas beta (β-lámina), estabilizadas por puentes de hidrógeno.
• Estructura Terciaria: Es la conformación tridimensional global de un polipéptido, resultante de las interacciones entre los grupos R (cadenas laterales) de los aminoácidos.
• Estructura Cuaternaria: Se presenta en proteínas compuestas por dos o más cadenas polipeptídicas (subunidades), describiendo cómo estas subunidades interactúan y se ensamblan.

Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) son polímeros de nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por tres partes:

• Una base nitrogenada (adenina, guanina, citosina, timina en ADN; uracilo en ARN).
• Un azúcar de cinco carbonos (pentosa): desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN.
• Un grupo fosfato.

Funciones principales: Almacenamiento y transmisión de la información genética (ADN), y participación en la síntesis de proteínas (ARN).

Estructura y Función Celular: Orgánulos

Los orgánulos celulares son estructuras especializadas dentro de la célula que realizan funciones específicas.

• Mitocondria: Responsable de la respiración celular aeróbica, donde se realiza la oxidación de metabolitos (como la glucosa) para obtener energía en forma de ATP.
• Centriolo: Participa en la formación y organización de los microtúbulos que constituyen el huso acromático durante la división celular en células animales.
• Retículo Endoplasmático Liso (REL): Involucrado en la síntesis de lípidos (incluyendo fosfolípidos y esteroides), el almacenamiento de calcio y la detoxificación de drogas y venenos.
• Retículo Endoplasmático Rugoso (RER): Caracterizado por tener ribosomas adheridos a su superficie. Su función principal es la síntesis, plegamiento, modificación y transporte de proteínas que serán secretadas o incorporadas a membranas.
• Aparato de Golgi: Procesa, empaqueta y distribuye proteínas y lípidos procedentes del retículo endoplasmático (RE). Participa en la modificación, maduración, acumulación y secreción de estas moléculas.
• Lisosomas: Contienen enzimas digestivas que degradan macromoléculas, orgánulos dañados y materiales ingeridos por la célula (endocitosis). Participan en la eliminación de sustancias y en la regulación de los productos de la secreción celular.
• Peroxisomas: Llevan a cabo reacciones metabólicas que incluyen la detoxificación de ciertas sustancias y la degradación del peróxido de hidrógeno (H₂O₂), un subproducto tóxico del metabolismo.
• Ribosomas: Son los sitios de síntesis de proteínas. Leen la información codificada en el ARN mensajero (ARNm) y ensamblan los aminoácidos en el orden correcto durante el proceso de traducción.

Metabolismo Celular

Respiración Celular

La respiración celular es el proceso mediante el cual las células degradan moléculas orgánicas (principalmente glucosa) para liberar energía en forma de ATP. Consta de varias etapas:

• Glucólisis: Ocurre en el citosol de la célula. Una molécula de glucosa se descompone en dos moléculas de piruvato. Producción neta: 2 ATP y 2 NADH.
• Ciclo de Krebs (o Ciclo del Ácido Cítrico): Ocurre en la matriz mitocondrial (en eucariotas). El piruvato se convierte primero en acetil-CoA, que entra en el ciclo. Por cada molécula de acetil-CoA que ingresa al ciclo, se produce: 1 ATP (o GTP), 3 NADH y 1 FADH₂. Durante este proceso, la célula excreta CO₂.
• Fosforilación Oxidativa: Ocurre en las crestas mitocondriales (membrana mitocondrial interna). Los electrones transportados por NADH y FADH₂ pasan a través de una cadena de transporte de electrones, liberando energía que se utiliza para bombear protones y generar un gradiente. Este gradiente impulsa la síntesis de ATP por la ATP sintasa. El oxígeno actúa como aceptor final de electrones, produciéndose H₂O.

Balance energético total: Aproximadamente 30-32 ATP por cada molécula de glucosa completamente oxidada (la cifra de 36-38 ATP es una estimación teórica máxima, el texto original mencionaba 36 ATP).

Fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso mediante el cual los organismos autótrofos (como plantas y algas) convierten la energía lumínica en energía química, almacenada en moléculas orgánicas (azúcares), utilizando dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O).

Fases de la Fotosíntesis:

1. Fase Luminosa (o Reacciones Dependientes de la Luz):
   • Ocurre en las membranas de los tilacoides dentro de los cloroplastos.
   • La energía lumínica es capturada por pigmentos (como la clorofila) y se utiliza para romper moléculas de agua (fotólisis del agua), liberando oxígeno (O₂).
   • Se produce ATP y NADPH, moléculas portadoras de energía.
2. Ciclo de Calvin (o Reacciones Independientes de la Luz):
   • Ocurre en el estroma de los cloroplastos.
   • Utiliza el ATP y NADPH generados en la fase luminosa para fijar el CO₂ atmosférico y convertirlo en azúcares (como la glucosa).

Genética Mendeliana

Las Leyes de Mendel describen los principios básicos de la herencia genética, propuestos por Gregor Mendel a partir de sus experimentos con guisantes.

• Primera Ley o Principio de la Uniformidad de los híbridos de la primera generación filial (F1): Establece que si se cruzan dos razas puras (homocigotos) para un determinado carácter, los descendientes de la primera generación filial (F1) serán todos iguales entre sí, tanto fenotípica como genotípicamente. Los híbridos de la F1 son heterocigotos.
• Segunda Ley o Principio de la Segregación de los caracteres en la segunda generación filial (F2): Establece que durante la formación de los gametos, cada alelo de un par se separa (segrega) del otro miembro para determinar la constitución genética del gameto filial. Así, cada gameto contiene solo un alelo para cada gen.
• Tercera Ley o Principio de la Distribución Independiente de los caracteres hereditarios: Establece que diferentes rasgos son heredados independientemente unos de otros, es decir, los alelos de diferentes genes se distribuyen de forma independiente en los gametos (siempre que los genes se encuentren en cromosomas distintos o suficientemente separados en el mismo cromosoma).

División Celular

Mitosis

La mitosis es un proceso de división celular que resulta en dos células hijas genéticamente idénticas a la célula madre. Es fundamental para el crecimiento, la reparación de tejidos y la reproducción asexual. Se divide en varias fases, precedidas por la interfase.

Fases de la Mitosis:

• Interfase: Período previo a la mitosis donde la célula crece y duplica su ADN. Comprende tres subfases:
  • G1 (Gap 1): Período de crecimiento celular y síntesis de proteínas y orgánulos.
  • S (Síntesis): Durante este período se replica el ADN; cada cromosoma se duplica para formar dos cromátidas hermanas idénticas.
  • G2 (Gap 2): La célula continúa creciendo y se prepara para la mitosis, sintetizando el material citoplasmático necesario para la división celular.
• Profase: El ADN replicado se condensa y se hace visible en forma de cromosomas (compuestos por dos cromátidas hermanas). La envoltura nuclear comienza a desintegrarse y el huso mitótico empieza a formarse.
• Metafase: La envoltura nuclear ha desaparecido por completo. Aparece el huso acromático. Los cromosomas alcanzan su máxima condensación y se alinean en el plano ecuatorial (placa metafásica) de la célula. Las fibras del huso se unen a los cinetocoros de los cromosomas.
• Anafase: Las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan y son arrastradas hacia los polos opuestos de la célula mediante el huso mitótico. Cada cromátida separada se considera ahora un cromosoma individual.
• Telofase: Los cromosomas hijos llegan a los polos de la célula y comienzan a descondensarse. Se forma una nueva envoltura nuclear alrededor de cada conjunto de cromosomas y el material genético se envuelve en ella. El huso mitótico desaparece. Generalmente, la telofase se solapa con la citocinesis, que es la división del citoplasma para formar dos células hijas separadas.

Meiosis

La meiosis es un tipo especializado de división celular que reduce a la mitad el número de cromosomas, produciendo células sexuales o gametos (en animales) o esporas (en plantas y hongos). Consta de dos divisiones celulares consecutivas: Meiosis I y Meiosis II, cada una con sus propias fases.

Fases de la Meiosis I (División Reduccional):

• Profase I: Es la fase más larga y compleja. Los cromosomas homólogos replicados se aparean (sinapsis) formando tétradas. Se produce el entrecruzamiento genético (crossing-over), donde segmentos de cromátidas no hermanas se intercambian, aumentando la variabilidad genética. La envoltura nuclear se desintegra y se forma el huso.
• Metafase I: Las tétradas (pares de cromosomas homólogos) se alinean en el ecuador de la célula y se unen a las fibras del huso.
• Anafase I: Los cromosomas homólogos de cada tétrada se separan y los cromosomas son arrastrados hacia polos opuestos de la célula. Las cromátidas hermanas permanecen unidas.
• Telofase I: Similar a la telofase mitótica, pero cada célula hija ahora posee un juego haploide de cromosomas, cada uno con dos cromátidas. Ocurre la citocinesis, resultando en dos células hijas haploides.

Fases de la Meiosis II (División Ecuacional):

(Precedida por una breve interfase o intercinesis, sin replicación de ADN)

• Profase II: Vuelven a formarse las fibras del huso en cada célula hija.
• Metafase II: Los cromosomas (cada uno con dos cromátidas) se alinean en el ecuador de cada célula, de manera similar a la metafase de la mitosis.
• Anafase II: Las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan y son segregadas a los polos opuestos de la célula.
• Telofase II: Los núcleos se reforman alrededor de los conjuntos de cromosomas en los polos. La citocinesis divide cada célula de nuevo.

Resultado final de la meiosis: Se consiguen cuatro células haploides (n), cada una genéticamente diferente de la célula madre y entre sí.