Funciones y estructura celular: proteínas, orgánulos, genética y bioquímica esencial

Proteínas y enzimas clave

Ubiquinona: En las mitocondrias participa en el transporte de electrones para generar ATP; es una fuente de energía celular y actúa como antioxidante, previniendo daños por radicales libres.

Catalasa: Descompone el peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno, protegiendo a las células de daños oxidativos.

Nucleoporinas: Componentes de los poros nucleares que permiten el transporte selectivo de moléculas entre el núcleo y el citoplasma.

Láminas nucleares: Forman una red en el interior del núcleo que proporciona soporte estructural y organiza la cromatina.

Proteínas estructurales y motores

Queratinas: Estas proteínas estructurales forman parte de la composición de tejidos como la piel, el cabello y las uñas. Aportan resistencia y protección mecánica, actuando como barreras contra daños físicos y químicos.

Histonas: Son proteínas con función estructural que permiten la organización y compactación del ADN en el núcleo celular al formar complejos llamados nucleosomas. Esto es fundamental para regular la expresión génica y la replicación del ADN.

Kinesinas: Proteínas motoras que transportan vesículas y orgánulos a lo largo de los microtúbulos del citoesqueleto; usan energía del ATP para moverse en dirección hacia la extremidad positiva de los microtúbulos.

Dineínas (dyneínas): Proteínas motoras que se desplazan hacia el extremo negativo de los microtúbulos.

Enzimas y maquinaria de síntesis

Anhidrasa carbónica: Cataliza la conversión de dióxido de carbono y agua en bicarbonato y protones, y la reacción inversa. Es crucial en procesos como la regulación del pH sanguíneo y el transporte de CO2 en la sangre.

Primasa: Enzima que sintetiza primers de ARN durante la replicación del ADN, necesarios para que la ADN polimerasa inicie la síntesis de la nueva cadena de ADN.

Aminoacil-ARNt sintetasa: Responsable de unir cada ARNt con su aminoácido correspondiente; es crucial para la traducción, donde el ARNt lleva el aminoácido adecuado a los ribosomas durante la síntesis de proteínas.

Polimerasas y ARNt

ADN polimerasas: Encargadas de la síntesis de ADN nuevo. La ADN polimerasa epsilon sintetiza ADN sobre la hebra líder de manera continua, mientras que la ADN polimerasa delta sintetiza ADN sobre la hebra rezagada de manera intermitente en forma de fragmentos de Okazaki.

ARN polimerasas: Llevan a cabo la transcripción, el proceso de copiar el ADN en ARN. La ARN polimerasa I transcribe genes que codifican ARN ribosómico; la ARN polimerasa II transcribe genes que codifican proteínas y produce ARNm; la ARN polimerasa III transcribe genes que codifican ARNt y otros ARN pequeños.

ARNt: Transporta los aminoácidos a los ribosomas; tiene un anticodón que empareja con el codón del ARNm.

Otras enzimas y complejos

Idrolasas lisosomales: Enzimas capaces de degradar todo tipo de polímeros orgánicos dentro de los lisosomas.

Equilibrio químico, ácido-base y regulación

Equilibrio: Situación a la que llega una reacción química transcurrido un tiempo en la cual la transformación entre reactivos y productos se mantiene constante; la velocidad de formación de productos y reactivos es la misma. Kc > 1: favorece productos; Kc < 1: favorece reactivos; Kc = 1: igual tendencia.

Reacción ácido-base

Se caracteriza por la transferencia de protones (H+). Hay un reactivo que dona protones, llamado ácido, y otro que los acepta, llamado base. El resultado son el ácido y la base conjugados; estas reacciones producen nuevos compuestos y pueden alterar el pH. Pueden ser reversibles o irreversibles.

Principio de Le Châtelier

Ante una perturbación en un sistema en equilibrio, el sistema tiende a evolucionar reajustándose para alcanzar una nueva situación de equilibrio. Por ejemplo, si aumenta la concentración de reactivos, el sistema se desplaza hacia la derecha formando más producto para restablecer el equilibrio.

CO2 y sangre

Las células producen CO2 durante la respiración celular. Cuando el CO2 se disuelve en la sangre reacciona con el agua y forma ácido carbónico (H2CO3), que se disocia en bicarbonato (HCO3-) y protones (H+):

CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> HCO3- + H+

Según la cantidad de CO2 en sangre, el equilibrio se desplaza de forma distinta: si aumenta el CO2 se forma más HCO3- (desplazamiento hacia la derecha) y el pH baja (se vuelve más ácido); si disminuye el CO2, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda formando más ácido carbónico. Los mecanismos de regulación incluyen la respiración y la función renal.

Electronegatividad e interacciones

Electronegatividad: Mide el grado de atracción de un átomo por los electrones compartidos. Depende del radio atómico y del número de protones. Los valores típicos están entre 0,7 y 4 (escala de Pauling).

Interacciones:

• 0–0,5: enlace covalente apolar
• 0,5–1,9: enlace covalente polar
• >1,9: enlace iónico

Dipolo y fuerzas intermoleculares

Dipolo: Molécula con dos extremos con densidad de carga parcial positiva y negativa. Son asimétricas; la distribución de electrones no es uniforme y el momento dipolar no es cero. En moléculas apolares la distribución es simétrica y el momento dipolar es cero.

Interacciones dipolo–dipolo: Entre moléculas con dipolos permanentes, se atraen polos opuestos.

Dipolo–inducción (dipolo instantáneo): Una molécula polar puede inducir un dipolo en una molécula apolar cuando se acercan.

Fuerzas de dispersión: Entre dos moléculas apolares, originadas por fluctuaciones temporales de la densidad electrónica (dipolo instantáneo y dipolo inducido).

Puentes de hidrógeno: Interacción entre dipolos permanentes que involucran átomos muy electronegativos como O o N unidos a H.

Interacciones ión–dipolo: Un ion atrae a una molécula polar (dipolo permanente). El ión también puede inducir un dipolo en una molécula apolar (ión–dipolo inducido).

Propiedades del agua y disoluciones

Agua:

• Elevadas temperaturas de fusión y ebullición: para romper la red de puentes de hidrógeno se requiere energía.
• Menor densidad en estado sólido (hielo) por su estructura cristalina que deja huecos.
• Adhesiva y cohesiva: mantiene unión con otras sustancias y con sí misma; elevada tensión superficial.
• Excelente disolvente por su polaridad y capacidad de formar puentes de hidrógeno con muchas moléculas.

Disuelve bien sustancias polares e iónicas.

Disolución iónica (solvatación): Cuando un cristal de sal se introduce en agua, las moléculas polares de agua interactúan con los iones del cristal, rodeándolos y liberando energía suficiente para romper el enlace iónico. En NaCl, los iones Na+ son atraídos por el extremo parcialmente negativo de las moléculas de agua y se separan del cristal, dispersándose en la solución.

pH, buffers y pKa

pH: Es el nivel de acidez que encontramos en un organismo; equivale a la concentración de protones (H+). Un pH fuera de rango puede afectar las interacciones entre moléculas y perturbar reacciones ácido–base; es nocivo para el organismo.

Buffers: Minimiza los cambios de pH y actúan como esponjas de H+. A nivel intracelular: fosfato y proteínas; a nivel extracelular: bicarbonato y proteínas plasmáticas.

pKa: Indica la fuerza de un ácido en disolución; nos ayuda a entender la tendencia de un ácido a donar protones. Valores entre 0 y 14. pKa baja = ácido fuerte; pKa alta = base relativa.

Estructura de las proteínas

Niveles de estructura:

• Primaria: Secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica.
• Secundaria: Formación de estructuras según los ángulos diedros; repeticiones frecuentes incluyen hélices alfa (helicoidal estabilizada por puentes de hidrógeno paralelos al eje) y láminas beta (hojas beta perpendiculares a la dirección de la cadena). También existe la estructura irregular o random coil cuando no hay repeticiones.
• Terciaria: Plegamiento completo de la cadena en una forma tridimensional, determinado por interacciones entre las cadenas laterales.
• Cuaternaria: Asociación de dos o más cadenas polipeptídicas para formar una proteína funcional.

Ácidos nucleicos: ADN y ARN

ADN: Doble hélice dextrógira, antiparalela; las bases nitrogenadas se unen por complementariedad mediante puentes de hidrógeno.

ARN: Hebra simple que puede plegarse sobre sí misma formando estructuras secundarias y terciarias.

Membrana plasmática

Función: Transporte de materiales hacia el interior y exterior de la célula, y separación de compartimentos.

Estructura:

• Bicapa lipídica bidimensional y asimétrica; la fluidez depende de la temperatura y la composición; el colesterol se intercala entre los lípidos.
• Cara interna: fosfatidilserina (PS), fosfatidiletanolamina (PE), fosfatidilinositol (PI).
• Cara externa: fosfatidilcolina (PC) y esfingomielina (SM).
• Flexible, dinámica y autorreparable: los fosfolípidos tienden a reducir la exposición de las colas hidrofóbicas al agua.
• Semipermeable: moléculas pequeñas y apolares atraviesan la membrana con facilidad; las polares presentan dificultades.
• Naturaleza anfipática de los fosfolípidos.

Parte proteica de la membrana

• Proteínas transmembrana: Atraviesan la bicapa y pueden estar expuestas al exterior; muchas están glicosiladas formando glicocálix.
• Ancladas covalentemente a la membrana: Mediante ácidos grasos.
• Asociadas a la membrana: Mediante interacciones no covalentes con otras proteínas de membrana.

Citoplasma y orgánulos

Retículo endoplásmico rugoso (RER)

Cisternas aplanadas interconectadas por túbulos, sembradas de ribosomas y continuas con la membrana nuclear externa. Función: síntesis y glicosilación de proteínas integrales de membrana y de secreción.

Retículo endoplásmico liso (REL)

Túbulos interconectados sin ribosomas. Funciones: síntesis de fosfolípidos y colesterol, producción de hormonas esteroideas (estrógenos y testosterona); almacenamiento de iones Ca2+ (importante en la contracción muscular); detoxificación/oxidación de tóxicos, en parte mediante citocromo P450 en hepatocitos.

Aparato de Golgi

Cisternas aplanadas apiladas (no interconectadas) y vesículas; presenta polaridad funcional. Función: procesa, modifica y clasifica las proteínas procedentes del RE hacia lisosomas, membrana o secreción exterior.

Vía de secreción: RE → Golgi → vesículas → exterior de la célula. Las proteínas y fosfolípidos se separan del RE y se fusionan al aparato de Golgi. En el Golgi hay dos mecanismos principales: formación de vesículas que se mueven entre compartimentos del RE y maduración de cisternas (las cisternas maduran y se mueven desde la cara cis hasta la trans del Golgi). Las vesículas suelen llevar cubiertas proteicas COPI, COPII y clatrina.

Mitocondrias

Orgánulos donde el oxígeno se utiliza para generar energía en organismos aeróbicos. Función principal: generación de ATP mediante fosforilación oxidativa. Otras funciones incluyen regeneración de NAD+, síntesis de algunos aminoácidos, almacenamiento de Ca2+, producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) y participación en la apoptosis.

Estructura: doble membrana. Membrana externa con porinas y proteínas que permiten el transporte de sustancias; membrane interna rica en proteínas y cardiolipina que forma crestas mitocondriales (invaginaciones con proteínas esenciales para la síntesis de ATP). La matriz mitocondrial contiene enzimas para rutas metabólicas: oxidación del piruvato, ciclo de Krebs y β-oxidación de ácidos grasos. Las mitocondrias poseen su propio genoma y ribosomas para sintetizar algunas proteínas específicas.

Lisosomas

Son el sistema digestivo de la célula: orgánulos de membrana con enzimas capaces de degradar todo tipo de polímeros orgánicos. Funciones: digestión celular, autofagia y muerte celular programada. Las hidrolasas lisosomales ácidodependientes se transportan a los lisosomas y funcionan a pH ácido (aprox. pH 5). La bomba de protones recoge H+ del citosol y los introduce en el lisosoma para mantener ese pH.

Peroxisomas

Orgánulos con enzimas implicadas en reacciones metabólicas; se forman a partir de vesículas del RE y contienen peroxinas. Realizan reacciones de oxidación, degradan ácidos grasos de cadena larga, aminoácidos y otras moléculas raras. La catalasa descompone el peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno y lo utiliza para oxidar otras moléculas, evitando daño por radicales libres.

Citoesqueleto

Función: armazón estructural que mantiene la forma celular y determina la ubicación de los orgánulos; facilita el movimiento celular y el transporte intracelular.

Tres componentes principales

Microfilamentos de actina

Tienen polaridad y determinan direccionalidad; unen moléculas y forman filamentos que se organizan en estructuras de orden superior. La polimerización de actina está controlada por proteínas reguladoras y consume ATP. Colaboran con miosina para formar estructuras contráctiles. Funciones: mantenimiento de la forma celular, locomoción, contracción y citocinesis.

Microtúbulos

Cilindros rígidos y huecos formados por dímeros de tubulina alfa y beta. Tienen polaridad y se asocian a GTP. Son estructuras muy dinámicas debido a ciclos continuos de polimerización y despolimerización (inestabilidad dinámica dependiente de GTP en tubulina).

Centrosoma

Punto de nucleación de los microtúbulos. Contiene dos centriolos perpendiculares rodeados de material pericentriolar (región difusa). Usa proteínas motoras (kinesinas y dineínas) que consumen ATP para moverse.

Cilios

Proyecciones de la membrana plasmática basadas en microtúbulos. Los cilios primarios tienen función sensorial (detectan movimiento, olores, luz). Los cilios móviles presentan un axonema con estructura 9+2 y participan en locomoción celular y el desplazamiento de fluidos.

Filamentos intermedios

Tienen función estructural y de soporte; no presentan polaridad ni participan en transporte activo. Están formados por proteínas fibrosas (por ejemplo, queratinas, vimentina, lamins).

Núcleo

En el núcleo tienen lugar la replicación del ADN, la transcripción del ARN y el procesamiento postranscripcional. Separa el genoma del citoplasma. Componentes principales:

• Envuelta nuclear: Dos membranas; la externa es continua con el RE y tiene ribosomas asociados. El espacio intermembrana está conectado con el lumen del RE. La membrana interna contiene proteínas integrales que anclan la lámina nuclear.
• Lámina nuclear: Constituida por láminas cuya función es el soporte estructural del núcleo.
• Poros nucleares: Estructuras toroides formadas por nucleoporinas que controlan el tráfico de moléculas entre núcleo y citoplasma.
• Cromatina: Formada por ADN y proteínas y ocupa gran parte del volumen nuclear. Presenta dos formas: heterocromatina (más compacta, densamente empaquetada, generalmente inactiva transcripcionalmente y asociada a la periferia nuclear) y eucromatina (menos compacta y transcripcionalmente activa).

Dogma central y control génico

Dogma genético: Explica el flujo de información genética: replicación → transcripción → traducción.

• Replicación: Duplicación de la información genética; la síntesis de ADN es direccional: las ADN polimerasas unen nucleótidos en el extremo 3' libre y polimerizan en dirección 5'→3'. Es semiconservativa y utiliza dNTPs.
• Transcripción: La información genética se usa para sintetizar ARN mensajero (ARNm).
• Traducción: El ARNm sirve como plantilla para la síntesis de una proteína concreta.

Replicación del ADN

Proceso de duplicación del ADN para transmitir una copia exacta de la información genética a la siguiente generación celular. A través de la reproducción se asegura que cada célula hija contenga la misma información que la célula madre.

Tipos de células:

• Germinales: Producen gametos (óvulos y espermatozoides); alteraciones pueden causar infertilidad o mutaciones heredables.
• Somáticas: Constituyen el resto del cuerpo; la acumulación de daños puede contribuir al envejecimiento y al cáncer.

Origen de replicación

El punto de origen lo determina una secuencia de nucleótidos específica. Se generan dos hebras que forman una burbuja de replicación con dos horquillas de replicación, una que avanza a la derecha y otra a la izquierda. En la horquilla se sintetiza ADN nuevo y las ADN polimerasas se asocian al replisoma en el siguiente orden (resumiendo):

1. Helicasa replicativa (por ejemplo, CMG en eucariotas): separa las dos hebras complementarias.
2. Proteínas SSB (single-strand binding): protegen la hebra simple.
3. Complejo primasa–ADN polimerasa alpha: sintetiza primers formados por ARN.
4. Complejo cargador de la abrazadera (clamp loader): une la abrazadera (sliding clamp) que marca los extremos 3' de los primers y los estabiliza.
5. ADN polimerasa epsilon: sintetiza la hebra líder de manera continua.
6. ADN polimerasa delta: sintetiza la hebra rezagada de forma intermitente (fragmentos de Okazaki).

Transcripción

La transcripción es la copia de un fragmento de ADN en forma de ARN para después sintetizar proteínas. La ARN polimerasa separa las hebras de ADN en el punto donde comienza la transcripción y utiliza la hebra molde para crear la copia de ARN. La secuencia de nucleótidos de la hebra molde determina el orden de nucleótidos en el ARN producido.

La hebra codificante es la que no sirve de molde directamente para la transcripción; su secuencia es equivalente al ARNm (excepto T→U).

Mecanismo de transcripción en procariotas (resumen)

1. La ARN polimerasa se une a factores sigma y avanza hasta la secuencia promotora.
2. La ARN polimerasa separa las dos hebras de ADN en el punto donde comenzará la transcripción.
3. La ARN polimerasa concatena nucleótidos en varios intentos hasta lograr una cadena inicial estable (~10 nt).
4. Se libera el factor sigma y comienza la fase de elongación.
5. La ARN polimerasa avanza y transcribe hasta encontrar una secuencia de terminación.
6. La ARN polimerasa se detiene en esa secuencia.
7. La ARN polimerasa, el ARN recién transcrito y la secuencia de ADN se separan.
8. La ARN polimerasa puede encontrar un nuevo factor sigma y repetir el proceso.

Transcripción en eucariotas

En eucariotas existen tres ARN polimerasas especializadas, promotores más complejos y la necesidad de un complejo mediador y varios factores de transcripción para iniciar la transcripción correctamente.

Procesamiento postranscripcional: splicing

El ARNm primario en el núcleo es inmaduro y necesita splicing antes de salir al citoplasma. El gen suele contener secuencias discontinuas: exones (secciones que codifican proteína) e intrones (no codificantes). El splicing elimina intrones y une exones para formar el ARNm maduro.

Ventajas de los intrones: presencia de secuencias reguladoras, permiten que un mismo gen codifique más de una proteína mediante splicing alternativo, y facilitan la evolución de nuevas proteínas.

Traducción

La traducción interpreta la información del ARNm para generar una secuencia de aminoácidos que formará una proteína concreta. Componentes: ARNm, aminoacil-ARNt sintetasa, ARNt y ribosomas.

Ribosomas

Son las fábricas de proteínas: leen codones del ARNm y añaden aminoácidos a la cadena polipeptídica en crecimiento, que luego se pliega para formar la proteína. Pueden estar libres en el citoplasma o asociados al RE. Tienen dos subunidades: la grande (contiene el centro peptidil transferasa, donde se forma el enlace peptídico) y la pequeña (contiene el centro de decodificación donde se une el aminoacil-ARNt).

Mecanismo de iniciación (resumen): la subunidad pequeña se une al ARNm junto con el aminoacil-ARNt iniciador (metionina), escanea la secuencia hasta encontrar AUG; luego se une la subunidad grande y comienza la elongación. Durante la elongación el ribosoma lee el ARNm codón a codón; al llegar a un codón de parada, la traducción se detiene y la proteína se libera.

Código genético y mutaciones

Reglas del código genético: Se lee en dirección 5'→3'. Los codones no se solapan y no hay huecos; el marco de lectura es fijo y suele comenzar en AUG. Un codón es una secuencia de 3 nucleótidos. Existen 64 codones: 61 codifican los 20 aminoácidos y 3 son codones de parada.

Mutaciones puntuales

Alteraciones en la secuencia de ADN de un gen que pueden cambiar el significado de un codón:

• Mutación silenciosa: No tiene consecuencias en la proteína porque el cambio en el codón codifica el mismo aminoácido.
• Mutación sin sentido (nonsense): El cambio genera un codón de parada prematuro, dando lugar a una proteína truncada y generalmente no funcional.
• Mutación por cambio de marco (frameshift): Inserción o deleción de nucleótidos no múltiplos de 3 que alteran el marco de lectura, produciendo generalmente una proteína distinta, no funcional o tóxica.
• Mutación de cambio de sentido (missense): Sustitución de un nucleótido que resulta en el cambio de un aminoácido por otro, pudiendo alterar la función de la proteína.

Nota: Se han corregido ortografía, gramática y estilo manteniendo todo el contenido original y su intención científica, y organizándolo en secciones y listas para mejorar la legibilidad y su optimización para búsqueda.