Histología del aparato digestivo de poliquetos

 Histología del aparato digestivo de poliquetos

Marco A. Peña  F.CC.BB. UNMSM

Resumen: En este trabajo se describirá las características histológicas principales del sistema digestivo de los poliquetos tomando como modelos biológicos a  Amphitrite johnstoni  y Terebella lapidaria  y como referencias principales los trabajos de Dales 1955 y Sutton 1957 

Palabras claves: poliqueto, tubo digestivo, células zimógenas, tejido excretor y tejido epitelial ciliado.

Introducción: Los poliquetos constituyen la clase más amplia dentro de los anélidos, con más de 10 000 especies, casi  todas marinas (Hickman 2009). Según Brusca y Brusca (1990) se les considera un grupo monofilético  y son considerados cosmopolitas ya que habitan en zonas bentónica, pelágicas, batiales, abisales y hasta hadales (Viétez 2004). Los poliquetos errantes son principalmente depredadores y excavadores mientras que los sedentarios se alimentan de partículas en suspensión o son detritívoros. El tubo digestivo de los poliquetos es en general rectilíneo y se puede dividir en 3 partes: Región anterior: estomodeo, faringe y esófago anterior; región media: esófago posterior, estomago glandular y muscular  e intestino anterior y por último la región posterior: intestino posterior y ano (Hickman 2009).

Aparato digestivo: generalidades

La boca conduce a un largo esófago estrecho que se abre a una amplia de pared delgada de estómago anterior. Una región faríngea no puede estrictamente distinguirse. La delantera del estómago se abre en un estómago posterior, fácilmente reconocible por la gruesa capa de músculo que le da un aspecto brillante, y pasa a una región intestinal que conduce hasta el ano. La parte anterior de la intestinal región es en espiral y la parte posterior es recta y apoyada por septos. (Dales 1955).  

Región anterior

Está tapizado por cutícula y cuando presenta mandíbula son  de proteína cuticular (Hickman 2009). Esta región está constituida por:

Estomodeo

El estomodeo está formado por  un labio superior, labio inferior y un saco ventral. Teniendo cada uno características histológicas distintas.

La región posterior del labio superior  externamente es constituida por un tejido epidérmico columnar ciliado  revestido por músculos longitudinales y circulares débilmente desarrollados. Este tejido epitelial aumenta en altura progresivamente al aproximarse a las regiones central y proximal del labio y del esófago. Todas las células epiteliales parecen ser capaces de secreción de mucosa. Inmediatamente se encuentra el tejido   conectivo que aumenta en profundidad  con respecto aumenta la altura del tejido epitelial columnar. Están asociados músculos dorso-laterales, un gran plexo nervioso y vasos sanguíneos esenciales  para la producción de moco.  

La región anterior del labio superior, superficialmente está compuesta por tejido epitelial monoestratificado   e internamente por tejido conectivo.

El labio inferior está separado de la peristomio por una ranura profunda  y del saco ventral por una indentación muy superficial.

La región exterior del labio está cubierta por un epitelio de la altura variada. La región que forma la pared anterior de la ranura que delimita el labio del peristomio siempre contiene muchas células secretoras de moco columnares.

La región interna de labio está revestida por tejido glandular. En esta región se encuentran asociada células mioepitelial que ayudan a la expulsión de las secreciones. 

Posterior al labio inferior se encuentra el saco ventral  cuya pared anterior tiene células idénticas a las de la región de labio interior. El cojín ventral incluye células similares pero intercaladas entre ellas, en muchos especímenes, con células secretoras de moco, acompañadas por tejido glandular. La pared posterior esta revestida por tejido epitelial cubico, es delgada y débilmente asociada a secreción de moco.

Esófago

El esófago tiene externamente un epitelio cubico ciliado, luego tejido glandular bien desarrollado e internamente tejido conectivo.  Aparentemente, una variación considerable en el grado de desarrollo de un espécimen a otro. Las diferencias pueden ser correlacionadas con la variación en la longitud del esófago. De las dos capas musculares longitudinal es la relativamente mejor desarrollado que el circular.

Región media

La parte anterior de esta región secreta las enzimas necesarias para la digestión mientras la parte posterior se encarga de la absorción (Hickman 2009). Está formado por:

Estomago

El estómago que se subdivide en regiones glandulares y musculares

a) Estomago glandular: no tiene forma fija, sino que más o menos se puede dividir en regiones anterior y posterior. Cada una se  dilata y se contrae alternativamente. En la dilatación de la pared está llena de un epitelio estrecho cubico, con sólo unos pocos bajo pliegues, pero en la contracción que se echa en los pliegues más profundos con un epitelio más alto columnar. Hay un ritmo irregular de alternar la contracción y dilatación de las regiones anterior y posterior.

 Externamente a las células hay una capa de moco, sin duda, derivado del esófago, ya que el propio estómago no produce moco.

En general las células que revisten el estómago se le llaman células zimógenas estas pueden ser células glandulares o de absorción, posiblemente las mismas células pueden cumplir ambas funciones.  Las células glandular se encargan de producir las enzimas proteolíticas necesarias en la digestión estas  son columnares ; mientras el otro tipo son las células de absorción que son cubicas y se encargan de la absorción de las proteínas digeridas.

  

Bibliografía:

• ·         DALES, R. P. (1955). Feeding and digestion in terebellid polychaetes. J. Mar. biol. Ass. U.R. 34. 65.
• ·         Hickman C.P. Roberts L.S. Larson A. l’Anson H. & Eisenhour D.J. 2006. Principios Integrales De Zoología. 14ª Ed. McGraw-Hill Interamericana. Madrid. 364-366 pp
• ·         SUTTON, M. F. (1957, December). The feeding mechanism, functional morphology and histology of the alimentary canal of Terebella lapidaria L.(Polychaeta). In Proceedings of the Zoological Society of London (Vol. 129, No. 4, pp. 487-523). Blackwell Publishing Ltd.
• ·         VIEITEZ, J.M., At s, C., PARAPAR, J., BESTEIRO, C., MOREIRA, J., NONEZ, J., IABORDA, J. y SAN MARTIN, 0., 2004. Annelida, Polychaeta I. En: Fauna lberka, vol. 25. ItAmos, M.A. et al. (Eds.). Museo Nacional de Ciencias Naturales. CSIC. Madrid. 13, 21, 34 y 37 pp.

Metabolitos secundarios en plantas

Metabolitos secundarios en plantas

A diferencia de los carbohidratos, proteínas, ácidos nucleicos y lípidos, los metabolitos secundarios no son esenciales para el crecimiento y desarrollo básicos del vegetal, pero desempeñan un papel importante en la supervivencia de numerosos vegetales, especialmente al proporcionarles protección contra la actuación de herbívoros y contra las enfermedades. Existen tres categorías principales de metabolitos secundarios: fenoles, alcaloides y terpenoides.

-Fenoles

Formados fundamentalmente por los aminoácidos fenilalanina y tirosina, son un grupo de hidrocarburos con numeroso y diferentes anillos, que carecen de nitrógeno en su estructura. En su mayoría, los fenoles fortalecen los vegetales o los protegen de diversas amenazas. En numerosos casos, se han vuelto lo suficientemente necesarios como para que los vegetales lleguen a producirlos en grandes cantidades. Aproximadamente el 40% del carbono que circula por la biosfera lo hace en forma de compuestos fenólicos, que se  encuentran con frecuencia en las paredes celulares y vacuolas de las células que los producen. Los principales tipos de fenoles son las ligninas, los flavonoides y los compuestos alelopáticos.

Ligninas:

Son moléculas fenólicas complejas que fortalecen las paredes celulares y repelen los herbívoros. los árboles no podrían crecer en altura sin la presencia de ligninas en sus paredes celulares. Las ligninas son la segunda molécula orgánica específica más común después de la celulosa, pues constituyen el 30% del tejido vegetal. Su presencia en las paredes celulares ha sido descrita como "incrustante". En algunas células de las plantas leñosas, cuando comienza la síntesis de lignina, las células ya han iniciado las fases finales de muerte celular programada para convertirse en traqueidas o elementos del vaso. De hecho, la palabra lignina se deriva de lignum, el término latino para madera. 

Estructura química de la lignina

La lignina brinda a la madera la dureza que la caracteriza

Flavonoides:

Engloban miles de moléculas solubles en agua y son típicos de las frutas y hortalizas. Algunos disuaden a los herbívoros y previenen la descomposición bacteriana, como en el caso de los compuestos ácidos de color marrón conocidos como  taninos, que pueden utilizarse para preservar las pieles. Muchos flavonoides, como el licopeno de tomates y las procianidinas de las manzanas, uvas y frezas, se utilizan en medicina como agentes antivirales y para contribuir al control y prevención del cáncer y de enfermedades cardiovasculares. También poseen otras funciones, como potenciadores del sabor o aromáticos, como la pimienta negra, clavo de olor o jengibre. Los flavonoides conocidos como antocianinas originan los colores rojo, azul y morado de algunas flores, que atraen a los insectos polinizadores y a otros organismos.

 

Estructura química de la cianidina

La cianidina, un flavonide, es el responsable del color de
las rosas y otras flores

Compuestos alelopáticos:

Están formados por fenoles secretados por las raíces del vegetal o lixiviados de las hojas por la lluvia o niebla. Inhiben a los vegetales vecinos y, en consecuencia, disminuyen la competencia por luz y minerales.

Ruta a seguir por un compuesto alelopático

-Alcaloides

Formados por algunos aminoácidos, tienen como función primaria proteger a los vegetales contra los herbívoros. Son compuestos en forma de anillo, de los cuales al menos uno contiene nitrógeno. Poseen una estructura muy variable, compuesta fundamentalmente por los aminoácidos triptófano, tirosina fenilalanina, lisina y arginina. Existen mas de 12 000 tipos de alcaloides conocidos, producidos por el 20% de las plantas con flores. Disuaden a los insectos herbívoros y suelen afectar al sistema neurológico de los animales. Numerosos alcaloides son muy útiles en medicina por sus efectos neurológicos y en la división celular. A continuación se muestra los principales alcaloides:

-Terpenoides

Protegen a los vegetales de herbívoros y de enfermedades. Tres acetatos se combinan para formar una subunidad de isopreno de cinco carbonos, más una molécula de dióxido de carbono. Las subunidades de isopreno se ligan entonces entre sí para constituir las distintas clases de terpenoides, que pueden comprender 10, 15, 20, 30 o miles de carbonos (látex). Entre los terpenoides encontramos el pelitre (insecticida producido por el crisantemo); numerosos aceites esenciales como el mentol; las resinas adhesivas producidas por los pinos y otros árboles afines y el látex. La gran cantidad de terpenoides producidos por los vegetales es el causante de una parte substancial de la neblina azul que se observa sobre las montañas, colinas y campos cuando el clima es cálido. Su función no está muy clara, pero puede que representen una especie de protección interna del vegetal contra temperaturas elevadas.

Bibliografía:

• Introducción a la Botánica-Murray Nabors, Pearson Educación, pág 183-186.
• http://es.wikipedia.org/wiki/Metabolitos_secundarios_de_las_plantas
• http://es.wikipedia.org/wiki/Compuesto_fen%C3%B3lico
• http://es.wikipedia.org/wiki/Alcaloide

Transpiración en plantas

Transpiración en plantas

Observaciones sencillas muestran que la planta pierde agua agua casi continuamente, así; si la planta no se riega, pierde peso y se marchita; colocando una bolsa de plástico sobre la planta, al poco tiempo, aparecen gotitas en la pared interior de la bolsa. La transpiración se realiza mayoritariamente por las hojas, y concretamente en éstas por los estomas que son células especializadas que realizan el intercambio gaseoso en la hoja.

microfotografia de un estoma visto a través de un
microscopio de campo claro

Si aplicamos a una hoja un papel seco de CoCl2 azul, con el agua que se pierde por transpiración se hidrata y toma color rosa. La distribución de puntos rosados  en el papel se corresponde con la distribución de estomas en la superficie de la hoja.

cloruro de cobalto (izquierda) y cloruro de cobalto hidratado (derecha)

Rutas minoritarias para la pérdida de agua por transpiración son la cutícula que cubre toda la epidermis (excepto el orificio del estoma y las lenticelas de los tallos). A pesar de su gran superficie, la naturaleza hidrofóbica de la cutícula la hace muy impermeable. En su parte más externa, la cutícula está formada por ceras epicuticulares, que son una mezcla compleja de: ésteres de ácidos grasos y alcoholes de cadena larga, hidroxiácidos grasos, alcoholes libres, hidrocarburos y cetonas. La cutina es porción mayoritaria y más interna de la cutícula; consiste en una mezcla de hidorxiácidos grasos formando, con enlaces ésteres cruzados, una red macro molecular tridimensional.

La transpiración incluye dos etapas: 1.° evaporación del agua desde las paredes de las células del mesófilo a los espacios aéreos del mesófilo, 2.° difusión del vapor de agua desde los espacios aéreos del interior de la planta hasta el exterior, principalmente por los estomas. A la vez que que vía de salida para la transpiración, los estomas son la vía de entrada de CO2 que se utiliza en la fotosíntesis.

La magnitud de la transpiración es muy elevada; típicamente, una planta de maíz pierde unos 200 kg de agua durante su ciclo de vida, un árbol de envergadura media puede perder durante un mes de verano unos 5 000 kg de agua. Por gramo de materia seca producida la planta pierde, al menos, 100 g de agua en plantas de gran eficacia fotosintética y adaptadas a ambientes secos. Otras plantas pueden perder hasta 1 000 g. Para la mayoría de las plantas pueden cultivadas, la relación agua perdida/materia seca formada oscila entre 300 y 600.

A demás de transpirar agua las plantas liberan ciertos metabolitos
secundarios en esta fotografía niebla teñida con terpenos.

Entre el 50 y el 85 por 100 del agua de lluvia que cae en un terreno con vegetación vuelve a la atmósfera por la transpiración de las plantas, en una hora puede perder una hoja entre el 25 y el 50 por 100 de su propia masa. Está comprobado que en los terrenos forestales la lluvia es más recurrente que los que carecen de árboles y tienen, en cambio, arbustos; esto se debe en su mayoría a la transpiración ya que en los terrenos páramos el agua de lluvia se filtra hacia las corrientes subterráneas (napas freáticas) y se pierde hacia el océano, los árboles impiden que esto suceda con esa magnitud ya que los árboles al transpirar devuelven el agua hacia la atmósfera.

La magnitud de la transpiración varía mucho de unas plantas a otras: frente a los 2 o 3 kg de agua que pierde una planta de maíz en un día, una planta de cactus grande puede perder en ese mismo periodo sólo 25 g, lo que indica que las plantas usan muy diversos mecanismos para controlar la transpiración.

Bibliografía:

-Fisiología vegetal, Barcelo Coll editorial pirámide, pág 69-70.

-Introducción a la Botánica, Murray Nabors, Pearson Educación, pág 185.

Fotoinhibición

Fotoinhibición

Cuando las hojas se exponen a más luz de la que pueden utilizar, el centro de reacción del PSII es inactivado y dañado por un fenómeno llamado fotoinhibición. Las características de la Fotoinhibición en hojas intactas dependen de la cantidad de luz a la que la planta esté expuesta, de forma que se identifican dos tipos de fotoinhibición: la fotoinhibición dinámica y la fotoinhibición crónica.

Cambios en las curvas de respuesta a la luz de la
fotosíntesis provocados por la fotoinhibición

La fotoinhibición dinámica se produce con un exceso moderado de luz. La eficiencia cuántica disminuye aunque la tasa fotosintética máxima permanece invariable. La fotoinhibición dinámica está provocada por la desviación de la energía luminosa absorbida hacia la disipación de calor, de ahí el descenso en la eficiencia cuántica. Este descenso suele ser temporal y la eficiencia cuántica puede volver a su estado normal cuando el flujo fotónico disminuye por debajo de los niveles de saturación.

La fotoinhibición crónica se produce por exposición a niveles elevados de exceso de luz, que dañan el sistema fotosintético y disminuye tanto la eficiencia cuántica como la tasa fotosintética máxima. La fotoinhibición crónica está asociada con el daño y sustitución de la proteína D1 del centro de reacción del PSII. A diferencia de la fotoinhibición dinámica, estos efectos se mantienen durante semanas o meses.

En las primeras investigaciones sobre fotosíntesis sobre fotoinhibición se interpretaban  todos los descensos de la eficiencia cuántica como daños en el aparato fotosintético. Actualmente se reconoce que el descenso de la eficiencia cuántica a corto plazo parece reflejar mecanismos protectores, mientras que la fotoinhibición crónica representa daño real al cloroplasto como consecuencia de un exceso de luz o un fallo de los mecanismos protectores.

La fotoinhibición dinámica parece producirse normalmente a mediodía, cuando las hojas están expuestas a los mayores niveles de luz y se corresponde con una reducción en la fijación del carbono. La fotoinhibición es más acusada a temperaturas bajas y se convierte en crónica en condiciones climáticas extremas.

Bibiliografía:

Fisiología vegetal, Lincoln Taiz y Eduardo Zeiger, Universat Jaume-I 

Complejo evolucionante de oxígeno

Complejo evolucionante de oxígeno

La parte menos conocida de la fase luminosa es la extracción de los electrones del agua por parte del fotosistema II (PSII). El agua es una molécula muy estable formada por átomos de hidrógeno y oxígeno unidos con firmeza (covalentemente). De hecho, la división del agua es la reacción que implica el mayor desafío desde el punto de vista termodinámico de todas las que se conocen en los organismos vivos. Para separar el agua en el laboratorio se requiere una corriente eléctrica, o temperatura que se aproxima a 2 000 °C.

Fotosistema II

La absorción de la luz en el PSII conduce a la formación de dos moléculas cargadas, P680+ y Feo-(anión feotina); la molécula P680+ es el agente oxidante más potente descubierto en un sistema biológico. El potencial redox de la forma oxidada de P680 es suficientemente potente para extraer electrones de la molécula de agua, con lo que el agua se divide. La separación del agua durante la fotosíntesis se llama fotólisis. Se cree que la formación de una molécula de oxígeno durante la fotólisis requiere la pérdida simultánea de cuatro electrones de dos moléculas de agua:

2 H2O → 4 H+ + O2 + 4e-

Aún así, un centro de reacción del PSII sólo puede generar una carga positiva (P680+), o equivalente oxidante, por vez. Alrededor del decenio de 1970 Pierre Joliot u Bessel Kok propusieron  una solución a este problema, la hipótesis del estado S, que permite al fotosistema acumular cuatro equivalentes oxidantes necesarios para oxidar el agua. Junto a la proteína D1 (una de las proteínas del cuerpo central del PSII) es su superficie lumial, está un conjunto de cinco átomos metálicos -(cuatro átomos de manganeso y uno de calcio)-, estabilizado y protegido por diversas proteínas periféricas que forman el complejo evolucionante de oxígeno. La organización geométrica del cúmulo Mn-Ca se observa en ésta imagen:

Complejo evolucionante del oxígeno

 Éste acumula cuatro equivalentes oxidantes mediante transferencia de cuatro electrones, uno por vez, al P680+ cercano. La transferencia de cada electrón del conjunto de Mn-Ca a P680+ se realiza mediante el paso por un transportador intermediario de electrones, un residuo tirosina en la proteína D1, llamado Tirz. Luego de transferir cada electrón a P680+ y regenerar el P680, el pigmento se oxida de nuevo (a P680+) después de la absorción de otro fotón por el fotosistema. Por lo tanto la acumulación por pasos de los cuatro equivalentes oxidantes por el conjunto de Mn-Ca es impulsada por la absorción sucesiva de cuatro fotones de luz por el PSII. Una vez que esto sucede, el sistema ya puede catalizar la eliminación de 4e- de dos moléculas de agua, como se indica en el esquema siguiente:

  

donde el subíndice de S indica el número de equivalentes oxidantes almacenados por el grupo Mn-Ca. La primeva prueba de acumulación de equivalentes oxidantes sucesivos se obtuvo exponiendo células de algas con destellos muy breves (1 µs) de luz. En esta gráfica:

Mediciones de la cinética de la liberación de O2

puede verse que la producción de O2 es máxima después de cada cuatro destellos de luz, lo cual indica que debe acumularse el efecto de cuatro fotorreacciones individuales antes de que pueda liberarse O2.

Los protones que se producen en la reacción de fotólisis se retienen en la luz tilacoidal, donde contribuyen al gradiente de protones. Los cuatro electrones producidos en la reacción de fotólisis sirven para generar un cúmulo de Mn-Ca reducido (estado So), mientras libera O2 hacia el ambiente como producto de desecho. 

Bibliografía:

-Biología molecular y celular, Gerald Karp, novena edición, pág 220-222.

Control de la transcripción

Control de la transcripción 

Factores de transcripción

Función:

El control de la transcripción es orquestado por un gran número de proteínas llamadas factores de transcripción. Existen dos clases funcionales:

a) Factores de transcripción generales que se unen a los sitios promotores nucleares en relación con las RNA polimerasas.

b) Factores de transcripción para secuencias específicas que se unen a varios sitios reguladores de genes particulares,es decir son activadores o represores transcripcionales.

Genes individuales por lo común son controlados por muchos sitios reguladores de DNA diferentes.

Un solo factor de transcripción puede unirse a numeroso sitios del genoma y por lo tanto controlar  la expresión de diferentes genes de un hospedador.

Los factores de transcripción tienen sitios de gran afinidad preferido, la extensión a la que un gen particular se transcribe parece depender de la combinación específica de factores de transcripción. Los factores de transcripción tienen una superficie que promueve su unión a otros proteínas de estructura idéntica similar a un dímero, excepto los represores Lac que se unen como tetrámeros no como dímeros.

La función real de los factores de transcripción es unirse a sitios reguladores específicos en el DNA e iniciar la atracción de una gran cantidad de proteínas que permiten la transcripción real del gen. 

Motivos estructurales:

Las proteínas reguladoras han de reconocer secuencias específicas del interior de esta estructura. En un principio se pensó que para ser capaces de distinguir una secuencia de DNA de la otra, estas proteínas deberían acceder a los enlaces de hidrógeno situados entre las parejas de bases en el interior de la doble hélice. Sin embargo, actualmente se sabe que las proteínas reguladoras pueden reconocer la información acerca la  secuencia de DNA desde el exterior de la doble hélice, sin necesidad de abrirla. El borde de esta pareja de bases está expuesto en la superficie de la doble hélice, presentando un patrón característicos de aceptadores y dadores de enlaces de hidrógeno y parches hidrofóbicos reconocibles por proteínas, tanto en el surco mayor como en el menor. Sin embargo, solo en el surco mayor los patrones son marcadamente diferentes para cada uno de los cuatro apareamientos de bases. Esta es la razón de que por lo general las de regulación génica establezcan contactos específicos con el surco mayor.

1. Motivo hélice-giro-hélice: Consta de dos hélices alfa conectadas por una cadena de aminoácidos que forman el giro. La hélice más próxima al extremo carboxilo se denomina hélice de reconocimiento ya que se adapta al surco mayor del DNA; las cadenas laterales de sus aminoácidos, que difieren de una proteína a otra juegan un papel muy importante en el reconocimiento del DNA. El grupo de reconocimiento hélice-giro-hélice muestra un rasgo común a muchas proteínas de unión a secuencias específicas de DNA. Se unen como dímeros simétricos a secuencias de DNA que están formadas por dos "medios sitios" muy similares, también organizadas simétricamente. Como primera aproximación, al duplicar el número de contactos se duplica la energía libre de la interacción pero se eleva al cuadrado la constante de afinidad.
   
2. Dedos de Zinc: Se trata de dos grupos, el primer grupo fue descubierto inicialmente en la proteína que activa la transcripción del gen del RNA ribosómico eucariótico, se trata de una hélice alfa y una lámina beta que el zinc mantiene unidas. Este tipo de dedo de Zinc se encuentra frecuentemente agrupado con otros dedos de zinc, organizados uno detrás de otro. Otro tipo de dedos de zinc se encuentran en genes que codifican proteínas receptoras intracelulares. Esta clase de dedos de zinc forma una estructura diferente en la que dos hélices alfa se mantienen juntas mediante dos átomos de zinc. Ambos utilizan la hélice alfa para reconocer el surco mayor del DNA. 
   
   
   
   
3. Lámina beta: En este caso la información sobre la superficie del surco mayor es leída por un lámina beta de dos hebras.
4. Cremallera de Leucina: Se denomina así por la forma en que dos hélices alfa, una en cada monómero, se mantienen unidas formando un corto sobreenrrollamiento. Exactamente después del dominio de dimerización, las dos hélices alfa se separan una de la otra, formando una estructura en forma de "y", lo que permite a sus cadenas laterales entrar en contacto con el surco mayor del DNA.
   

Hormona glucocorticoide:

Cuando una hormona glucocorticoide(grupo de hormonas esteroideas secretadas por la glándula suprarrenal) entra en una célula blanco, se une a la proteína receptora de glucocorticoides en el citosol y altera la conformación de ésta. Este cambio expone una señal de localización nuclear que facilita la translocación del receptor hacia el núcleo. Una vez en el núcleo el complejo receptor-hormona cumple la función de una factor de transcripción(antes de eso se dimeriza, como ya se mencionó anteriormente).

Activación de la transcripción: función de los potenciadores, promotores y coactivadores

La expresión de la mayor parte de los genes también se regula mediante elementos del DAN aún más distantes, estos son los potenciadores. Los potenciadores pueden ubicarse corriente arriba o corriente abajo del sitio de iniciación. Un gen típico de un mamífero puede tener diferentes potenciadores diseminados en el DNA localizado en la vecindad del gen.

Los potenciadores y los promotores centrales pueden colocarse en la proximidad estrecha porque el DNA involucrado es capaz de formar un asa mediante interacciones con proteínas vinculadas.

Los factores de transcripción realizan su tarea por la acción de intermediarios conocidos como coactivadores.

a- Los que interactúan con componentes de la maquinaria de transcripción basal.

b- Los que actúan en la cromatina para convertirla hasta cierto punto en inaccesible.

El control de la transcripción por vía hormonal se basa en la acetilación (activa) y metilación (reprime) de la cola de las histonas.

Activación de la transcripción en polimerasa pausadas

En algunos casos, la RNA polimerasa situada en uno de estos genes "en desactivación transcripcional"  en realidad inicia la síntesis de moléculas de RNA, pero no cambia hasta la etapa de elongación de la transcripción. En otros casos, la polimerasa  termina por sintetizar un RNA de 30 nucleótidos y después cesa su actividad. Cualquiera que sea el caso, nunca se generará un transcrito primario completo. Según un modelo, las moléculas de RNA polimerasa situadas en un punto distal a los promotores se mantiene en estado pausado por los factores inhibidores unidos (p. ej., DISF y NELF). La inhibición se libera cuando (1) éstos son fosforilados por cinasas estimuladoras y (2) factores de elongación son reclutados hasta llegar a la polimerasa. Los datos de los estudios anteriores has sugerido que algunos factores de transcripción pueden estimular la transcripción de algunos genes al actuar sobre la elongación de transcripción y también al inicio de este fenómeno. Puesto que no se necesita el ensamblaje de la maquinaria de transcripción en el promotor, la liberación inducida de las polimerasa pausadas puede facilitar la activación rápida de genes en respuesta a señales de desarrollo o del entorno.

Metilación del DNA

Uno de cada 100 nucleótidos porta un grupo metilo, este se une al carbono número cinco de  la citosina, ésta labor la lleva a cabo la enzima metil transferasa de DNA. El perfil de metilación del DNA se conserva durante todas las divisiones celulares repetidas, la enzima DNmT1 metila las cadenas de DNA hijas al copiar el perfil de metilación de las cadenas progenitoras.

La mayoría de los residuos de metil citosina se halla en secuencias repetidas no codificadoras transponibles.

Los piRNA (RNA asociados a piwi) actúan como mediadores de la supresión de elementos transponibles en células germinativas.

La metilación del DNA tiene dos funciones:

- Supresión general de elementos transponibles.

- Represión de la transcripción de genes específicos.

Una vez metilado el DNA de dichas regiones, los residuos de citocina, metilados, pueden actuar como sitios de unión para reclutar más enzimas modificadoras de histonas que reprimen y compactan la cromatina de ese promotor.

Impronta genómica:(genes impresos)

El que ciertos genes sean activos o inactivos durante el desarrollo temprano de mamíferos sólo depende si fueron aportados por la madre o el padre. Por ejemplo: el gen que codifica al factor de crecimiento fetal IGF2 sólo es activo en el cromosoma transmitido por el padre. En cambio, el gen que produce un conducto de potasio específico (KLQT1) sólo tiene actividad en el cromosoma heredado de la madre. Se dice que los genes de este tipo están impresos de acuerdo con su origen parental. La impronta puede considerarse un fenómeno epigenético, porque las diferencias entre los alelos son heredadas de uno de los padres no se basan en disimilitudes de las secuencias de DNA. Se estima que el genoma de los mamíferos contiene cuando menos 80 genes impresos localizados en diferentes grupos en los cromosomas.

Se piensa que la impronta de los genes ocurre como resultado de un proceso de metilación de ciertas regiones que controlan la expresión de los alelos femeninos o de los masculinos. En consecuencia, las versiones materna y paterna de los genes impresos difieren en su grado de metilación. 

El cáncer de mama

¿Cuán común es el cáncer de mama? Según la American Cancer Society, el cáncer de mama es el cancer más común entre las mujeres, aparte del cáncer de piel. Es una de las causas principales de muerte por cáncer en las mujeres, sólo después del cáncer de pulmón. Cada año se diagnostican casi 200,000 nuevos casos de cáncer de mama invasivo sólo en Estados Unidos. Algunos factores de riesgo para el cáncer de mama incluyen el sobrepeso (especialmente después de la menopausia), el uso de alcohol (más de dos tragos al día) y la falta de ejercicio. Algunos estudios muestran que fumar también es un factor de riesgo. Las mujeres con una historia familiar de cáncer de mama están en mayor riesgo.

Se estima que 10% de los casos de cáncer de mama son familiares y alrededor de la mitad de estas pacientes tienen mutaciones en un gen supresor de cáncer, el BRCA1 o el BRCA2. Cuando el producto proteínico normal del gen BRCA1 es fosforilado por una proteína quinasa específica, interactúa con el producto proteínico normal del gen BRCA2 y otros compuestos para reparar el daño al ADN. Las mujeres con una historia familiar de cáncer de mama (o de ovarios) deben buscar asesoría genética y considerar someterse a pruebas genéticas. Para quienes el resultado es positivo, ahora hay fármacos comerciales que disminuyen el riesgo de cáncer. Algunas mujeres escogen la cirugía preventiva. Aproximadamente 50% de los casos de cáncer de mama empiezan en el cuadrante

superior externo del seno. A medida que un tumor maligno crece, puede adherirse al tejido profundo de la pared torácica. Algunas veces se extiende hacia la piel, provocando hoyuelos. Por último, el cáncer se extiende al sistema linfático. Alrededor de dos tercios de los casos de cáncer de mama presentan metástasis (dispersión) hacia los nodos linfáticos para la época en que son diagnosticados

por primera vez. Cuando el diagnóstico y el tratamiento comienzan temprano, 86% de las pacientes sobreviven durante 5 años y 65% sobreviven durante 20 años o más. Las pacientes sin tratamiento tienen una tasa de supervivencia de sólo 20%. Los métodos comunes para el tratamiento del cáncer de mama incluyen la mastectomía (extirpación quirúrgica del seno), quimioterapia y tratamiento de radiación. La lumpectomía (extirpación quirúrgica sólo de la parte afectada del seno) en conjunción con tratamiento de radiación parece ser tan eficaz como la mastectomía en algunos casos. La quimioterapia es un tratamiento con fármacos que mata las células cancerosas. La quimioterapia a menudo se administra después de una intervención quirúrgica para matar cualquier célula cancerosa que hubiera podido desprenderse del tumor principal y escapado a la extirpación quirúrgica. Incluso en las primeras etapas del cáncer puede ocurrir metástasis; las células cancerosas pueden alejarse del tumor principal y establecer nuevos tumores en otras partes del cuerpo. La terapia dirigida implica el uso de fármacos más recientes especialmente dirigidos a ciertos cambios en las células cancerosas. La terapia dirigida a menudo se usa junto con quimioterapia. Por ejemplo, en alrededor una de cada cinco personas con cáncer de mama, la HER2, una proteína que promueve el crecimiento, está presente en cantidades anormalmente grandes sobre la superficie de las células cancerosas. Las células cancerosas con HER2 se dispersan de manera más agresiva que otras del mismo tipo sin HER2. Un anticuerpo monoclonal denominado Herceptina ayuda a hacer más lento el crecimiento de estas células. La Herceptina también podría estimular al sistema inmunológico para destruir de manera más efi caz el cáncer. Ahora se dispone también de anticuerpos monoclonales dirigidos a los nuevos vasos sanguíneos que abastecen a los tumores. Aproximadamente dos tercios de los cánceres de mama tienen receptores de estrógeno o progesterona. El crecimiento de este tipo de cáncer es mejorado por la circulación de estrógenos y progesterona. La extirpación de los ovarios de las pacientes con estos tumores alivia los síntomas y puede ocasionar la remisión de la enfermedad durante meses e inclusive años. Se han desarrollado fármacos (por ejemplo tamoxifeno e inhibidores de la aromatasa) que se contraponen a la acción de los receptores de estrógeno. Según la American Cancer Society, cuando el cáncer de mama está confinado al seno, la tasa de supervivencia de 5 años es casi de 100%. Puesto que la detección temprana del cáncer de mama incrementa bastante las posibilidades de cura y sobrevivencia, la autoexaminación y la detección son importantes. La American Cancer Society recomienda que las mujeres entre 20 y 39 años de edad deben someterse a un examen clínico de mama realizado por un profesional por lo menos cada tres años. Después de los 40 años de edad, las mujeres deben practicarse un examen anual de mama por parte de un profesional de la salud. Las mujeres de 40 años de edad o más deben realizarse un mamograma al año. La mamografía, un estudio radiológico del tejido suave de seno, es útil para la detección de lesiones muy pequeñas que pudieran no ser identificadas por exámenes rutinarios. En la mamografía, las lesiones aparecen en una placa de rayos X como áreas de densidad incrementada.

-Extraído de: Biología, Solomon et al., CENAGENOW, novena edición, pag 1090.

Los efectos de fumar

Según los Centros para el Control de Enfermedades de Estados Unidos, es el consumo de tabaco. Fumar cigarro mata más personas que la combinación de alcohol, accidentes automovilísticos, suicidio, SIDA, homicidios y el uso de drogas ilegales. Más de 443,000 personas mueren prematuramente cada año por fumar o ser fumador pasivo. Otras 8.6 millones de personas padecen graves enfermedades causadas por fumar.

Fumar tabaco es por mucho el factor de riesgo más importante del cáncer de pulmón, que es el tipo de cáncer más letal en todo el mundo. También está asociado con muchos otros tipos de cáncer y explica alrededor de 30% de todas las muertes por cáncer. Fumar tabaco es también un importante factor de riesgo para enfermedades cardiovasculares, enfermedad pulmonar obstructiva crónica y muchas otras. A pesar de estos hechos desalentadores, alrededor de 20% tanto de los estudiantes de secundaria como de los adultos en Estados Unidos continúa fumando. (Esta cantidad es más de 43 millones de adultos estadunidenses y 71 millones de adolescentes).

El humo inhalado por los fumadores pasivos también es un conocido cancerígeno en los humanos. Se estima que provoca la muerte de 49,000 personas sólo en Estados Unidos. Millones de niños y adultos están expuestos a este humo en sus hogares y sitios de trabajo. Esta exposición ocasiona enfermedad y muerte prematura en niños y adultos que no fuman. Los bebés y los niños expuestos a inhalar el humo del cigarro de los demás están en riesgo creciente de padecer el síndrome de muerte súbita del infante (SIDS por sus siglas en inglés), infecciones respiratorias agudas, neumonía, bronquitis, infecciones en los oídos y asma. En los adultos, aspirar el humo del cigarro de los demás provoca enfermedad cardiovascular y cáncer de pulmón. Alrededor de 60% de los no fumadores en Estados Unidos presentan evidencia biológica de exposición al humo como fumadores pasivos.

La nicotina es altamente adictiva; así como la morfina, las anfetaminas y la cocaína, incrementa la concentración de dopamina en el sistema límbico. Esta área ayuda a integrar las emociones y la dopamina puede facilitar el aprendizaje de una asociación entre los efectos placenteros de la droga y otros estímulos, como el olor del humo del tabaco. La nicotina, como la cocaína y otras drogas de las que se abusa, provoca cambios a largo plazo en el cerebro. La señalización celular y otros mecanismos subyacentes en la adicción a las drogas son muy semejantes a los del aprendizaje y la memoria.

Se estima que 70% de los fumadores (más de 33 millones) desean dejar de fumar, pero cada año sólo 2.5% lo logran de manera permanente. La sustitución de la nicotina por goma de mascar, parches, aerosoles nasales, inhaladores o pastillas ha demostrado ser eficaz como ayuda para dejar de fumar, especialmente cuando se usa con terapia del comportamiento. Ciertos antidepresivos se usan para reducir el ansia de nicotina. Un medicamento de prescripción más reciente (Chantix) funciona al bloquear los receptores de nicotina en el cerebro. Reduce el síndrome de abstinencia de la nicotina y también disminuye los efectos placenteros de fumar.

A continuación se presentan algunos hechos sobre el hábito de fumar:

• Fumar acorta la vida de un adulto masculino fumador por 13.2 años en promedio y la de una mujer fumadora por 14.5 años en promedio.
• Si se fuma más de un paquete de cigarros al día se tiene 20 veces más probabilidad de adquirir cáncer de pulmón que un no fumador. Según la American Cancer Society, fumar cigarros provoca casi nueve de cada diez muertes por cáncer de pulmón.
• Si usted fuma, duplica sus posibilidades de morir a causa de una enfermedad cardiovascular.
• Si usted fuma, tiene 20 veces más probabilidades que un no fumador de desarrollar bronquitis crónica y enfisema. Alrededor de 90% de todas las muertes por asma, enfisema o enfermedad pulmonar obstructiva crónica son provocadas por fumar cigarros.
• Si usted fuma, tiene alrededor de 5% menos oxígeno circulando en su sangre (porque el monóxido de carbono se une a la hemoglobina) que un no fumador.
• Si usted fuma cuando está embarazada, su bebé pesará alrededor de 170 g menos al nacer, y hay un mayor riesgo de aborto, nacimiento prematuro (parto temprano), muerte fetal y síndrome de muerte súbita del infante.
• Los infantes cuyos padres fuman tienen el doble del riesgo de contraer neumonía o bronquitis en su primer año de vida.
• No hay ningún nivel libre de riesgo cuando hay exposición al humo del cigarro de los demás. Las personas no fumadoras que están expuestas al humo del cigarro incrementan su riesgo de desarrollar enfermedad cardíaca entre 25% y 30%, y cáncer de pulmón, entre 20% y 30%.
• Cuando los fumadores dejan de fumar, su riesgo de morir por enfermedad pulmonar obstructiva crónica, enfermedad cardiovascular o cáncer decrece gradualmente. (Cambios precisos en el riesgo dependen del número de años que ha fumado la persona, el número de cigarros consumidos al día, la edad a la que empezó a fumar y el número de años desde que dejó de fumar.)
• Casi cada estadunidense que empieza a fumar es un adolescente (cada día, más de 3500 adolescentes fuman su primer cigarro). Alrededor de la tercera parte de ellos morirá prematuramente a causa de una enfermedad relacionada con fumar.
• Mientras más pronto empieza a fumar una persona, tiene más probabilidad de ser un adulto fumador.
• Los costos médicos directos por el uso de tabaco ascienden a más de 96 mil millones de dólares al año.
• Los productos de tabaco sin humo (para aspirar o mascar) no constituyen una alternativa segura en vez de fumar tabaco. Todas las formas de estos productos tienen sustancias químicas que provocan cáncer.

El fumador-Vincent van Gogh 

-Extraído de: Biología, Solomon et al., Cenagenow, novena edición, pag 1008.

Terapia con células madres medulares

Terapia con células madres medulares

Las células madres o steam cell tiene la particularidad que, durante la división celular,  una de las células hijas resultantes mantiene las características de la célula madre original mientras que  la otra célula hija varia ligeramente. Las células madre pueden ser clasificadas en base al repertorio de tipos celulares en que se pueden diferenciar. El cuerpo humano en su adultez está compuesto  aproximadamente por 75 billones de células y todas estas células provienen de una primera célula madre por excelencia  a la que se le llama totipotencial, lo puede todo.

Con respecto transcurren las divisiones celulares se va perdiendo la totipotencialidad, estas pérdidas de atributos  transforman a las células en otras más específicas que generan los distintos órganos o sistemas derivados de las tres capas embrionarias básicas,  a estas células madres se les denomina multipotenciales. Las células madre pluripotenciales  pueden generar todas las células provenientes de una de las capas embrionarias básicas, un ejemplo seria las células de la medula ósea, pues dan origen a todas las células de la sangre.

Otro tipo son las células madre órgano-especifica que pueden generar  un órgano específico, estas células están dispuestas por en los órganos y son activadas durante una lesión  para repararlo o renovarlo. Un ejemplo es la reparación del musculo esquelético que se da gracias a los mioblastos. Estos mioblastos son células madres con potencialidad reducida,  unipotenciales,  solo puede dar origen al tejido muscular del que provienen. Estas células reparan al tejido después de una lesión, sin embargo, durante una lesión severa tanto las células funcionales como los mioblastos mueren por lo tanto los mioblastos sobrantes no pueden dar abasto a la magnitud del daño.

La reparación orgánica en base a la implantación de células madres se fundamenta en ayudar al proceso de autorreparación, mediante la inserción de células madres que se intenten diferenciar y reproducir la histo-arquitectura del órgano a reparar. Debido a que las células órgano-especificas son difíciles de obtener se utilizan las células madres de la medula osea, especialmente del hueso de la cadera, estas células se diferencian según el medio en el que se les coloquen. Si se les colocan en el órgano cardiaco estas se dividirán y adquirirán las características cardiacas igualmente sucederá si se les coloca en el cerebro, hígado o páncreas.

La mayor experiencia clínica se tiene en regeneración orgánica en el corazón, en caso de infarto al miocardio, sin embargo no se tiene evidencias científicos de los efectos a largo plazo por esa razón, este tratamiento se propone cuando las terapias convencionales fallan.

El corazón normal actúa como una bomba impulsora que hace circular la sangre, elemento  líquido que transporta nutrientes y oxígeno a todas las células del organismo, de su correcto funcionamiento depende la integridad de todas las estructuras corporales.

El corazón enfermo surge del daño de sus componentes y si estos daños son importantes sobreviene la insuficiencia cardiaca, es importantes saber el origen de estos daños para utilizar la técnica adecuada, en general las causas pueden ser:

1. Oclusión de las arterias coronarias.

2. Daño de las válvulas por alguna infección o por un mal congénito.

3. Miocardiopatía idiopática que es el agrandamiento y disfunción cardiaca.

4. Daño en los músculos cardiacos, en la matriz extracelular o en los pequeños vasos sanguíneos. 

Tanto el la oclusión de las arteria coronarias como el daño en las válvulas si persisten en el tiempo pueden desencadenar una miopatía dilatada, al alterar la dinámica de las presiones dentro de las cavidades, lo que hace la arquitectura interna y externa, microscópica y macroscópica se distorsionen. Este fenómeno es conocido como remodelación cardiaca  y origina un corazón dilatado.

Este agrandamiento si bien es aliviador al comienzo sin embargo a la larga se evidencia una pérdida de eficiencia cardiaca que se manifiesta mediante los síntomas: fatiga muscular al momento de caminar, la sensación de falta de aire, palpitaciones, dolor de pecho, dificultad para permanecer acostado. La aparición de estos síntomas indica que el corazón no es suficiente para mantener la circulación adecuada de la sangre y la enfermedad se denomina insuficiencia cardiaca o disfunción cardiaca. 

Para el tratamiento de daños severos al corazón el trasplante total o parcial del corazón ha demostrado ser el más efectivo, sin embargo, es aplicable solo a un  pequeño número de pacientes debido al limitado número de donadores, en esta situación los pacientes de insuficiencia cardiaca se sitúa en una línea media ya que no poseen un daño suficientemente severo como para acceder a  la lista de trasplante de corazón pero tampoco tienen una calidad de vida muy favorable.

El tratamiento alternativo de la insuficiencia cardiaca puede intentarse reparando algunas o todas las estructuras cardiacas dañadas. La terapia tendría la función de portar células madres con potencialidad aumentada, que podrían transformarse o inducir la formación de células cardiacas funcionales y de vasos sanguíneos, y también cambios en la estructura molecular de la sustancia extracelular.

Para poder realizar el cardioimplante de células madre primero se debe elegir el tipo de celula madre a utilizar esto depende del grado de preparación del personal médico, los costos y los objetivos: angiogénesis o miogenesis.

Si se opta por mioblastos se tiene que realizar una biopsia de músculos esqueléticos de la pierna para luego entregárselo a un laboratorio de biología celular para que lo procesen y cultiven hasta tener un buen número de células

El uso de células madres óseas comienza con una punción iliaca para la obtención de medula ósea, se puede utilizar la medula ósea entera o solo una parte. El siguiente paso es elegir una via de abordaje considerando el contexto de la enfermedad que lo generó: se puede mediante una inyección en la pared del corazón (vía intramiocardica), generalmente se usa cuando se requiere intervención quirúrgica; Se puede inyectar por vía coronaria; inyección transendocardica, desde el interior de la cavidad del ventrículo izquierdo; un método alternativo es guiar mediante fármacos como las citoquinas a las células madres hacia el corazón. 

Esta terapia logra elevar la calidad de vida del paciente con insuficiencia cardiaca  y hasta el momento no se ha encontrado efectos adversos por esta razón el uso de este tipo de terapias se hace  muy factible  al complementarlo con las terapias convencionales.

Bibliografía

• Celulas madre-Jorge trainini et all

Experimento de Beadle y Tatum

Experimento de Beadle y Tatum

A principios de la década de 1940 George Beadle y Edward Tatum encontraron que una serie de reacciones biosintéticas controla fenotipos específicos, pero no fue claro si los genes mismos actuaban como enzimas o si ellos controlaban de alguna manera indirecta el funcionamiento de las enzimas.

Beadle y Tatum analizaron las mutaciones que interfieren con reacciones metabólicas conocidas que producen moléculas esenciales, como aminoácidos y vitaminas. Por varias razones importantes eligieron como organismo experimental un hongo (moho), la Neurospora rosa-naranja del pan de molde. La Neurospora tipo silvestre es de fácil crecimiento en cultivos. La Neurospora forma todas sus moléculas biológicas esenciales cuando se desarrolla en un medio de crecimiento simple (medio mínimo) que sólo contiene azúcar, sales y la vitamina biotina. Sin embargo, una cepa de Neurospora mutante que no pueda elaborar una cierta sustancia como un aminoácido, puede continuar desarrollándose si esa sustancia se agrega al medio de crecimiento.

La Neurospora también es un organismo experimental ideal porque inicialmente crece como un organismo haploide. La condición haploide le permite al investigador inmediatamente identificar a un alelo mutante recesivo; no existe un cromosoma homólogo que pudiera portar un alelo dominante que enmascare su expresión.

Beadle y Tatum empezaron por exponer miles de esporas asexuales haploides, Neurosporas tipo silvestre, a la acción de rayos X o a la radiación ultravioleta para producir cepas mutantes. Primero cultivaron cada cepa irradiada en un medio de crecimiento completo, que contenía todos los aminoácidos y vitaminas normalmente elaboradas por la Neurospora. Después probaron cada cepa en el medio mínimo descrito previamente. Entre el 1% y 2% de las cepas que crecieron en el medio completo no pudieron desarrollarse al ser transferidas al medio mínimo. Beadle y Tatum razonaron que estas cepas presentaban una mutación que impedía a los hongos producir un químico esencial para el crecimiento. Pruebas adicionales de la cepa mutante en medios con diferentes combinaciones de aminoácidos, vitaminas, y otros nutrientes, permitieron a los investigadores determinar el compuesto exacto requerido.

El trabajo con la Neurospora reveló que cada cepa mutante tuvo una mutación sólo en un gen y que cada gen sólo afectó a una enzima. Beadle y Tatum establecieron esta correspondencia uno a uno entre genes y enzimas como la hipótesis un gen-una enzima. 

La idea de que un gen codifica la información para producir una sola enzima perduró durante casi una década, hasta que nuevos resultados requirieron una modificación de esta definición.

A finales de la década de 1940, los investigadores empezaron a entender que los genes no sólo controlan enzimas sino también a otras proteínas. En 1949, el químico norteamericano Linus Pauling y sus colegas demostraron que una mutación de un gen individual altera la estructura de la hemoglobina. Esta particular forma mutante de hemoglobina está asociada con la enfermedad genética anemia falciforme.

En 1957, el bioquímico británico Vernon Ingram extendió la investigación de Pauling cuando determinó que la hemoglobina falciforme y la hemoglobina normal sólo difieren en un aminoácido. Estudios realizados por otros científicos demostraron que muchas proteínas están construidas de dos o más cadenas polipeptídicas, cada una de las cuales está bajo el control de un locus diferente. 

Por lo tanto, los científicos ampliaron la definición de un gen, al agregar que un gen es responsable de una cadena polipeptídica. Aunque esta definición ha demostrado ser sólo correcta de manera parcial los científicos siguen definiendo al gen en términos de su producto.

Cabe resaltar que tanto Beadle como Tatum se hicieron merecedores del premio Nobel de Medicina o Fisiología en 1958 por sus descubrimientos en la Genética moderna.

Bibliografía

-Biología, Solomon et al., CENAGENOW, novena edición, pag 283, 284.

Respiración aeróbica

Respiración aeróbica

La respiración aerobia es una serie de pasos en el que se almacena la energía liberada por la  escisión de una molécula de glucosa en moléculas de ATP, GTP, NADH y 

FADH2; y tiene como producto final CO2 y agua.

La degradación de una molécula de glucosa se puede expresar como sigue:

C6H12O6 + 6O2 + 6H2O → 6CO2 + 12H2O + E

Las fases de la respiración celular son las siguientes:

• Glucólisis: Una molécula de glucosa de seis carbonos se convierte en dos  moléculas de piruvato de tres carbonos. Parte de la energía de la glucosa se captura con la formación de dos tipos de portadores de energía, ATP y NADH. La NADH es una molécula reducida que transfiere energía mediante la donación de electrones, provenientes de un átomo de hidrógeno.
• Formación de acetil coenzima A: Cada piruvato entra a la mitocondria y se oxida a un grupo de dos carbonos (acetato). Luego se combina con la coenzima A, formando acetil coenzima. Se produce NADH y el dióxido de carbono se libera como un producto de desecho.
• El ciclo del ácido cítrico: El grupo acetato de la acetil coenzima A se combina con una molécula de cuatro carbonos (oxalacetato) para formar una molécula de seis carbonos (citrato). En el curso del ciclo, el citrato se recicla a oxalacetato, y el dióxido de se libera como producto de desecho. La energía se captura en forma de ATP y se reducen los compuestos de alta energía, NADH y FADH2.
• Transporte de electrones y quimiosmosis: Los electrones eliminados de la glucosa en las etapas anteriores se transfieren el NADH y del FADH2 a una cadena de compuestos aceptores de electrones. Como los electrones se pasan de un aceptor de electrones a otro, parte de su energía se utiliza para transportar iones de hidrógeno (protones) a través de la membrana mitocondrial interna creando así un gradiente de protones que impulsara a la ATPsintasa a producir ATP, este proceso es conocido como quimiosmosis.    

Glucólisis

En la glucólisis parte de la energía liberada por la escisión de la molécula de glucosa se captura en forma de dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH. Las reacciones de la glucólisis tienen lugar en el citosol.

glucólisis

Fases de la glucólisis:

1. La glucólisis comienza con la transferencia de un grupo fosfato del ATP a la molécula de glucosa; esta reacción es mediada por la enzima hexoquinasa (en todas las células del cuerpo) y glucoquinasa (en el hígado), la glucoquinasa a diferencia de la hexoquinasa es más lenta, sin embargo, no se inhibe fácilmente con las concentraciones elevadas de glucosa, por ello solo el hígado presenta esta enzima, de otro modo la reacción de glucólisis se ría imposible en las regiones donde exista una gran cantidad de glucosa, como en  el hígado.   El ATP sirve tanto de fuente de energías como de fosfato para la reacción. La glucosa fosforilada se conoce como glucosa-6-fosfato (porque el grupo fosfato se unió al carbono número seis de la molécula de glucosa). La fosforilación de la glucosa la hace químicamente más reactiva.
2. La glucosa-6-fosfato reorganiza sus átomos convirtiéndose en fructosa-6-fosfato, esta reacción es mediada por la enzima fosfoglucoisomerasa. Esta reacción, al igual que la anterior, hace a la glucosa químicamente más reactiva.
3. En esta reacción la enzima fosfofructoquinasa transfiere un grupo fosfato del ATP a la  fructosa-6-fosfato convirtiéndola en fructosa-1,6-bifosfato (los grupos fosfato están unidos a los carbonos uno y seis).
4. La fructosa-1,6-bifosfato se divide en dos azúcares de tres carbonos, el gliceraldehido-3-fosfato (G3P) y la dihidroxiacetona fosfato, esta reacción es mediada por la enzima aldolasa.
5. La dihidroxiacetona fosfato se convierte en su isómero, gliceraldehido-3-fosfato, esta reacción es mediada por la enzima triosafosfato isomerasa. 
6. Hasta este momento se han utilizado dos moléculas de ATP y una de glucosa y tenemos como productos dos gliceraldehido-3-fosfato (G3P). Cada molécula de gliceraldehido-3-fosfato se somete a deshidrogenación, con el NAD+ como aceptor de hidrógeno. El producto de esta reacción es el fosfoglicerato, que reacciona con el fosfato inorgánico presente en el medio (citosol) para producir 1,3-difosfoglicerato, esta reacción la lleva a cabo la enzima Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa. En total se han liberado dos moléculas de NADH + H+ ya que nuestro sustrato consistía en dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato.
7. Uno de los fosfatos de 1,3-difosfoglicerato reacciona con el ADP para formar ATP, esta reacción la se lleva a cabo en el citosol a una velocidad suficiente para satisfacer las necesidades energéticas de la célula gracias a la enzima fosfogliceroquinasa. Esta trasferencia de fosfato del intermediario fosforilado al ATP se conoce como fosforilación al nivel del sustrato, a ciencia cierta, esta reacción no lleva el nombre de fosforilación al nivel del sustrato, si no, como su nombre indica, esta locución se utiliza para agrupar a toda reacción que trasfiere un grupo fosfato directamente del sustrato a una molécula de ATP a diferencia de la quimiosmosis que utiliza la energía de gradiente de protones para producir una molécula de ATP.
8. El 3-fosfoglicerato se reordena por acción enzimática (fosfogliceromutasa) a 2-fosfoglicerato, en esta reacción se reordena la posición del grupo fosfato para, nuevamente, incrementar la reactividad de la molécula.     
9. En esta reacción se libera un molécula de agua (al ser dos moléculas de 2-fosfoglicerato en realidad se estaría produciendo dos moléculas de agua), lo que resulta en la formación de un doble enlace, esta reacción es mediada por la enzima enolasa y tiene como producto fosfoenol-piruvato (PEP), esta molécula tiene un grupo fosfato unido por un enlace inestable.
10. Cada una de las dos moléculas de PEP transfiere su grupo fosfato al ADP para producir ATP y piruvato, la enzima encargada de esta reacción es la piruvato quinasa. Esta al igual que la reacción N°7 es una fosforilación al nivel del sustrato.

C6H12O6  + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ → 2piruvato + 2H2O + 2ATP + 2NADH + 2H+

Tras estas reacciones el producto seria: dos moléculas de ATP, dos moléculas de NADH y dos moléculas de piruvato, todos estos productos serán utilizadas como sustratos en otras reacciones.

Conversión del piruvato en acetil CoA

En células eucariotas, las moléculas de piruvato formadas en la glucólisis ingresan a la mitocondria, donde se convierten en acetil coenzima A. Estas reacciones se llevan a cabo en el citosol en  células procariotas aerobias. En esta serie de reacciones, el piruvato sufre un proceso conocido como descarboxilación oxidativa. Primero, un grupo carboxilo se elimina como dióxido de carbono, que se difunde fuera de la célula. Después el fragmento restante de dos carbonos se oxida, y la NAD+ acepta los electrones eliminados durante la oxidación. Por último, el fragmento de dos carbonos oxidado (un grupo acetilo) se une a la coenzima A, produciendo acetil Co A. El piruvato deshidrogenasa es la enzima que cataliza estas reacciones, es un complejo multienzimático enorme (72 polipéptidos). La coenzima A se fabrica en la célula a partir de una de las vitaminas B, el ácido pantoténico.

La reacción total para la formación de acetil coenzima A es:

2 piruvato+2 NAD+ +2 CoA →2 acetil CoA + 2NADH +2H+ +2CO2

Observe que la molécula de glucosa original ha sido parcialmente oxidada, produciendo dos grupos acetilo y dos moléculas de CO2. Los electrones eliminados han reducido las moléculas de NAD+  a NADH. En este punto de la respiración aeróbica, se han formado cuatro moléculas de NADH como resultado del catabolismo de una sola molécula de glucosa: dos durante la glucólisis y dos durante la formación de acetil coenzima A a partir de piruvato, las moléculas de NADH se utilizaran más adelante para formar ATP.

Ciclo del ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico (también conocido como ciclo de Krebs o ciclo del ácido tricarboxílico) consta de ocho pasos que se describen a continuación:

ciclo de Krebs

1. El enlace inestable que une el grupo acetilo a la coenzima A se rompe. El grupo acetilo de dos carbonos se une a una molécula de oxalacetato de cuatro carbonos, formando el citrato, una molécula de seis carbonos con tres grupos carboxilo. La coenzima A es libre para combinarse con otros grupos de dos carbonos y repetir el proceso (reciclaje de la coenzima A). La molécula de acetil coenzima A no solamente es producida por la degradación de glucosa si no también puede ser producto de la oxidación de los ácidos grasos (β-oxidación o ω-oxidación). La reacción es catalizada por la enzima citrato sintetasa.
2. El grupo hidroxilo terciario no se encuentra adecuadamente situado en la molécula de citrato para permitir la descarboxilación oxidativa siguiente. Por ello, el citrato se isomeriza a isocitrato para permitir que la unidad de seis carbonos sufra una descarboxilación oxidativa. La isomerización del citrato se consigue mediante una etapa de deshidratación seguida por una de hidratación. El resultado es un intercambio de un átomo de hidrógeno por un grupo hidroxilo. La enzima que cataliza ambas etapas se denomina aconitasa. La aconitasa es una ferro-sulfo proteína (o proteína con hierro no hemo) que contiene cuatro átomos de hierro sin que formen parte del grupo hemo. Los cuatro átomos de hierro constituyen un complejo con cuatro sulfuros inorgánicos y tres átomos de azufre de cisteínas, dejando un átomo de hierro disponible para la unión con el citrato y luego con el isocitrato mediante grupos COO- y un grupo OH. Esta agrupación de hierro-azufre facilita las reacciones de deshidratación y rehidratación del sustrato enlazado.
3. La descarboxilación oxidativa del isocitrato está catalizada por la isocitrato deshidrogenasa.       El intermediario en esta reacción es el oxalsuccinato, un β-cetoácido inestable. Mientras está ligado a la enzima, pierde CO2 para dar α-cetoglutarato. Esta oxidación genera el primer portador de electrones de alta energía, NADH, en el ciclo. La fómula de la reacción sería: Isocitrato + NAD+  → ∝-cetoglutarato + CO2 + NADH 
4. La conversión del isocitrato en α-cetoglutarato va seguida de una segunda descarboxilación oxidativa, la formación de succinil-CoA a partir de α-cetoglutarato. Esta reacción está catalizada por el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa, una asociación organizada de tres clases de enzimas, similar al complejo piruvato deshidrogenasa. La α-cetoglutarato compuesta de cinco carbonos se convierte en succinil-CoA de cuatro carbonos, hasta este momento se han producido cuatro moléculas de NADH que se utilizaran próximamente en la cadena transportadora de electrones. α-cetoglutarato+CoA+NAD+  → succinil-CoA + CO2 + NADH
5. El succinil-CoA es un compuesto tioéster rico en energía. El ∆G°´ para la hidrólisis del succinil-CoA es de -33,5 kJ mol-1, lo que resulta similar al del ATP. La ruptura del enlace tioéster del succinil-CoA se acopla a la fosforilación de un nucleótido difosfato de purina, normalmente GDP. Esta reacción está catalizada por la succinil-CoA sintetasa. Los productos de la reacción son: el succinato, GTP y coenzima A.
6. El succinato se oxida cuando dos de sus hidrógenos se transfieren al FAD, formando FADH2. El compuesto resultante es el fumarato, la enzima que cataliza la reacción es la succinato deshidrogenasa.
7. La fumarasa, mediante la adición de una molécula de agua, convierte al fumarato en malato.
8. La enzima malato deshidrogenasa deshidrogena al malato, formando oxaloacetato. Dos hidrógenos eliminados se transfieren al NAD+ dando lugar a una molécula de NADH (la tercera molécula del  ciclo). Ahora el oxaloacetato se puede combinar con otra molécula de acetil-CoA para reiniciar el ciclo.

De manera resumida se puede expresar el ciclo de los ácidos tricarboxílicos de la siguiente forma:

Acetil-CoA + H2O + FAD + 3NAD+ + GDP + Pi→ HS-CoA + 3NADH + FADH2 + 2CO2 + GTP

Hasta este momento se han eliminado seis moléculas de CO2 y se han transferido doce  hidrógenos lo que significa que la degradación de la molécula de glucosa ha terminado ,sin embargo, energéticamente solo se han producido dos moléculas de ATP y dos de GTP, si el proceso terminase aquí la célula debería realizar este ciclo muchas más veces y como resultado la célula en cuestión debería ingerir mayor cantidad de glucosa, por suerte la respiración celular no termina aquí, sino que tiene lugar una cuarta etapa en la cual se producirá la mayor cantidad de ATP.

Cadena transportadora de electrones

La cadena transportadora de electrones se considera el destino de todos los electrones eliminados de una molécula de glucosa durante los proceso de glucólisis, formación de acetil CoA y ciclo del ácido cítrico. Las moléculas de NADH y  FADH2  ingresan a la cadena transportadora de electrones, en donde los electrones de alta energía de los átomos de hidrógeno son transportados de un aceptor a otro. Conforme los electrones pasan a lo largo de una serie de reacciones redox exergónicas, parte de su energía es utilizada para crear un gradiente de protones que luego será utilizado en la síntesis de ATP (este proceso se conoce como fosforilación oxidativa).

Los electrones se transfieren del NADH al O2 a través de una cadena de tres grandes complejos proteicos llamados NADH-Q oxidorreductasa (Complejo I), Q-citocromo c oxidorreductasa (Complejo III) y citocromo c oxidasa (Complejo IV). El flujo de electrones entre estos complejos transmembranales induce el transporte de protones a través de la membrana mitocondrial interna. Un cuarto gran complejo proteico, llamado succinato-Q reductasa (Complejo II), contiene la succinato deshidrogenasa que genera FADH2 en el ciclo del ácido cítrico. Los electrones del FADH2 entran en la cadena de transporte de electrones en la Q-citocromo oxidorreductasa. La succinato-Q-reductasa, a diferencia de los otros complejos, no bombea protones. Los complejos I, II y III parecen estar organizados en un complejo molecular llamado respirasoma, este complejo supramolecular agrupa los complejos proteínicos de una ruta común facilitando así la transferencia de sustrato (también existen esta clase de agrupaciones en otras rutas).

Los electrones se trasladan de un complejo hasta el siguiente mediante dos transportadores electrónicos especiales. El primero es la coenzima Q, conocido también como ubiquinona. La ubiquinona es una quinona hidrofóbica por lo que se difunde libremente en la membrana interna mitocondrial. Los electrones se transfieren desde la NADH-Q oxidorreductasa hacia la Q-citocromo c oxidorreductasa, el segundo complejo de la cadena, mediante la forma reducida de Q. Los electrones del FADH2 generados por el ciclo de Krebs e transfieren primero a la ubiquinona y posteriormente al complejo Q-citocromo c oxidorreductasa.

La coenzima Q es un derivado de la quinona con una larga cola consistente en unidades de isoprenoides de cinco carbonos que indican su carácter hidrofóbico. En la quinonas, las reacciones de transferencia de electrones están acopladas a la unión y liberación de protones, una propiedad clave a la hora de transportar protones a través de la membrana.

En contraste con Q, el segundo transportador electrónico es una proteína; el citocromo c es una proteína pequeña y soluble, que traslada los electrones desde la Q-citocromo c oxidorreductasa a la citocromo c oxidasa, el componente final de la cadena transportadora de electrones.

Posiblemente se pregunten qué clase de beneficios obtiene una célula al transportar protones desde un lado de la membrana a otro, la respuesta es simple, al transportar cualquier sustancia desde un lado de una membrana impermeable a esta sustancia estas creando un gradiente de concentración, este gradiente de concentración almacena energía que puede ser utilizada en reacciones energéticamente desfavorables. La mitocondria posee complejos proteicos llamados ATPsintasa que utilizan el gradiente de concentración de protones en la formación de ATP, este mecanismo es conocido como quimiosmosis.

La estructura de la ATPsintasa es muy semejante a una turbina en la región F0 y a un revolver en la región F1.

ATPsintasa

Este complejo utiliza la energía del gradiente de protones no para enlazar una molécula de ADP con un fosfato inorgánico, sino para retirar el ATP que se forma espontáneamente en la región  F1 ya que sin un aporte de energía esta región permanecería unida permanentemente al ATP y no podría producir más  moléculas de ATP. El número de protones que se necesita para producir (separar) una molécula de ATP depende del número de subunidades c que posea el complejo, generalmente se requiere 3,3. A continuación analizaremos la productividad de la respiración celular.

Productividad de la respiración celular

1. En la glucólisis, la activación de la glucosa requiere la adicción de grupos fosfato a partir de 2 moléculas de ATP y se convierten por último a dos piruvatos + NADH + 4ATP, obteniendo una ganancia neta de dos ATP.
2. Los dos piruvatos se metabolizan  dos acetil CoA + 2CO2 + 2NADH.
3. En el ciclo de Krebs, las moléculas de 2 acetil CoA se metabolizan a 6NADH +2FADH2 + 4CO2 + 2ATP.

Debido a la oxidación del NADH en la cadena de transporte de electrones produce 3 ATP
por molécula, el total de 10 moléculas de NADH puede producir 30 ATP. Sin embargo, las dos moléculas de NADH de la glucólisis, producen cada  una 2 o 3 ATP. La razón es que ciertos tipos de células eucariontes deben gastar energía para el transporte del NADH producido en la glucólisis a través de la membrana mitocondrial (lanzaderas). Las células procariotas carecen de mitocondrias, por lo que no tiene necesidad de gastar energía transportando el NADH. Así, el número máximo de ATP usando la energía del NADH es de 28 a 30.
La oxidación del FADH2 produce dos ATP por molécula, por lo que las dos moléculas de FADH2  producidas en el ciclo de Krebs producen 4 ATP.
   4. Sumando todos los ATP (2 de la glucólisis, 2 del ciclo de Krebs, y 32-24 en la cadena transportadora de electrones), se puede ver que el metabolismo aeróbico completo de una molécula de glucosa produce máximo  de 36 a 38 moléculas de ATP.
Se puede analizar la eficiencia del proceso global de la respiración aeróbica por el calor liberado durante la reacción.
Cuando 1 mol de glucosa se quema en un calorímetro, unos 686 kcal (2870 kJ) se liberan formando calor. La energía libre que de manera temporal se ubica en los enlaces de fosfato del ATP es de aproximadamente 7.6 kcal (31.8 kJ) por mol. Cuando se generan de 36 a 38 ATP durante la respiración aeróbica de la glucosa, la energía libre  atrapada en cantidades de ATP es de 7.6 kcal/mol * 36, es decir 274 kcal (1146 kJ) por mol. Así, la eficiencia de la respiración aeróbica es aproximadamente del 40% [(274/686)*100]. En comparación con un motor de automóvil cuya eficiencia es del 20% o una planta de energía a vapor cuya eficiencia es del 35% la respiración aeróbica tiene una elevada eficiencia.

Bibliografía

-Biología, Solomon et al., CENAGENOW, novena edición, pag 173-190.
-Bioquímica con aplicaciones clínicas, Stryer et al. Editorial Reverté, séptima edicón