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

Meselson y Sathl

Meselson y Sathl

Aunque el mecanismo de la replicación semiconservativa sugerida por Watson y Crick era  un modelo sencillo y convincente, se necesitaba de una prueba experimental para establecer de hecho, que el ADN se replica de esa manera. Con la replicación conservativa ambas cadenas de ADN progenitoras podrían permanecer juntas, y las dos cadenas recién sintetizadas podrían formar una segunda doble hélice. Como tercera hipótesis, las cadenas progenitoras y las recién sintetizadas podrían llegar a mezclarse al azar durante el proceso de replicación, esto es, la replicación dispersiva. Para discriminar entre la replicación semiconservativa y los otros modelos, los investigadores tuvieron que distinguir entre las cadenas progenitoras  y nuevas del ADN sintetizado.

Normalmente en el campo de la biología molecular, se suelen utilizar isotopos o elementos fluorescentes para determinar la posición exacta de la molécula a estudiar, está no es una excepción. Meselson y Sathl utilizaron un isótopo pesado del nitrógeno, 15N, para marcar las bases de las cadenas de ADN, haciéndolas más densas. Usando la centrifugación con gradiente de densidad, los científicos pueden separar moléculas grandes, tales como el ADN sobre la base de la diferencia en sus densidades. Durante la centrifugación, las moléculas del ADN migran a la región del gradiente idéntico a su propia densidad. En 1958, Matt hew Meselson y Franklin Stahl del Instituto de Tecnología de California cultivaron la bacteria Escherichia coli en un medio que contenía 15N en forma de cloruro de amonio (NH4Cl). Las células usaron el 15N para sintetizar bases, que entonces se incorporaron en el ADN. Las moléculas de ADN resultantes, que contenían nitrógeno pesado, fueron extraídas de algunas de las células. Cuando los investigadores las sometieron a la centrifugación con gradientes de densidad, se acumularon en la región del gradiente de alta densidad, esta región de alta densidad está formada por la región del tubo de ensayo en la que la que la concentración de cloruro de cesio (es el medio utilizado en este experimento, se pueden utilizar otros como agarosa). El equipo transfirió el resto de la bacteria (que también contenía ADN marcado con 15N) a un medio de cultivo diferente, en la que el NH4Cl contiene natural y abundantemente el isótopo 14N más ligero y después dejaron que se sometiera a divisiones celulares adicionales. Como era de esperar, la doble cadena del ADN de las células aisladas después de una generación tenía una densidad intermedia, indicando que parte del DNA progenitor permanecía en las hijas. Este descubrimiento apoyó el modelo de replicación semiconservativa, que predijo que cada doble hélice podría contener una cadena previamente sintetizada (pesada en este caso) y una cadena recién sintetizada (ligera en este caso). También fue consistente con el modelo de dispersión, que también produciría una clase de moléculas, todas ellas con densidad intermedia. Sin embargo, este experimento descartó totalmente al modelo conservativo, ya que según este la cadena hija debería tener un gradiente de densidad menor  a los progenitores y bajo ninguna circunstancia podrían juntarse.

Después de otro ciclo de división celular en el medio con el isótopo 14N más ligero, aparecieron dos tipos de ADN en el gradiente de densidad. Uno consistió en ADN con una densidad intermedia entre el ADN marcado con 15N y el ADN marcado con 14N, mientras que el otro contenía sólo ADN con una densidad del ADN marcado 14N. Este descubrimiento refutó el modelo de dispersión, que predijo que todas las cadenas tendrían una densidad intermedia.

Este experimento disipa toda duda existente sobre la replicación y explica la perpetuación de las mutaciones.

Bibliografía

-Biología, Solom et al., CENAGENOW, novena edición, pág 271, 272

Historia de la genética moderna

Historia de la genética moderna

Después del redescubrimiento de la genética de Mendel (1900) la pregunta que se hacían los científicos  era cuál era el orden de los genes en los cromosomas y como se transmiten de generación en generación.

Los científicos estaban de acuerdo en que los genes almacenaban información; sin embargo, la naturaleza de los genes era aún desconocida. Muchos genetistas se inclinaban sobre el supuesto que los genes debían estar compuestos por proteínas, ya que estas al poder desarrollar estructuras complejas serían perfectas para almacenar toda la información de un individuo, hoy en día sabemos que los genes están constituidos por ácidos nucleicos; sin embargo, para los científicos de hace 100 años esta idea resultaba inconcebible ya que al solo tener cuatro variantes no podría almacenar la complejísima información para formar un individuo.

En 1928 el médico británico Frederick Griffith realizo un trascendente experimento con cepas de neumococos. Una cepa lisa S (forma de colonias lisas sobre un medio de cultivo sólido) que cuando era inyectada en ratones, los animales contraían neumonía y finalmente morían. De manera que no fue una sorpresa que los animales inyectados con células previamente muertas por acción del calor, sobrevivieran. Una cepa relacionada de bacterias rugosas R  (forman colonias con una superficie rugosa); los ratones inyectados con las células de esta cepa, vivas o muertas por calor, sobrevivieron. Sin embargo, cuando se inoculaba ratones con una mezcla de células S virulentas muertas por calor y con células R vivas  no virulentas, una alta proporción de ratones moría.  

Debido a que ni la cepa S muerta por calor ni la cepa R viva se podrían convertir a la forma virulenta viva cuando se inyectan por sí solas en el experimento control, parecía que algo en las células muertas por calor convertía a las células no virulentas a la forma letal. Los científicos sugirieron la hipótesis de que alguna sustancia química (un principio o factor de transformación) que era transferida de las bacterias muertas a las células vivas y provocaba la transformación de estas células en virulentas. Este cambio genético se llama principio o factor de transformación. 

En 1944, Oswald Avery y sus colegas Colin MacLeod y Maclyn McCarty identificaron químicamente el factor de transformación (sustancia química que volvía a las cepas no virulentas en virulentas) de Griffith como el ADN. Lo hicieron a través de una serie de experimentos cuidadosos en los que causaron lisis, de las células S (virulentas) y separaron el contenido de la célula en varias fracciones: lípidos, proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos. Probaron con cada una de estas fracciones para averiguar cuál de ellas podía transformar a la cepa R (no virulenta) en células S. Los experimentos con  lípidos, proteínas y polisacáridos no dieron resultados, sin embargo, cuando Avery trato las células R vivas con DNA extraído de células S virulentas, las células R se transformaron n células S. Con esto, Avery y sus colegas habían demostrado científicamente que el principio de transformación, a pesar de su relativa simpleza, se trataba de ADN.

EXPERIMENTO DE AVERY Y MACLEOD

 En 1952, los genetistas Alfred Hershey y Martha Chase realizaron una serie de experimentos sobre la reproducción de bacteriófagos. Cuando planearon sus experimentos, ellos sabían que los fagos se reproducen en el interior de una célula bacteriana, causando que la célula se rompa y libere una gran cantidad de nuevos virus.  Los estudios microscópicos revelaron que solo una porción del bacteriófago ingresa a la célula, entonces ellos razonaron que el material genético debía, necesariamente, encontrarse en esta porción.

Fagos en la superficie de una célula

En su experimento ellos marcaron la proteína viral de una muestra de fagos con 35S, un isótopo radiactivo del azufre, y el ADN viral de una segunda muestra con 32P, un isótopo radiactivo del fósforo. Ya que las proteínas contiene aminoácidos con azufre y el ADN contiene fosforo en su estructura estas regiones, gracias a la radioactividad de los isótopos, podría ser fácilmente reconocida.  Los fagos en cada muestra estaban adheridos a las bacterias, los investigadores separaron a las células de la parte del fago adherido a su superficie agitando la muestra en una licuadora. Luego centrifugaron las muestras. En la muestra en la que se habían marcado las proteínas con 35S, se encontró radiactividad en el sobrenadante, hecho que indicó que la proteína no entró en las células. En la muestra en la que se había marcado el ADN con 32P, encontraron radiactividad asociada a las células bacterianas (en el sedimento): el ADN de hecho entró a las células. Hershey y Chase concluyeron que los fagos inyectan su ADN en células bacterianas, dejando la mayoría de sus proteínas en el exterior. Este descubrimiento destacó la importancia del ADN en la reproducción viral, y disipó cualquier duda con respecto a la naturaleza química del ADN

Bibliografía

-Biología, Solom et al., CENAGENOW, novena edición, pág 263-266.

Zona pelágica

Zona pelágica

El océano abierto se conoce como zona pelágica. A pesar de su inmensidad la zona pelágica es biológicamente pobre, ya que los organismos que van muriendo se hunden desde la zona fótica hacia la batipelágica.

Las áreas donde hay corrientes oceánicas ascendentes o afloramiento y la convergencia de las corriente oceánicas  son importantes fuentes de renovación para la zona fótica superficial. Las regiones polares, que son sumamente productivas, son un buen ejemplo. Antes de la explotación por el hombre, se estima que anualmente las ballenas consumían unos 77 millones de toneladas de krill antártico. La enorme población de krill  estaba mantenida por el fitoplancton, la base de la red alimentaria, que a su vez era abundante por la riqueza de nutrientes del océano Antártico.

Las zonas pesqueras más productivas del mundo se concentran a lo largo de las zonas de afloramiento. Antes de su agotamiento en 1972, el banco peruano de anchoa, que dependía de la corriente del Perú, proporcionaba ¡el 22% de todo el pescado que se capturaba en el mundo! Anteriormente el banco de sardinas de California y el  de arenque de Japón, ambos regiones de afloramiento, fueron explotados intensamente hasta llegar a un nivel de agotamiento sin posibilidad de recuperación. Actualmente las pesquerías del mundo están en grave peligro debido a la sobreexplotación, a la degradación de los hábitats de los peces por parte de los arrastraderos, al empleo de métodos de pesca que suponen un gran derroche, y a la contaminación del mar. Algunos de los mayores bancos de pesca del mundo, como los Grandes Bancos y los bancos de Georges de la costa este de Norteamérica, han sido destruidos-

Bajo la superficie es decir, en la zona epipelágica, se encuentran las grandes profundidades oceánicas, caracterizadas por una enorme presión, una oscuridad perpetua y una temperatura constante y próxima a 0 °C. Estas regiones se han mantenido desconocidas para el hombre hasta hace poco tiempo, cuando con cámaras, batiscafos y aparejos para aguas profundas se comenzó  a ver el fondo del océano y a obtener muestras. En las profundidades marinas hay varios hábitats bien diferenciados. La zona mesopelágica es la “zona crepuscular”, que recibe una luz muy tenue y alberga una variada comunidad de animales. Por debajo de la zona mesopelágica hay un mundo de perpetua oscuridad, dividido en tres zonas conocidas como batipelágica, abisopelágica y hadopelágica. Las formas que viven a grandes profundidades dependen de una escasa “lluvia” de partículas orgánicas que escapa a ser consumidas por los organismos que hay en esa columna de agua a  menor profundidad.   

Bibliografía

 Principios Integrales de Zoología, Hickman et al., Mc Graw Hill décimo cuarta edición pág 816,817