La bioquímica
en 100 preguntas

María Fernández Organista
Daniel Ruiz Abánades

Gracias a Antonio por embarcarnos en esta aventura,

y a vosotros, Miguel y Geñi,

por cuidar de lo que más queremos

y dejarnos tiempo para escribir este libro.

LA BASE QUÍMICA DE LA VIDA

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¿DE QUÉ FORMA SE UNEN LOS ÁTOMOS PARA LLEGAR A LO QUE SOMOS?

Toda la materia que se encuentra en el universo está formando partículas. Existen diferentes tipos de partículas; algunas elementales, que pueden tener masa o no, como es el caso de los fotones de la luz, y otras compuestas por varias partículas elementales. Así, por ejemplo, los quarks (cierta partícula elemental con masa) se asocian para formar los protones, que presentan una gran masa y una fuerte carga positiva, y los neutrones, con masa similar a la del protón, pero sin carga. Las propiedades de estas partículas establecen la forma en la que interaccionan las unas con las otras. Así, protones y neutrones, junto con otras partículas elementales, se asocian creando los núcleos de los diferentes átomos existentes. A su alrededor, un tipo de partícula elemental con muy poca masa (unas dos mil veces menos que el protón) y fuerte carga negativa, denominada electrón, se desplaza a gran velocidad atraída por el núcleo en un espacio denominado orbital. Cuantos más protones componen el núcleo, un mayor número de electrones pueden orbitar a su alrededor, formando la corteza atómica. Dependiendo del número de electrones que se encuentren alrededor de un núcleo, estos pueden ocupar diferentes niveles energéticos o capas, dentro de las cuales existen diferentes orbitales, cada uno con una distribución espacial determinada dentro de la corteza. Es importante recordar que en un orbital puede haber un máximo de dos electrones.

La estabilidad que presentan los átomos es variable, sobre todo en su corteza. De esta forma, el número de electrones que se encuentran en la corteza de un átomo varía con relativa facilidad. La forma más estable en la que se encuentra la corteza atómica coincide con la presencia de suficientes electrones en ella como para llenar su capa más externa, lo que que normalmente supone la presencia de ocho electrones en los cuatro últimos orbitales. Por este motivo, esta propiedad recibe el nombre de «regla del octeto». Por otro lado, la proporción entre protones (cargas positivas) y electrones (cargas negativas) dentro del átomo también va a determinar su estabilidad. De esta forma, aquellos átomos que cumplen la regla del octeto y además presentan un número de electrones igual que el de protones son los más estables que pueden existir, y reciben el nombre de gases nobles o inertes. Sin embargo, la mayor parte de los átomos que conocemos no cumplen estas dos características al mismo tiempo, lo que se traduce en un mayor o menor grado de inestabilidad de estos átomos.

La inestabilidad de un átomo tiende espontáneamente a resolverse, y dependiendo de la causa de la inestabilidad así será la solución. Si la inestabilidad afecta al núcleo, por ejemplo en los isótopos radiactivos, donde existe un número desigual de protones y neutrones, el átomo tiende a descomponerse y a generar dos átomos de menor tamaño y mayor estabilidad. Cuando es el número de protones y electrones es el que no coincide en un mismo átomo, se dice que este está en su forma ionizada. En este caso, el átomo tiende a apantallar esa carga a través de interacciones electrostática con otros iones de carga opuesta; los átomos con cargas positivas y negativas se ven atraídos, lo que resulta en un estado de mayor estabilidad para los dos. Por su parte, cuando la inestabilidad está asociada a la corteza electrónica, por no cumplirse la regla del octeto, es el comportamiento de los electrones lo que permite la estabilización del átomo. Concretamente son los electrones que se encuentran en la capa más externa, conocidos como electrones de valencia, los responsables de buscar la solución más estable. Los problemas de estabilidad de la corteza atómica se solucionan a través de la cesión o ganancia de electrones de valencia entre átomos, lo que se traduce en la formación de enlaces químicos entre ellos. De forma general podemos decir que existen tres tipos de enlaces químicos: iónicos, metálicos y covalentes.

El enlace iónico se crea por la unión electrostática de dos átomos ionizados a causa del intercambio de electrones de valencia entre ellos. Así es como se forma, por ejemplo, el cloruro de sodio (NaCl) o sal común. El átomo de sodio presenta en su núcleo once protones, lo que permite que once electrones orbiten a su alrededor. Los diez primeros completan las dos primeras capas de la corteza, con lo que queda un electrón aislado en uno de los orbitales de la tercera capa. Por su parte, el átomo de cloro está a falta de un electrón para cumplir la regla del octeto. La aproximación de los dos átomos con la energía apropiada produce que el electrón sobrante del sodio pase a completar la última capa del cloro. En ese momento, el átomo de sodio pierde el equilibrio de cargas y se transforma en un ion con exceso de carga positiva (catión). Al mismo tiempo, el cloro pasa a presentar un exceso de carga negativa (anión) y por tanto, ambos iones se ven atraídos por fuerzas electroestáticas que los mantienen asociados. Los compuestos formados por este tipo de enlace se conocen como iónicos, y tienen la característica de descomponerse en disolventes polares como el agua, ya que las cargas del disolvente pueden apantallar la atracción entre los iones.

El enlace metálico se crea entre átomos que presentan un exceso de electrones que le impiden cumplir la regla del octeto. A este tipo de átomos los llamamos metales, precisamente por su capacidad de formar este tipo de enlaces. El átomo de sodio que acabamos de ver es un ejemplo de metal. Los átomos de sodio pueden asociarse entre sí para formar una red tridimensional en la que el electrón sobrante se encuentra deslocalizado en una nube electrónica que engloba a todos los átomos que forman el metal. De esta forma, el átomo consigue cumplir nuevamente la regla de octeto. La presencia de esa nube electrónica otorga a los metales su capacidad de transmitir bien la electricidad.

La tercera alternativa que tienen los átomos para estabilizar su corteza es compartir con otro átomo uno o más electrones de su capa de valencia, lo que se traduce en la formación de un enlace covalente. Así, por ejemplo, cuando dos átomos de cloro se aproximan en determinadas condiciones, uno de los electrones de la capa de valencia de cada átomo comienza a orbitar alrededor del núcleo del otro. De esta forma, ambos átomos ganan parcialmente el octavo electrón que les falta en su última capa y permanecen unidos por la fuerza que ejercen los electrones compartidos en el orbital de enlace.

Cuando el enlace covalente se forma entre dos átomos del mismo elemento, los electrones compartidos son atraídos con la misma intensidad por los dos núcleos, lo que resulta en una distribución homogénea de la nube electrónica a su alrededor. Las moléculas diatómicas como el hidrógeno (H2), el oxígeno (O2) o el cloro que acabamos de citar (Cl2) son ejemplos de este tipo de enlace, denominado covalente apolar. Por el contrario, cuando los átomos que participan en el enlace covalente no pertenecen al mismo elemento, aquel de los dos que presente mayor electronegatividad arrastrará hacia sí la nube electrónica, dando mayor o menor polaridad al enlace. Esta polaridad hace que puedan darse interacciones transitorias entre distintas moléculas, que pueden tener mayor o menor estabilidad. Uno de estos tipos de interacciones se llama puente de hidrógeno, y se produce cuando un átomo de hidrógeno unido a un átomo pequeño y electronegativo, se aproxima a un átomo electronegativo de otra molécula. De esta forma, las moléculas formadas por enlaces covalentes polares pueden disolverse en agua, pero, a diferencia de los compuestos iónicos, sin romper sus enlaces, gracias a la solvatación a través de los puentes de hidrógenos formados entre los hidrógenos del agua y los átomos electronegativos que pueda tener la molécula; normalmente oxígeno, nitrógeno o fósforo.

En ocasiones, la alta polaridad que adquieren estas moléculas puede inducir la formación de un nuevo enlace covalente, denominado de coordinación o dativo, donde los electrones compartidos son donados exclusivamente por uno de los dos átomos. Este es, por ejemplo, el caso del ion amonio (NH4+), en el que dos electrones de la última capa del nitrógeno de una molécula de amoniaco (NH3) atrapan un protón de una molécula del entorno, normalmente del agua.

Finalmente, hay que tener en cuenta que el número de electrones que se comparten en un enlace covalente puede ser variable, y dependiendo del número de electrones que se comparten las propiedades del enlace también cambian. Un enlace covalente tiene como mínimo dos electrones, en ese caso recibe el nombre de enlace sencillo u orbital tipo σ. Este enlace permite que los átomos unidos puedan girar libremente sobre el eje que les une, lo que da capacidad de torsión a las moléculas. Por el contrario, en los enlaces múltiples de alta energía (dobles, triples, etc.), en los que participan un mayor número de electrones, no existe posibilidad de giro, lo que aporta rigidez a la estructura de las moléculas.

El átomo y los enlaces químicos. A. Representación de un átomo de sodio. B. Enlace metálico. C. Enlace iónico. D. Enlace covalente.

Estas propiedades dan al enlace covalente la capacidad de formar estructuras altamente complejas; moléculas estables en solución acuosa, con capacidad de torsión y que pueden formar infinidad de estructuras. Además, la capacidad de interacción con otros átomos que no forman parte de la molécula, por efecto de la polaridad que pueden adquirir estos enlaces, hace que las moléculas que presentan mayor funcionalidad desde el punto de vista bioquímico estén construidas con enlaces covalentes. De hecho, en último término, la vida es el reflejo de las propiedades de este enlace, pues toda la vida está construida con él.

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¿ES VERDAD QUE TODOS LOS SERES VIVOS ESTÁN FORMADOS POR LAS MISMAS MOLÉCULAS?

En su origen la Tierra no tenía atmósfera, y su superficie era un océano de lava incandescente y fluida, abundante en hierro, níquel y otros elementos pesados, cuya temperatura alcanzaba cientos de grados centígrados. El agua contenida en los meteoritos, que colisionaban continuamente con la Tierra primigenia, era rápidamente evaporada y retenida por la alta gravedad terrestre. Este vapor de agua fue creando poco a poco una densa nube que, tras el paulatino enfriamiento del planeta, derivó en un gran diluvio que duró millones de años. Así se crearon los primeros océanos. En esos momentos, la atmósfera estaba formada fundamentalmente de dióxido de carbono (CO2). Además, otros gases eran expulsados del interior de la tierra a través de violentas erupciones volcánicas, como sulfuro de hidrógeno (H2S), amoniaco (NH3), ácido sulfúrico (H2SO4) o metano (CH4). Como demostraron los famosos experimentos de Miller, presentados en los años 50 del siglo pasado, las condiciones ambientales extremas que presentaba la Tierra de aquel tiempo pudieron permitir que estas pequeñas moléculas reaccionaran entre sí, formando las primeras biomoléculas.

Atendiendo a su estructura y composición química, las biomoléculas pueden ser agrupadas fundamentalmente en cuatro categorías: los glúcidos, los nucleótidos, los aminoácidos y los lípidos. Estas moléculas presentan diversas propiedades, y así, cada una de ellas participa de forma diferente en el entramado molecular de la vida. Los glúcidos, y concretamente la glucosa, son unas de las primeras biomoléculas que han sido seleccionadas por la vida para saciar sus necesidades energéticas. Son moléculas relativamente pequeñas que presenta un alto número de electrones ricos en energía. Por su parte, los nucleótidos están construidos sobre un azúcar de cinco carbonos denominado ribosa, al que se une una base nitrogenada. Además, los nucleótidos presentan uno, dos o tres grupos fosfatos (PO42-) asociados a la ribosa que forman enlaces de alta energía. Esto los convierte en candidatos perfectos para transferir energía a las reacciones químicas que la vida necesita. La base nitrogenada, que caracteriza a estas biomoléculas, es una estructura en forma de anillo que puede presentar cinco variantes, y que va a establecer el nucleótido de que se trata: adenina, timina, citosina, guanina o uracilo. Por otro lado, los aminoácidos son pequeñas moléculas que comparten una misma estructura central, alrededor de un átomo de carbono asociado a un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo amino (-NH2). Existen muchos aminoácidos, que se diferencian entre sí por el grupo químico que se asocia a ese carbono central. Esta gran variedad de estructuras les permite realizar multitud de funciones, como la transmisión de la respuesta nerviosa en la sinapsis (neurotransmisores como la glicina o el glutamato) o intermediarios de la síntesis o degradación de otros compuestos. Finalmente, los lípidos son compuestos carbonatados y altamente apolares, es decir, no pueden disolverse en agua. Esto les permite realizar funciones que otras biomoléculas no pueden hacer. Son utilizados fundamentalmente como aislante impermeable o semipermeable (en el caso de las bicapas lipídicas, que constituyen las membranas biológicas de todas las células), además de ser una fuente importante de electrones de alta energía, y por tanto, moléculas con alto valor energético.

Todas estas biomoléculas pueden combinarse entre sí mediante enlaces covalentes, generando diferentes macromoléculas, es decir, moléculas aún mayores, con estructuras aún más complejas y capaces de realizar más funciones. Los polisacáridos, las proteínas y los ácidos nucleicos son los ejemplos más característicos. Los polisacáridos son largos polímeros solubles de azúcares, como el almidón o el glucógeno, que permiten almacenar energía dentro de las células. Los aminoácidos son los sillares estructurales de las proteínas, que presentan una gran variedad de estructuras químicas que realizan infinidad de funciones. Entre las propiedades que se atribuyen a las macromoléculas está la capacidad de interaccionar con otras moléculas o macromoléculas mediante uniones transitorias no covalentes (con baja energía de enlace), lo que permite generar estructuras aún más complejas y con un mayor número de funciones. Estas asociaciones pueden ser la simple unión de dos macromoléculas, que denominamos dímero, o la unión de cientos de ellas, que forma complejos macromoleculares. Por ejemplo, los nucleosomas, que permiten la compactación del ADN mediante el enrollamiento de este a grupos de ochos proteínas denominadas histonas.

De las biomoléculas a la vida. Ejemplos de algunas de las estructuras moleculares que constituyen la vida, organizadas de más simples (arriba) a más complejas (abajo). Código PDB de las cristalografías: 3RGK, 5NT5, 3KXB.

Por causas no bien establecidas, hace aproximadamente tres mil millones de años, estas macromoléculas y complejos macromoleculares fueron englobados en el interior de una membrana lipídica y comenzaron a actuar coordinadamente, lo que dio entidad celular a la materia viva. Esto es un material genético sometido a la selección natural, aislado del exterior por una membrana y un sistema de obtención de energía que permita la replicación y perpetuación de ese material genético. Fruto del continuo cambio en las condiciones ambientales del planeta, y de la selección natural resultante de esos cambios, en los milenios posteriores esas células aisladas encontraron la supervivencia en la asociación. Primeramente como organismos pluricelulares simples, como las bacterias filamentosas, formadas por varias células idénticas entre sí, y más tarde llegando a formar complejos tejidos con multitud de células diferentes, coordinadas entre sí para realizar una función concreta. Además, estos tejidos pueden asociarse entre sí para formar estructuras aún más complejas que son denominadas órganos y sistemas, lo que hace posible la realización de procesos tan sorprendentes como la visión o el pensamiento. Sin embargo, a pesar del aumento en la complejidad de las estructuras y funciones de la materia viva, son las biomoléculas y las macromoléculas las que, en último término, dan a la materia viva sus propiedades. Son estas, por tanto, el nivel básico de organización de los seres vivos. De esta forma, la ciencia de la bioquímica tiene su objetivo puesto en el estudio de estas moléculas y de los procesos en los que ellas participan, intentando comprender los principios físico-químicos de esta parte de la materia que forma la vida.

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¿CUÁL ES LA RAZÓN DE QUE LOS ICEBERGS FLOTEN EN EL MAR?

La presencia de agua es condición imprescindible para que pueda existir la vida tal y como la conocemos. Por eso, la presencia de este compuesto se considera prueba suficiente para suponer la existencia de vida en otros planetas. Como no podía ser de otra forma, son la estructura y composición química de la molécula de agua lo que le otorga sus prodigiosas propiedades.

El agua o dihidruro de oxígeno (H2O) se forma por la unión covalente de dos átomos de hidrógeno con un átomo de oxígeno, formando un ángulo de exactamente 104,5°. El núcleo del átomo de oxígeno atrae hacia sí al electrón que orbita alrededor del protón que constituye el núcleo de cada uno de los átomos de hidrógeno. Los electrones de los hidrógenos alteran su trayectoria, y pasan a desplazarse también alrededor del núcleo de oxígeno, con lo que quedan compartidos por los dos átomos. Sin embargo, el átomo de oxígeno presenta mayor electronegatividad que el átomo de hidrógeno, y por tanto, más capacidad para atraer hacia sí los electrones compartidos. Esto se traduce en que los electrones están más tiempo alrededor del oxígeno, desplazando la nube electrónica hacia él y creando una asimetría en el reparto de cargas dentro de la molécula. Al quedar los hidrógenos parcialmente sin electrones, la carga positiva de su protón establece cierta densidad de carga positiva (δ+) en un frente de la molécula de agua. En la cara opuesta de la molécula, donde está el oxígeno con los electrones robados de los átomos de hidrógeno, se genera una densa nube electronegativa (δ-). Este reparto de las cargas da a la molécula de agua carácter de dipolo eléctrico, lo que le otorga importantes propiedades.

El agua recibe el nombre de disolvente universal por su capacidad para disolver prácticamente cualquier molécula que presente cierta polaridad en su estructura, gracias a su carácter de dipolo eléctrico. Un ejemplo es la facilidad con la que el agua permite disolver los compuestos iónicos, formados por la interacción electrostática entre un catión (cargado positivamente) y un anión (cargado negativamente). Cuando la sal común (cloruro de sodio, NaCl) es adicionada al agua, los iones Na+ y Cl- se dispersan y son rápidamente rodeados por moléculas de agua, es decir, quedan solvatados por las moléculas de agua, lo que apantalla la atracción entre ellos y produce la solubilización del compuesto. La vida ha aprovechado esta capacidad que presenta el agua de solvatar moléculas polares como forma de transportar muchísimas sustancias, desde pequeñas moléculas como sales minerales hasta grandes complejos macromoleculares. Por eso, los organismos vivos están formados en una alta proporción por agua (entre un 70 y un 90 %). Como se pone de manifiesto desde el interior de las células, donde el agua permite que se disuelvan los metabolitos y que puedan distribuirse por el citoplasma hasta la sangre y otros sistemas que transportan sustancias por todo el organismo, la capacidad de disolvente del agua es esencial para vida.

Por otra parte, la polaridad de la molécula de agua también le confiere la capacidad de crear puentes de hidrógeno; un tipo de interacción o enlace intermolecular. Cuando el oxígeno de una molécula de agua se aproxima a determinada distancia, y en determinada dirección, a un átomo de hidrógeno de otra molécula de agua adyacente, se produce una atracción de tipo electrostática entre ambos átomos. Esta atracción mantiene unidas las dos moléculas de agua con una pequeñísima energía de enlace de aproximadamente 3 x 10-20 J. Dependiendo de la temperatura a la que se encuentren el agua y, por tanto, de la velocidad a la que se desplazan sus moléculas, estas podrán formar, de manera más o menos estable, determinado número de puentes de hidrógeno. Esto determinará los estados de agregación que puede presentar el agua. Una molécula de agua puede llegar a formar un máximo de cuatro puentes de hidrógeno con cuatro moléculas de agua adyacentes, en cuyo caso el agua se encuentra en forma sólida (hielo). Entre los cero y los 100 °C (a una atmósfera de presión), las moléculas de agua pueden formar entre uno y tres puentes de hidrógeno, lo que se traduce en un estado fluido de la sustancia (líquido). Por encima de los 100 °C las moléculas de agua presentan demasiada velocidad como para poder formar puentes de hidrógeno de forma estable, lo que da lugar a su estado gaseoso o de vapor.

Una de las consecuencias más importantes para la vida, basada en la forma en que se organizan las moléculas de agua, es que la forma líquida sea la forma más densa en la que se presenta el compuesto. Gracias a que en el hielo las moléculas de agua ocupan un mayor volumen por estar separadas entre sí por cuatro puentes de hidrógeno, su densidad es aproximadamente un 10 % menor que en el agua líquida. Esto produce que la congelación de mares y lagos quede confinada en la superficie, ya que esta superficie congelada flota sobre el agua líquida. Si la superficie congelada se hundiera, arrastraría consigo a los fondos toda la vida acuática y la eliminaría. De esta forma, las masas de agua terrestre habrían terminado por congelarse, y habría hecho imposible la vida tal y como la conocemos.

Por otro lado, la formación de cristales de hielo por la creación de cuatro puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua, encierra un peligro importante para la vida. La cristalización del interior o del entorno celular produce la rotura de las membranas y la muerte de la célula. Por suerte, el agua rara vez aparece pura en la naturaleza. Además de la temperatura, la presencia de solutos disueltos en el agua también puede alterar la capacidad de sus moléculas para formar puentes de hidrógeno entre sí, y por tanto, varía la temperatura a la cual el agua cambia de estado. En efecto, la presencia de iones en la disolución interfiere con la capacidad del agua para formar puentes de hidrógeno, lo que imposibilita su transformación en hielo, aun cuando la temperatura es inferior a los cero grados. Por eso en invierno se esparce sal por las carreteras. No obstante, la vida, hace millones de años, ya desarrolló técnicas similares para evitar la congelación del interior celular de organismos que habitan en regiones gélidas del planeta. La acumulación de sales o proteínas especializadas en evitar la congelación del agua permiten sobrevivir a multitud de especies árticas. Por otra parte, la atracción que ejerce la carga de los iones disueltos sobre las moléculas de agua también afecta a la capacidad de evaporación de esta. Así, la presencia de iones dificulta que las moléculas de agua abandonen el estado líquido y se diluyan como gas en la atmósfera. Por este motivo, cuando se está sudando mucho, es conveniente tomar bebidas que aporten cierta cantidad de solutos a la sangre, preferentemente sales minerales. De esta forma, el sudor será más concentrado en iones y se retendrá mejor el líquido, lo que retardará la deshidratación. Por ello en los lugares desérticos o semidesérticos la sal ha sido siempre un elemento de primera necesidad, fundamentalmente para poder mantener al ganado sin la necesidad de gastar todas las reservas de agua.

La molécula de agua. A. Representación esquemática de una molécula de agua, donde se observa la distribución de cargas (δ-, δ+). B. Proceso de solvatación del cloruro de sodio (NaCl). C. Puente de hidrógeno entre dos moléculas de agua. D. Estados de agregación de las moléculas de agua.

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¿ACASO BEBER AGUA MUY PURA ES PERJUDICIAL PARA LA SALUD?

La ósmosis es una propiedad que presenta el agua (y otros disolventes polares) en contacto con membranas semipermeables. Este tipo de membranas son aquellas que permiten el paso de las moléculas del solvente, como el agua, a su través, pero no de los solutos disueltos en ellas. Las membranas biológicas que delimitan las células son un buen ejemplo de membranas con esta característica. De esta forma, la ósmosis es consecuencia de la tendencia espontánea que presenta el agua para igualar las concentraciones de soluto a ambos lados de una membrana semipermeable. En efecto, si hay un aumento de la concentración de soluto a un lado de una membrana semipermeable, el agua que se encuentra al otro lado fluirá a su través hasta conseguir igualar la concentración a ambos lados. La fuerza ejercida por el agua al atravesar la membrana recibe el nombre de presión osmótica y es directamente proporcional a la temperatura y a la concentración de sales (molaridad) de la disolución. La presión osmótica responde a la expresión matemática:

π = c · T · R

Donde π representa la presión osmótica ejercida por una disolución (medida en atmósferas); c es la concentración molar de la disolución (moles de soluto/litro de disolución). T es la temperatura en Kelvin. Y finalmente, R corresponde a la constante de los gases ideales (0,082 atm·L/mol·K).

Como resulta evidente, este fenómeno afecta a los organismos vivos desde la aparición de la primera célula. Teniendo en cuenta que toda célula, por definición, está limitada por una membrana semipermeable, y que la concentración de solutos en el exterior celular puede ser muy variable, la vida ha tenido que adoptar estrategias que le permitan controlar la presión osmótica que pueda ser ejercida sobre su membrana y que podría hacerla explotar o producir que la célula se vaciase de agua. Así, por ejemplo, las células vegetales presentan una pared rígida rodeando exteriormente la membrana plasmática, que recibe el nombre de pared celular. En situaciones en las que agua muy pura (sin apenas solutos disueltos) entra en contacto con el exterior de la célula vegetal, por ejemplo agua de lluvia, la pared celular impide que la entrada masiva de agua, producida por la ósmosis, cause la explosión de la célula. Un caso opuesto lo representan algunos organismos extremófilos, como las arqueas del género Halobacterium. Estos organismos, que habitan en lugares con mucha sal, han adaptado su citoplasma a soportar altas concentraciones de solutos (fundamentalmente proteínas producidas por la propia arquea), para intentar compensar la presión osmótica producida en los entornos de alta salinidad. Además, estos organismos presentan unas proteínas en su membrana que se denominan halorodopsinas, que usando la energía procedente del Sol pueden transportar solutos a través de la membrana, como los iones de cloro (Cl-) y protones (H+), para ayudar a compensar el efecto de la presión osmótica.

La osmosis. A. Mecanismos para evitar los efectos de la presión osmótica producida por la diferencia de concentraciones dentro (CInt) y fuera (CExt) de la célula: Pared de las células vegetales (izquierda) y organismos extremófilos (derecha). B. Transportadores de solutos (izquierda); Transportadores de agua (derecha).

Los efectos de la ósmosis también pueden ser percibidos en organismos pluricelulares complejos, como el ser humano. Todas las células de nuestro cuerpo presentan en su membrana plasmática una proteína denominada bomba Na+/K+. Esta proteína actúa como transportador a través de la membrana de los iones sodio y potasio. Mediante el gasto de energía química, producida por la propia célula, la bomba puede alterar la concentración de estos iones a ambos lados de la membrana, y con ello regular la presión osmótica y el tamaño celular. Si se ingiere mucha cantidad de agua muy pura (agua destilada), las bombas Na+/K+ de los enterocitos, células que forman la mucosa intestinal, serán incapaces de controlar la presión osmótica y sufrirán una desregulación que conlleva la expulsión de gran cantidad de agua al intestino, lo que causa diarrea y deshidratación. Otra de las formas desarrolladas por la vida para contener el efecto imprevisible de la presión osmótica es la presencia de proteínas en la membrana de las células, especializadas directamente en el transporte de moléculas de agua. Estas proteínas, llamadas acuaporinas, pueden desplazar moléculas de agua en contra de la presión osmótica, gastando también energía química para este fin.

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¿SE PUEDE CAMBIAR EL COLOR DE LOS VEGETALES?

El átomo de oxígeno, presente en la molécula de agua, tiene una gran facilidad para atraer hacia sí átomos de hidrógeno unidos a otras moléculas, lo que produce que, en ocasiones, el hidrógeno de una molécula de agua adyacente forme un enlace de coordinación con él. Esto tiene como consecuencia la formación, durante unos instantes, de los iones hidróxido (OH-) y oxonio (H3O+). Así, en el agua pura hay una pequeña concentración de ellos (aproximadamente 10-7 moles por cada litro). Esta baja concentración se debe a la inestabilidad de estos iones, ya que tienden a reaccionar inmediatamente con moléculas cercanas, normalmente otras moléculas de agua. Esto genera un equilibrio en la disolución entre la forma iónica (OH-, H3O+) y no iónica (H2O) del agua, cuya constante (Kw) tiene un valor de 10-14. Es decir, en el agua pura hay una molécula de oxonio por cada mil millones de moléculas de agua no ionizada. El pH es una medida de la concentración molar de estos grupos oxonio que hay en una disolución, y sigue la ecuación:

pH = - log [H3O+]

Por tanto, como el agua pura presenta una concentración de 10-7 M de iones hidronio, su pH es igual a 7, que se ha establecido como pH de referencia o pH neutro. Ciertos compuestos, que denominamos ácidos, al disolverse en agua liberan protones (H+), que son rápidamente solvatados, rodeados, por las moléculas de agua. Esto favorece la unión covalente de ese protón con el átomo de oxígeno. De esta forma, la adición de ácidos al agua produce un aumento de la concentración las formas H3O+ y por tanto una disminución del pH. Estas soluciones, con un pH inferior a 7, se dice que son ácidas. Por otra parte, existen especies químicas cuya disolución en agua implica la solvatación de aniones hidróxido (OH-). A estos compuestos los llamamos bases o álcalis. Como resulta evidente, en presencia de este ion hidróxido, los oxonios ceden rápidamente su protón inestable, lo que resulta en la disminución de las formas H3O+, y un aumento del pH en la disolución. Estas soluciones, con un pH superior a siete, se dice que son básicas o alcalinas.

Por su alta reactividad, la presencia de iones oxonio e hidróxido en una disolución afecta a la naturaleza química, y por tanto, a las propiedades de los solutos allí presentes. Esto convierte el pH en un parámetro crítico para el desarrollo de las reacciones químicas en medios acuosos. Es decir, si cierta reacción química ocurre a un pH de 3, es muy probable que no pueda ocurrir a un pH de 10, o si cierta estructura molecular es estable a un pH no tiene por qué seguir siéndolo a otro. Un ejemplo de esta capacidad del pH para modificar la naturaleza química de los solutos es el cambio de color que sufre la lombarda al añadirle vinagre (ácido acético), lo que conlleva a un cambio en la estructura química de su característico pigmento azul (antocianina), viéndose alterado su color a rojo, ya que la bajada del pH induce a un cambio en la molécula de antocianina.

Los organismos vivos han aprovechado estas propiedades de los ácidos y las bases de diferentes formas. Así, por ejemplo, el ácido clorhídrico (HCl) es un ácido fuerte que es secretado en el estómago para facilitar la rotura de las moléculas durante la digestión, haciendo que el pH del estómago sea aproximadamente de 2. Muchos enlaces químicos no soportan este bajo pH. Por su parte, algunos organismos aprovechan la fuerte acción de este mismo ácido como modo de defensa. Es el caso de las medusas, que contienen glándulas especializadas en la acumulación de HCl, y que produce fuertes quemaduras químicas por la acción de los protones liberados por el ácido.

Por otra parte, la presencia de sustancias ácidas o básicas en el interior celular, por acción del metabolismo, o en el entorno, es algo constante, ante lo cual la vida ha tenido que enfrentarse desde su comienzo. El método más utilizado por los organismos vivos para controlar el pH, tanto del interior celular como de los fluidos extracelulares (como la sangre) es la disolución tampón. Estas disoluciones presentan una serie de solutos que van a permitir mantener constante la concentración de iones oxonio, aunque se disuelvan pequeñas cantidades de ácidos o bases. Existen algunos ácidos y bases que denominamos débiles, porque una vez disueltos en agua no se ionizan completamente y mantienen parte de las moléculas el protón (en el caso de los ácidos). De esta forma, los ácidos débiles, por ejemplo, pueden ceder protones o ganarlos dependiendo de la concentración de estos en el medio. Es decir, un aumento de la concentración de protones en el medio produce que el ácido atrape parte de ellos (actuando como una base, por lo que se llama base conjugada del ácido). Por el contrario, si desciende la concentración de grupos oxonio del medio se producirá una liberación de protones por parte del ácido. En ambos casos, se consigue mantener el pH constante en la disolución hasta cierto punto. El pH de la sangre es controlado entre otras formas por la presencia de ácido carbónico (H2CO3), actuando como ácido débil y el ion bicarbonato (HCO3-) como su base conjugada.

El pH. A. Equilibrio iónico del agua. B. Ejemplo de disociación de un ácido (HCl) y una base (NaOH). C. Tampón bicarbonato.

Como se deduce de este equilibrio, un aumento en la concentración de protones (H+) en la sangre se traduciría en la unión de estos al ion bicarbonato para formar ácido carbónico. Esto impide el aumento de la concentración de oxonios en la disolución. Por su parte, si descendiera la concentración de oxonios, por la presencia de una base, el ácido carbónico liberaría protones y compensaría ese descenso. La facilidad que tiene un ácido débil para soltar sus protones se cuantifica a través de un parámetro denominada pKa. En el caso del ácido carbónico es 6,3. Es decir, a un pH de 6,3 la mitad de todas las moléculas del ácido han perdido su protón. A pH mayores, la mayor parte de las moléculas estarán desprotonadas, y a pH menores una mayor proporción de ellas conservarán el protón.

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¿CÓMO AFECTA A LOS CORALES EL CO2 VERTIDO A LA ATMÓSFERA?

Cuando las partículas que constituyen una sustancia no forman uniones mínimamente estables entre ellas, decimos que esa sustancia se encuentra en estado gaseoso. En general, las moléculas interaccionan entre sí a través de los denominados enlaces intermoleculares. Que se formen o no estos enlaces depende fundamentalmente de dos factores: la energía que tienen las partículas que forman la sustancia y de la naturaleza físico-química de las partículas que la componen. La energía de las partículas que componen una sustancia puede reducirse a la energía cinética resultante de su velocidad de translación. De esta forma, cuanto mayor sea la velocidad a la que se desplazan las partículas que la componen, más difícil será la formación de enlaces entre ellas. Bajo determinadas condiciones de presión y temperatura, y por tanto para una determinada velocidad media de las partículas que componen una sustancia, será la naturaleza físico-química de las partículas que la constituyen las que van a determinar el estado de agregación en el que se encuentra dicha sustancia. Por ejemplo, los denominados gases nobles: helio (He), neón (Ne), argón (Ar), kriptón (Kr), xenón (Xe) y radón (Rn); al ser átomos totalmente estables, por cumplir la regla del octeto al tiempo que tienen el mismo número de electrones que de protones, no hay posibilidad de que haya interacción de ningún tipo entre ellos, o entre ellos y cualquier otro átomo o molécula. Por esta razón siempre se presentan en forma aislada y en estado gaseoso. Algo similar ocurre con las moléculas diatómicas como el nitrógeno (N2), el cloro (Cl2) o el oxígeno (O2) y algunas moléculas pequeñas como el dióxido de carbono (CO2), que por la ausencia de polaridad en su estructura tienen limitada su capacidad de interacción. Esto se traduce en que estas sustancias se presentan como gases en nuestro planeta. Esta ausencia de interacción de las moléculas gaseosas hace que tiendan a ocupar la totalidad del recipiente que los contiene. En el caso de la atmósfera terrestre el recipiente es la fuerza de la gravedad, que mantiene la masa atmosférica presionando sobre la superficie del planeta.

Ley de Henry. A. A una temperatura constante, el aumento de la presión parcial de un gas sobre un líquido aumenta la concentración del gas dentro del líquido.

Por otro lado, el carácter fluido de los líquidos hace que los gases puedan disolverse en ellos. En efecto, cuanto mayor es la presión que ejerce un gas sobre la superficie de un líquido, mayor cantidad de gas se disolverá en este. Además, a mayor temperatura del líquido y por tanto, mayor velocidad de las partículas, menor es la capacidad de solubilización del gas en el líquido. Un ejemplo de la relevancia que tienen para la vida estas propiedades de los gases es el drástico efecto que tiene la acumulación de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera sobre la vida acuática, y por extensión, sobre toda la vida del planeta. El CO2 tiene la capacidad de absorber la radiación infrarroja, lo que se traduce en un aumento de la vibración de la molécula, y por consiguiente en un aumento de la temperatura del gas. Por esta razón es considerado un gas con efecto invernadero, ya que al captar la radiación emitida por la Tierra hace aumentar la temperatura de la atmosfera y obviamente de la superficie terrestre. Al aumentar la concentración de CO2 en la atmósfera, se produce un aumento drástico de la temperatura de los océanos, lo que deriva en una disminución de la concentración de los gases allí disueltos, entre ellos el oxígeno. Esto está afectando a la capacidad de intercambio gaseoso de los animales acuáticos, fundamentalmente de aquellos que viven en aguas ya de por sí cálidas y pobres en oxígeno, como los corales. Pero, además, el CO2 reacciona con el agua para formar ácido carbónico (H2CO3), en un equilibrio que será dependiente de la presión parcial que este gas ejerza sobre el agua. Al aumentar la presión parcial de CO2 sobre los océanos está aumentando la presencia del ácido, y como consecuencia, la acidificación de los hábitats acuáticos y la alteración de estos ecosistemas.

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SI LA LUZ ULTRAVIOLETA ES PELIGROSA, ¿PARA QUÉ SE UTILIZA EN LABORATORIOS O QUIRÓFANOS?

La mayor fuente de energía que existe en el sistema solar es el Sol. Esta energía es liberada en forma de ondas electromagnéticas, consecuencia de la reacción termonuclear que ocurre en el núcleo del astro, por la cual el hidrógeno (H) se transforma en helio (He). Hasta los estudios del matemático escocés James C. Maxwell, publicados en 1865, las radiaciones electromagnéticas habían sido consideradas como un tipo más de onda (definidas por una amplitud, una longitud de onda y una frecuencia), aunque no cumplían algunas propiedades típicas de las ondas conocidas, ya que por ejemplo estas podían propagarse en el vacío. Con las aportaciones de Maxwell, la radiación electromagnética pasó a entenderse como una onda formada por dos componentes, uno eléctrico y otro magnético, en fase y perpendiculares entre sí.

Estas ondas presentan las propiedades de refracción y difracción, y se desplazan a la velocidad de la luz. Toda onda electromagnética puede definirse por la expresión:

c = λ · v

De tal manera que el producto de la longitud de onda (λ) por la frecuencia de la onda (v) es siempre una constante, y su valor es el de la velocidad de la luz (300 000 km/s). A pesar del gran avance que suponía esta nueva concepción de las radiaciones electromagnéticas, esta visión clásica no permitía explicar aún determinados fenómenos, como por ejemplo el efecto fotoeléctrico. Es decir, no podía explicar por qué estas radiaciones son capaces de inducir la liberación de los electrones cuando inciden sobre un metal. Gracias a los trabajos previos del físico alemán Max Planck, padre de la física cuántica, Albert Einstein elaboró en 1905 la teoría de la dualidad onda-corpúsculo, creando el concepto de fotón, por la que recibió el premio Nobel de física en 1921 al desvelar el misterio del efecto fotoeléctrico. Bajo esta nueva teoría, la luz está compuesta por partículas (fotones) que viajan a modo de paquetes de energía y que se comportan como ondas en algunos experimentos, por ejemplo en procesos de refracción, mientras que en otros se comportan como partícula, por su capacidad de transferir energía a la materia e inducir, por ejemplo, la liberación de electrones en los metales. Pocos años después, Einstein presentaría su teoría de la relatividad general, donde se establece que el fotón ha de carecer de masa por su incapacidad para interaccionar con otro tipo de partícula elemental denominada bosón de Higgs, cuya existencia fue demostrada en 2012. Sin embargo, la ausencia de masa del fotón no le impide poder transferir paquetes discretos de energía. Max Planck ya había calculado esta energía asociada a las ondas electromagnéticas basándose en la expresión:

Ɛ = h · v

De esta forma la energía asociada a una radiación electromagnética (Ɛ) es directamente proporcional a la frecuencia de dicha onda (v), teniendo como constante el pequeñísimo valor de 6,63 · 10-34 J · s, que recibe el nombre de constante de Planck (h) en honor a su descubridor.

Ondas electromagnéticas. La imagen representa el avance de una onda electromagnética, indicando la variación del componente magnético (vectores horizontales) y eléctrico (vectores verticales). λ=Longitud de onda.

Precisamente, una de las propiedades que más inquietaba a los físicos de finales del siglo XIX y principios del XX era el carácter cuantizado de la energía electromagnética. La energía asociada a las ondas electromagnéticas se presenta en forma de paquetes discretos portando cantidades fijas de energía. Uno de los experimentos que mejor mostraban esta discontinuidad en la energía de las radiaciones electromagnéticas fue el realizado por el sueco Johannes Rydberg presentado en 1888, en el cual, aplicando una llama a un gas formado por un único elemento, conseguía crear una radiación electromagnética, que tras la difracción producida al atravesar un prisma incidía sobre una película fotográfica. Con este sistema Rydberg observó que en la película fotográfica solo obtenía un número discreto de bandas y que la posición de estas bandas era específica del gas que utilizaba, lo que permitía obtener una huella digital del elemento que formaba el gas. Estos experimentos se conocen como ensayos de espectroscopia, ya que los resultados obtenidos se denominan espectros, en este caso discontinuos, y se emplean para establecer la composición química de ciertas mezclas. Además, Rydberg supo describir la posición que ocupaban las bandas obtenidas en los espectros, a través de su famosa ecuación:

Donde λ representa la longitud de onda de la radiación electromagnética obtenida (determina la posición de la banda en la película) y R la constante de Rydberg, con un valor de 1,1·107 m-1. Los valores n1 y n2 representan dos números enteros mayores de cero donde n2 siempre es mayor que n1. Sin embargo, Rydberg fue incapaz de explicar el porqué de ese valor fijo y discreto de las radiaciones obtenidas con sus experimentos, así como el significado de esos números enteros. De hecho, no será hasta las aportaciones del físico danés Niels Bohr y su modelo atómico, presentado en 1913, cuando se aclaró el misterio de esta cuantización de la energía electromagnética observada por Rydberg y otros físicos de la época. Según el modelo atómico de Bohr, basado en gran parte en los trabajos de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, los electrones de un átomo orbitan alrededor del núcleo de este ocupando diferentes niveles energéticos. A mayor número de electrones que presente un átomo, mayores niveles energéticos podrán ocupar estos electrones dentro de la corteza. Al administrar energía a un átomo, aplicando una llama o una radiación electromagnética, sus electrones pueden absorber la energía recibida y ascender a niveles energéticos superiores. Los electrones excitados, al caer nuevamente a su nivel energético original (denominado estado basal del electrón), desprenden radiación electromagnética con una energía equivalente al descenso sufrido por el electrón, e idéntica a la energía absorbida en la ascensión. De esta forma, como el número de los posibles niveles energéticos al que puede ascender un electrón es finito y la energía asociada a cada salto entre niveles es fija, la radiación emitida tenía necesariamente que tener valores discretos y no continuos. De hecho, este modelo permitió establecer que los valores n1 y n2 de la ecuación de Rydberg corresponden precisamente al nivel energético del electrón a su llegada (n1) y su salida (n2) del salto.

Existen radiaciones electromagnéticas que al ser difractadas en un prisma presenta un espectro continuo, no de bandas discretas. Es decir, que a diferencia de los espectros obtenidos por Rydberg, donde tan solo aparecen algunas bandas, toda la película fotográfica aparece velada. Este es el caso precisamente de la luz solar. Es decir, al hacer pasar la luz solar por un prisma, la radiación se descompone en un continuo de radiaciones y abarca un continuo de frecuencias (v), un arcoíris. Teniendo en cuenta la ecuación de Planck es fácil entender que dentro del espectro de la luz, aquellas radiaciones con mayor frecuencia (o menor longitud de onda) posean una mayor energía asociada y viceversa. Hasta nuestro planeta llega una radiación procedente del Sol compuesta por un espectro continuo de ondas, formada fundamentalmente por ondas con longitudes entre los 200 y los 1000 nm (1nm=10-9 m). Entre los 400 y los 780 nm, aproximadamente, se encuentra el espectro visible, que son las radiaciones que, como después veremos, podemos captar con los ojos. Las radiaciones superiores a los 780 nm reciben el nombre de infrarrojas, ya que presentan algo menos de energía que la luz visible roja. Las radiaciones electromagnéticas con longitudes de onda menores de 400 nm reciben el nombre de ultravioletas, y representan las radiaciones más energéticas que llegan en cantidades importantes a la Tierra. Otras radiaciones con longitudes de onda menores, y mucho más energéticas, como los rayos X o las radiación gamma (γ), apenas llegan, y afortunadamente, las pocas que llegan son completamente absorbida por los gases de la atmósfera. Por desgracia, la energía asociada a la luz ultravioleta, que llega en cantidades importantes a la Tierra, es suficiente como para inducir un aumento en el nivel energético de los electrones de determinadas moléculas y con ello alterarlas. Los electrones que forman ciertos enlaces moleculares, o localizados en determinadas capas de la corteza electrónica de los átomos de ciertas moléculas, pueden saltar a niveles energéticos superiores, y al caer formar nuevos enlaces y modificar la estructura de la molécula. Un ejemplo característico de esta capacidad de la luz ultravioleta de modificar las moléculas es su participación en la formación de los dímeros de timina en el ADN. Cuando dos fotones de luz ultravioleta inciden sobre dos timinas que en el ADN se encuentran adyacentes la una a la otra, los electrones implicados en la formación de un doble enlace presente en las moléculas absorben la energía abandonando su orbital y forman al caer dos nuevos enlaces simples entre las moléculas, lo que las mantiene covalentemente unidas. Estas lesiones sobre el genoma hacen que este pierda parte de su información. Dependiendo del lugar del genoma donde ocurra el daño, afectará en mayor o menor grado al ser vivo, pero sin duda una alta exposición a los rayos ultravioletas es incompatible con la vida. De hecho, los seres humanos de hoy día utilizamos este poder aniquilador de la luz ultravioleta para esterilizar ciertos lugares, como quirófanos o laboratorios, exponiéndolos a esta radiación. Y al tiempo nos protegemos de ella para poder vivir.

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¿A QUÉ SE DEBE QUE VEAMOS LAS COSAS DE COLORES?

La capacidad de la luz ultravioleta de alterar las moléculas ha supuesto un reto para la vida, fundamentalmente en sus orígenes. En la época en la que suponemos que aparecieron las primeras formas de vida sobre el planeta, hace más de tres mil quinientos millones de años, la atmósfera era muy diferente a la actual; fundamentalmente por la ausencia de ozono (O3) y su sabida capacidad para frenar esta radiación. En estas condiciones, prácticamente la totalidad de la radiación solar que alcanzaba la Tierra incidía directamente sobre su superficie y energizaba cualquier electrón susceptible de ello, por ejemplo los de las timinas del ADN mencionado en la pregunta anterior. Por esta causa, la vida tuvo que surgir en lugares ocultos de la radiación del Sol; bien en las profundidades marinas, bien en lo profundo de alguna caverna. De hecho, la vida tardó miles de millones de años en conseguir salir a la superficie terrestre, para lo cual necesitó crear moléculas que la protegieran de esta radiación. Estas moléculas se denominan pigmentos. Los pigmentos son moléculas orgánicas más o menos complejas, que portan en su estructura electrones susceptibles a la excitación por diferentes radiaciones electromagnéticas. De esta forma, al colocar estas moléculas en su superficie, las células consiguen proteger su ADN de la energía solar, ya que los fotones (cuantos de energía) absorbidos por los pigmentos no logran alcanzar el material genético del interior. Pero además la vida aprendió a aprovechar la presencia de estas moléculas con electrones ricos en energía.

La estabilidad de estos electrones de alta energía presentes en los pigmentos excitados es mínima, lo que quiere decir que una vez alcanzado este nivel energético, instantáneamente comienzan su descenso hacia niveles de menor energía. De forma general, la energía que pierde el electrón en ese descenso es transformada bien en otra radiación (lo que se denomina fluorescencia) o es disipada en forma de calor. Este descenso no necesariamente tiene que ocurrir de una vez, sino que puede realizarse en diferentes saltos y por tanto, producir varias liberaciones de energía durante el descenso. Este es, por ejemplo, el caso de las moléculas fosforescentes, aquellas que tras ser expuestas a la luz, y colocadas posteriormente en la oscuridad, emiten radiación. Así, mientras queden moléculas con electrones en descenso, el material permanece encendido. Los organismos fotoautótrofos aprovecharon esta capacidad de escalonar la caída de los electrones a su estado basal para utilizar la energía liberada en cada salto, en un proceso denominado fotosíntesis. Podría compararse con una presa de varios saltos, y en cada salto una turbina que aprovecha la energía del agua que cae. Acoplando un pigmento llamado clorofila a una serie de proteínas asociadas en la membrana (denominadas cadena transportadora de electrones y ATP-sintetasa), estos organismos son capaces de generar energía química utilizable por la célula. Hay que llamar la atención sobre el hecho de que la molécula de clorofila que absorbe la radiación cede sus electrones a la cadena de proteínas, y por tanto pierde su capacidad de poder volver a ser excitada. Para solucionar este problema, los organismos que realizan la fotosíntesis oxigénica desarrollaron un complejo proteico, denominado complejo rompedor del agua, capaz de transferir un electrón desde una molécula de agua hasta la clorofila deficiente en electrones. Como consecuencia de esta oxidación de la molécula de agua se obtiene oxígeno (O2), el cual es liberado a la atmósfera, y, coincidencias del destino, este oxígeno en la atmósfera absorbe parte de la luz ultravioleta para formar el ozono (O3). Así, la misma herramienta que comenzó como un escudo celular contra la radiación terminó creando una capa protectora para todo el planeta, lo que permitió que los organismos pudieran andar por la Tierra.

En el cuerpo humano, los pigmentos desempeñan diferentes funciones relevantes. Toda la superficie de nuestro cuerpo está recubierta por un compacto conjunto de células que forman la piel. Entre ellas, un tipo de célula llamado melanocito es capaz de producir grandes cantidades de un pigmento llamado melanina. Esta molécula impide que los rayos ultravioleta que consiguen atravesar la atmósfera alcancen las partes internas del cuerpo, y protege así nuestro ADN. En regiones tropicales y subtropicales del planeta, donde el Sol incide con mayor intensidad, la ausencia de melanina tiene como consecuencia una enfermedad hereditaria grave conocida como albinismo. En las personas albinas que habitan estas regiones, la luz ultravioleta induce a dímeros de timina en su genoma de forma masiva, lo que aumenta en gran medida la probabilidad de sufrir un cáncer de piel y una muerte prematura. Por tanto, el ser humano, del mismo modo que los primeros organismos que se acercaron a la superficie terrestre, utilizan los pigmentos como método de protección solar.

En el otro extremo, los pigmentos son responsables de uno de los procesos más modernos y sofisticados de la naturaleza: la visión. En el fondo del ojo existe una membrana translúcida denominada retina. En esta membrana se encuentran los fotorreceptores, dos tipos de neuronas especializadas en la captación de la luz, denominadas bastones y conos. Los bastones son células muy alargadas que presentan una proteína denominada opsina a la cual está unido un pigmento derivado de la vitamina A, el 11-cis retinol, formando el complejo denominado rodopsina. El complejo rodopsina es especialmente sensible a radiaciones entre los 400 y los 500 nm de longitud de onda (verdes y azules fundamentalmente). Estas células son responsables de dar luminosidad y contraste las imágenes. Por su parte, los conos presentan unas vesículas en las que se encuentran otros derivados del retinol (vitamina A), concretamente tres. Cada uno de ellos especialmente sensible a un rango del espectro visible: rojos, verdes y azules. Sistema denominado RGB (del inglés Red Green Blue). La información enviada por estas células a través del nervio óptico llega al encéfalo, donde es procesada para obtener la imagen psicológica coloreada.

Los pigmentos. Ejemplos característicos de la estructura de los pigmentos. La clorofila típica de algas verdes y plantas, y derivados de la vitamina A que se encuentran el ojo.

DE LAS BIOMOLÉCULAS A LA VIDA

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¿LOS VIRUS SON SERES VIVOS?

Toda la materia conocida está compuesta por átomos, incluidos, claro está, todos los organismos vivos. De hecho, átomos que ayer formaban la dura roca, mañana estarán formando parte del delicado entramado neuronal de algún animal. Existe una continua circulación de los átomos entre la materia viva y la inerte, y esto, en cierta forma, limita nuestra capacidad de poder poner límites a ambas formas de materia. No obstante, los químicos hace tiempo que observaron que existían dos tipos de moléculas muy diferentes: las formadas por carbono y las demás. Estas moléculas, formadas fundamentalmente por carbono, se denominaron orgánicas, ya que fue en muestras biológicas de donde se obtenían mayoritariamente. De esta forma, independientemente de donde procedan los átomos, del aire o de una piedra, una vez que son incorporados a una molécula basada en el carbono, pasan a formar parte de la materia que forma los seres orgánicos.

Para poder hablar de organismo vivo es necesario entender que, cuando hacemos referencia a organismo, se está poniendo de manifiesto la existencia de un conjunto de sistemas o mecanismos que forman el ser y le permiten vivir. Es decir, cierto nivel de complejidad. Posiblemente, uno de los casos más paradigmáticos en el contexto de la definición de vida sea el caso de los priones. Uno de ellos, denominado PrPSc, es el agente causante de la encefalopatía espongiforme transmisible, conocida popularmente como enfermedad de las vacas locas. Este agente infeccioso, cuando entra en un hospedador mamífero se multiplica, lo que le facilita que pueda transmitirse a otro hospedador y seguir multiplicándose. Desde este ángulo es fácil pensar que tiene vida. Sin embargo, si tenemos en cuenta que PrPSc es una única proteína, vemos que es imposible referirse a los priones como organismos vivos. Esta proteína es producida de forma habitual en el sistema nervioso de los mamíferos, donde presenta una estructura funcional que recibe el nombre de PrPC. Si por algún motivo esta proteína cambia su estructura a la forma no funcional Sc, esta adquiere la capacidad de transformar las moléculas de PrPC en PrPSc. Al ser la forma Sc la conformación más estable de esta proteína, la presencia de unas pocas moléculas de PrPSc produce una desaparición exponencial e irreversible de las formas funcionales, y un rápido deterioro del sistema nervioso. La mayor limitación que presentan los priones para darle la cualidad de vivos es su incapacidad de evolucionar, es decir, no tienen genoma, lo que no les permite adaptarse a las condiciones ambientales y perpetuarse en el tiempo. En este sentido, los priones no son más que moléculas orgánicas complejas que intoxican a los mamíferos y son contagiosas.

Otro ente orgánico que también crea controversias a la hora de definir que es vida son los virus. Por su simplicidad, es imposible considerarlos organismos. Los virus tienen la peculiaridad de presentarse en dos estados: uno cuando está en su forma libre y otro cuando se encuentra en el interior de su hospedador. En su forma libre, los virus son partículas formadas por una cubierta de proteínas (cápsida), en cuyo interior se encuentra su material genético. Estas partículas son relativamente poco estables, ya que algunas apenas se conservan unos minutos fuera del hospedador. Las partículas víricas interaccionan a través de su cápsida con ciertas proteínas localizadas en la superficie de la célula hospedadora, lo que les permite liberar su material genético en el interior de la célula. El genoma de los virus, en su forma libre, puede presentarse en forma de ADN o de ARN. En este último caso se habla de virus-ARN o retrovirus, ya que en el interior del hospedador transforman esta molécula de ARN en ADN, en un proceso que se denomina retrotranscripción. Una vez que el material genético del virus se encuentra en el interior de la célula, este utiliza la maquinaria celular para multiplicarse y producir las proteínas que forman la cápsida. Tras el ensamblaje de las piezas, el interior de la célula hospedadora se llena de las formas llamadas viriones, que, bien arrancando partes de la membrana o bien haciendo explotar la célula, son liberados al exterior para reiniciar el ciclo en otra célula.

Los virus son un buen ejemplo de la importancia que el material genético tiene para definir la vida, que reside, paradójicamente, en la incapacidad de conservar la información que contiene sin sufrir modificaciones. En efecto, la maquinaria responsable de replicar la molécula que contiene la información genética para poderla repartir a la descendencia y perpetuarse es incapaz de no cometer fallos al realizar las copias. A pesar de haber desarrollado cada vez máquinas más precisas y un mayor número de mecanismos para controlar las copias y evitar los errores, la vida, afortunadamente, nunca ha alcanzado la perfección, y los errores siempre se han acumulado en la información genética. Gracias a estos errores, los seres vivos pueden adaptarse a los cambios ambientales, fenómeno que se conoce como selección natural, lo que permite que la vida se haya perpetuado en el tiempo desde su aparición. Por tanto, a los virus no podemos considerarlos organismos, ya que su extremada simplicidad les obliga a depender de sistemas aportados por los organismos vivos para poder perpetuarse, lo que recuerda en cierta forma al prion. Sin embargo, los virus sí que manifiestan la capacidad de evolucionar, y por tanto, sí podemos aceptar que forman parte de ese continuo que llamamos vida y nombrarlos como seres vivos.

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¿LOS EXTRATERRESTRES ESTARÍAN FORMADOS TAMBIÉN DE CARBONO?

Si hiciésemos un análisis minucioso de los elementos que hacen posible la vida sobre la Tierra, observaríamos que todos los organismos vivos presentan una constitución química semejante, representada por unos setenta elementos químicos diferentes. A estos elementos se les ha denominado bioelementos o elementos biogénicos, y se pueden dividir en dos grupos, los denominados bioelementos primarios y los bioelementos secundarios.

Los bioelementos primarios se llaman así porque son los componentes básicos indispensables para la formación de todas las moléculas presentes en todos los seres vivos, lo que constituye más del 95 % de toda la materia viva. Son el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrógeno (H), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S). Existe una constante renovación de estos bioelementos entre los seres vivos y la corteza terrestre, incluyendo la troposfera (la capa más baja de la atmósfera), en lo que se denominan ciclos biogeoquímicos. Este hecho, junto con la elevada proporción de los bioelementos primarios en los seres vivos, podría llevarnos a pensar que tanto en la corteza terrestre como en la troposfera también son los elementos que se encuentran en mayor proporción; sin embargo, esto no es así. Los elementos que se encuentran en mayor proporción en la corteza terrestre son: oxígeno (47 %), silicio (28 %), aluminio (8 %), hierro (5 %), calcio (3,5 %), sodio (2,5 %), potasio (2,5 %) y magnesio (2 %); y en la troposfera encontramos básicamente oxígeno y nitrógeno (el 21 % y el 78 % respectivamente). De todos ellos, el oxígeno es el que más abunda entre los seres vivos, los demás aparecen en bajas concentraciones. Por ello, los bioelementos deben poseer unas propiedades físico-químicas que los hacen candidatos idóneos para constituir la materia viva.

De todos los bioelementos que constituyen los seres vivos, el más importante es el carbono, que se combina con otros átomos, esencialmente hidrógeno y oxígeno, para formar las moléculas orgánicas indispensables para la vida. Debido a ello, el carbono se encuentra en una proporción muy elevada en los seres vivos (entorno al 19 %), proporción muy diferente a la que observamos en la superficie de la superficie terrestre, menos de un 0,5 %. Sin embargo, esta baja concentración de carbono es suficiente para que los organismos autótrofos puedan incorporarlo y así entrar a formar parte de los seres vivos.

El átomo de carbono, debido a su baja masa atómica y a su configuración electrónica ([He]2s22p2), puede formar hasta cuatro enlaces covalentes, lo que hace de los derivados del carbono, además de estables, lo suficientemente reactivos como para poder ser fácilmente modificados químicamente. Además, la alta capacidad del átomo de carbono para formar estructuras tridimensionales complejas, como consecuencia de la distribución tetraédrica de sus orbitales híbridos sp3, ha propiciado que la vida sobre la Tierra esté construida con él. Sin embargo, cabe preguntarse por qué exactamente este átomo y no otros próximos a él en la tabla periódica, que presentan propiedades físico-químicas semejantes, fue en el que se basó la vida en la Tierra. Por ejemplo, el silicio (Si) es un elemento químico que se encuentra justo debajo del carbono en la tabla periódica. Al igual que el carbono, presenta cuatro electrones en su capa de valencia ([Ne]3s2 3p2), que pueden formar enlaces con otros átomos de silicio, así como combinarse con hidrógeno u oxígeno. Además, su abundancia en la corteza terrestre es mayor que la del carbono, por lo que podría haber sido un buen candidato para la formación de la vida en la Tierra. Sin embargo, el tamaño del átomo de silicio es mayor que el del carbono (casi el doble), lo que supone un mayor impedimento estérico para poder formar, por ejemplo, estructuras cíclicas. Por esta causa, a diferencia del carbono, el silicio no puede formar este tipo de estructuras ni otras más complejas. Además, la combinación del oxígeno con el silicio, por el que presenta una gran afinidad, forma el dióxido de silicio (SiO2), la arena, que es insoluble en agua, y por tanto imposibilita completamente que este elemento pueda ser utilizado para construir la vida que conocemos.

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¿DOS MOLÉCULAS CON LOS MISMOS ÁTOMOS PUEDEN SER DISTINTAS?

El motivo por el que la vida seleccionó el átomo de carbono como átomo estructural es la configuración electrónica que presenta ([He] 2s2 2p2). Los cuatro enlaces sencillos del átomo de carbono (orbitales de enlace tipo σ), presentan una conformación tetraédrica, lo que le permite formar multitud de estructuras tridimensionales diferentes, cada una de ellas responsable de otorgar una actividad biológica específica. La presencia de cuatro electrones de valencia en el átomo de carbono hace que algunas moléculas pueden presentar átomos de carbono unido hasta con cuatro grupos moleculares distintos. Estos carbonos reciben el nombre de carbono quiral o carbono asimétrico, por lo que se habla que dichas moléculas presentan quiralidad. Este tipo de carbono lo podemos observar en distintas biomoléculas como los glúcidos o aminoácidos, a las que otorga distintas propiedades. Dependiendo de la posición de los sustituyentes del carbono quiral, una determinada combinación de átomos puede presentar distintas configuraciones denominadas isómeros, es decir, presentan igual fórmula molecular (misma composición de átomos) pero distinta estructura espacial, por lo que presentan distintas propiedades que hacen que tengan un comportamiento distinto en la naturaleza. Por ejemplo, distinta actividad óptica, desviando el plano de luz polarizada bien a la derecha o bien a la izquierda, aquí es cuando se denominan isómeros ópticos o enantiómeros, que son imágenes especulares no superponibles (moléculas espejo), como por ejemplo la mano izquierda humana no es superponible con la mano derecha. Existe una nomenclatura especial para la configuración absoluta de los cuatro sustituyentes de un carbono asimétrico, el sistema D-L, propuesta por Emil Fischer en 1981. Está basada en la configuración absoluta del gliceraldehído (azúcar de tres carbonos), mediante la cual si el grupo hidroxilo del carbono quiral está a la izquierda es de la configuración L y si está a la derecha es de la configuración D. En un principio, se usaron las denominaciones L y D para determinar los isómeros levógiros y dextrógiros, sin embargo, no todos los compuestos de configuración L desvían la luz hacia la izquierda, es decir, no todos son levógiros, y viceversa. Por ello la clasificación de Fischer, L y D, se refiere solo a la configuración absoluta de los cuatro sustituyentes alrededor del carbono quiral, no a las propiedades ópticas de la molécula. La naturaleza es capaz de seleccionar la configuración D o L útil para los procesos biológicos responsables de la vida, ya que las interacciones entre las biomoléculas son invariablemente estereoespecíficas, es decir, requieren una estereoquímica específica en su interacción. Así, por ejemplo, las proteínas de todos los organismos vivos están exclusivamente constituidas por las formas L de sus aminoácidos, mientras que los hidratos de carbono están formados por unidades de azúcares exclusivamente de las formas isoméricas D. Por tanto, las células tienen que diferenciar entre las dos formas.

Carbono quiral. Al presentar cuatro grupos distintos asociados al carbono, las moléculas con quiralidad pueden presentar un tipo de esteroisomeria en la que las moléculas son imágenes especulares: moléculas espejo

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¿LA INTOLERANCIA A LA LACTOSA SE PUEDE EVITAR?

Los glúcidos, también conocidos como azúcares, ya que muchos de ellos tienen sabor dulce, son unas de las principales biomoléculas que forman parte de los seres vivos, sobre todo a nivel energético y estructural. También reciben el nombre de hidratos de carbono, debido a que inicialmente se conocía su fórmula estequiométrica simple, (CH2O)n, lo que llevaba a pensar que eran carbonos hidratados, aunque esta fórmula es una simplificación, ya que muchos de ellos están modificados. Estas biomoléculas están formadas por una cadena de carbonos unidos a grupos hidroxilo (-OH) e hidrógenos (-H), además presentan un grupo carbonilo (-C=O), que dependiendo de la posición que ocupe en la cadena de carbono será un aldehído (C-1) o cetona (C-2), clasificándose respectivamente como aldosas o cetosas. Los azúcares, atendiendo a su complejidad estructural, se clasifican en tres grandes grupos: los monosacáridos, los oligosacáridos y los polisacáridos. Los monosacáridos son los más simples y presentan un único grupo carbonilo. Los oligosacáridos son cadenas cortas de varios residuos de monosacáridos unidos mediante un enlace denominado O-glicosídico, que consiste en el establecimiento de un puente de oxígeno entre dos grupos hidroxilo de dos monosacáridos. Los más abundantes son los disacáridos, formados por la unión de dos monosacáridos. Finalmente los polisacáridos, que son polímeros de glúcidos que contienen más de veinte unidades de monosacáridos, pueden llegar a alcanzar hasta cientos o miles de unidades, como por ejemplo la celulosa, que desempeña una función estructural de vital importancia en las plantas.

Los monosacáridos son sólidos, cristalinos e incoloros, solubles en agua y muchos tienen un sabor dulce. Los glúcidos en general, y los monosacáridos en particular, presentan una propiedad fundamental denominada isomería, es decir, existen diferentes moléculas que presentan igual fórmula molecular pero distinta estructura tridimensional. Por ejemplo la fructosa y la glucosa presentan la misma fórmula empírica (C6H12O6), pero con diferente estructura, pues la glucosa es una aldosa y la fructosa una cetosa, por lo que se consideran isómeros estructurales. Esto es debido a la existencia de uno o más carbonos asimétricos (carbono quiral). Estos carbonos están unidos a cuatro grupos diferentes, y de ahí su capacidad de crear isómeros. Además de los isómeros estructurales, también encontramos isómeros espaciales o estereoisómeros, que vienen determinados por la posición del grupo hidroxilo de sus carbonos quirales. Dependiendo del número de átomos de carbonos quirales que posean tendrán 2n estereoisómeros, ya que el grupo hidroxilo puede aparecer a la derecha o a la izquierda. Según la posición del grupo hidroxilo del carbono quiral más alejado del grupo carbonilo, se denominan estereoisómeros D (a la derecha) o estereoisómeros L (a la izquierda). Además, podemos encontrar dos tipos de estereoisómeros, los enantiómeros —que en el caso de las triosas (monosacáridos de tres carbonos) únicamente encontramos estos debido a que poseen un único carbono quiral, como es el caso del gliceraldehído, que posee dos enantiómeros, el D-gliceraldehído y el L-gliceraldehído— y los diastereómeros, que no son imágenes especulares —este tipo de estereoisómeros los encontramos en monosacáridos de más de tres átomos de carbono, como las tetrosas, pentosas y hexosas, de cuatro, cinco y seis átomos de carbono respectivamente—. Por ejemplo, en el caso de las hexosas podemos encontrar las aldohexosas, con cuatro carbonos quirales, por lo tanto tendrán 24 estereoisómeros, con ocho pares de enantiómeros, y las cetohexosas con tres carbonos quirales, 23 estereoisómeros, con cuatro pares de enantiómeros. Las formas tridimensionales de los monosacáridos se representan sobre el papel empleando las fórmulas de proyección de Fischer, en las cuales se observa un eje central de carbonos con los enlaces de los grupos hidroxilo e hidrógeno hacia derecha o izquierda, según el monosacárido del cual se trate. Estas cadenas lineales, si presentan cinco o seis átomos de carbono (pentosas y hexosas), suelen encontrarse en disolución acuosa en forma de estructura cíclica (en anillo), en las que el grupo carbonilo forma un enlace covalente con el oxígeno del grupo hidroxilo del carbono situado en la cuarta o la quinta posición, respectivamente, formando anillos de cinco eslabones, furanosas, o de seis eslabones, piranosas. Estas moléculas cíclicas, que se representan mediante las fórmulas en perspectiva de Haworth, presentan un carbono asimétrico adicional, denominado carbono anomérico, y pueden, por tanto, existir en dos formas esteroisoméricas, denominadas anómeros, designadas como α y β, que difieren en la posición del grupo hidroxilo (-OH) del carbono anomérico.

Glucidos. Representación de Fisher (izquierda) y perspectiva de Haworth (derecha) de algunos azúcares importantes para la vida: D-Glucosa y D-Fructosa.

Además de los monosacáridos simples como la glucosa o la galactosa, existen una serie de derivados de los azúcares en los que un grupo hidroxilo del compuesto original está reemplazado por otros sustituyentes, como es el caso de los aminoazúcares, donde el grupo –OH es reemplazado por un grupo amino (-NH2). Por ejemplo, la glucosamina, un constituyente del ácido hialurónico que forma parte de las articulaciones y, por ello, su consumo está aconsejado en personas con problemas de artritis; o la galactosamina, sintetizada a partir de la galactosa, que es un constituyente de ciertas hormonas como la hormona folicoestimulante (FSH), es fundamental en el proceso reproductivo, ya que controla el ciclo menstrual y estimula la producción de óvulos en las hembras y espermatozoides en los machos.

Los disacáridos son los oligosacáridos más abundantes. Los ejemplos más característicos son la maltosa, la lactosa y la sacarosa. La maltosa, también conocida como azúcar de malta, está formada por la unión de dos moléculas de glucosa. Es un producto de fácil digestión, ya que se separa fácilmente mediante la adición de agua liberando un único producto, la glucosa, por lo que es utilizado en alimentos infantiles, ya que sirve como fuente de energía para el organismo. La lactosa está presente en todas las leches de los mamíferos y también puede encontrarse en muchos alimentos preparados: es el llamado azúcar de la leche. Está formada por la unión de una molécula de glucosa y otra de galactosa. Para metabolizarla es necesaria la presencia de una enzima denominada lactasa (β-galactosidasa en bacterias), que es producida en el intestino delgado y rompe la lactosa en sus componentes más simples, la glucosa y la galactosa, para la absorción por nuestro organismo. Si hay poca producción de lactasa, o esta no realiza bien su función, aparecen dificultades para digerir la lactosa, por lo que se genera una intolerancia a la misma. Dependiendo del grado de intolerancia a la lactosa que se observe, se pueden administrar suplementos de la enzima lactasa antes de consumir productos lácteos, y así evitar la aparición de los síntomas de dicha intolerancia. Sin embargo, esto no es aplicable a todas las personas que sufren el trastorno, por ello el tratamiento más eficaz es la supresión en la dieta de los alimentos que contengan lactosa.

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SI OTROS ANIMALES PUEDEN ALIMENTARSE DE HIERBA, ¿POR QUÉ LOS HUMANOS NO?

Los azúcares son una de las principales fuentes de energía de una inmensa mayoría de los organismos vivos. Como acabamos de ver en la pregunta anterior, estas moléculas se pueden encontrar en diferentes formas en la naturaleza. Las formas más simples se denominan monosacáridos, los cuales se pueden combinar mediante un enlace O-glicosídico para formar estructuras más complejas denominadas oligosacáridos. Estos pueden estar formados por dos unidades de monosacáridos únicamente, denominados disacáridos, o por muchas unidades formando los denominados polisacáridos.

Los polisacáridos contienen más de veinte unidades de monosacáridos. Se diferencian entre sí en el número de monosacáridos que se repiten. Así podemos encontrar homopolisacáridos, que contienen un único tipo de monómero, y heteropolisacáridos, que contienen dos o más tipos de monómeros diferentes. Los polisacáridos se pueden clasificar según la función que desempeñen en el organismo del cual formen parte, así tenemos polisacáridos que sirven de almacenamiento de energía para la célula, como pueden ser el almidón y el glucógeno, mientras que otros actúan como elementos estructurales de las células, como por ejemplo la celulosa.

El almidón y el glucógeno son los polisacáridos de reserva más importantes de la naturaleza, el almidón en las células vegetales y el glucógeno en las células animales. Ambos se acumulan en el interior de las células en gránulos, quedando a disposición de esta para su consumo. El almidón está formado por dos compuestos de diferente estructura, la amilosa y la amilopectina, ambos homopolisacáridos de monómeros de glucosa que se unen mediante enlaces diferentes. Se acumula fundamentalmente en tubérculos como la patata. El proceso de digestión del almidón implica la ruptura de este hasta los monómeros de glucosa, para ello dicha digestión comienza en la boca gracias a la acción de la enzima amilasa para continuar en el intestino delgado hasta su absorción. Gracias a los acúmulos de almidón que posee la patata, su consumo es una fuente de energía para nuestro organismo. Por su parte, el glucógeno es un homopolisacárido compuesto también por unidades de glucosa. Es almacenado en el hígado y músculo esquelético, y ayuda a aumentar los niveles de glucosa en sangre en caso de hipoglucemia, como por ejemplo durante la noche.

Polisacáridos. Representación de los dos polisacáridos más abundantes en la naturaleza: almidón y celulosa. Obsérvese la diferencia en el enlace O-glucosídico que mantienen unidos los monosacáridos. Se indica el nombre de la enzima responsable de su descomposición.

La celulosa es un homopolisacárido compuesto por unidades de glucosa, que actúa como elemento estructural de las células vegetales. Se encuentra en las paredes celulares y constituye gran parte de la masa de la madera. A pesar de estar compuesta por unidades de glucosa, al igual que el almidón, no puede ser utilizada por los animales como fuente de energía, ya que carecen de la enzima capaz de hidrolizarla. Pero ¿por qué puede ser utilizado el almidón como fuente de energía por los animales y no la celulosa, si ambos están compuestos por unidades de glucosa? Esto es debido a su estructura. La celulosa está formada por monómeros de glucosa con configuración β, mientras que en el almidón son de la configuración α, lo que hace que la estructura y propiedades físicas de los enlaces presentes en ambas moléculas sean muy diferentes y, por tanto, su hidrólisis ocurra de forma diferente. Mientras que el almidón es hidrolizado por la enzima amilasa, la celulosa lo es por la enzima celulasa. Los únicos seres capaces de sintetizar dicha enzima son determinados microorganismos, algunos de los cuales se alojan en el sistema digestivo de diferentes animales, que permiten la hidrólisis de la celulosa para poder utilizarla como fuente de energía. Entre ellos, protozoos del género Trichonympha, el cual se aloja en el sistema digestivo de las termitas, y les permite hidrolizar la celulosa que contiene la madera que ingieren.

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¿SABÍAS QUE LAS MISMAS MOLÉCULAS QUE FORMAN EL ADN HACEN FUNCIONAR EL MÚSCULO?

Los nucleótidos son biomoléculas que desempeñan diversas funciones en los organismos vivos. Son, por ejemplo, los responsables de formar los ácidos nucleicos, las macromoléculas que contienen la información genética, y que serán estudiadas más adelante con detenimiento. Además, desarrollan funciones en el metabolismo celular actuando como reserva energética como coenzimas o intermediarios metabólicos. También pueden actuar como moléculas señalizadoras, en respuesta a hormonas u otros estímulos extracelulares. En este apartado, vamos a descubrir cómo estas moléculas, a pesar de ser relativamente pequeñas, son capaces de realizar todas estas funciones esenciales para la vida.

Los nucleótidos. A. Estructura general de los nucleótidos; formados por una pentosa sobre la que se asocia la base nitrogenada y uno o varios fosfatos. B. Estructura de las bases nitrogenadas.

Los nucleótidos están compuestos por una pentosa (ribosa), a la que se une una base nitrogenada y de uno a tres grupos fosfato (–PO42-). La ribosa es una aldopentosa con estructura en anillo, formada por cinco átomos de carbono y un átomo de oxígeno, que cicla el azúcar en configuración β. Pueden ser de dos tipos: aquellos en los que el segundo carbono está unido a un radical de hidrógeno (-H), que reciben el nombre de 2’-desoxi-D-ribosa y son responsables de conformar los ácidos desoxirribonucleicos (ADN) y aquellos que presentan un radical hidróxilo (-OH) en esa posición, que se denominan D-ribosa y están presentes en los ácidos ribonucleicos (ARN). Las bases nitrogenadas, que aparecen asociadas a la pentosa, son moléculas también cíclicas, de carbono y nitrógeno en este caso. Este último otorga carácter básico a estas moléculas, que pueden derivar de dos compuestos: la purina, que da lugar a las bases púricas, y la pirimidina, que produce las bases pirimidínicas. Existen dos tipos de bases púricas que forman parte de los nucleótidos: la adenina (A) y la guanina (G). Por su parte, las bases pirimidínicas son tres: la citosina (C), la timidina (T) y el uracilo (U). La unión de la pentosa con la base nitrogenada se realiza mediante un enlace N-β-glucosídico, resultado de la reacción entre un grupo hidroxilo del carbono 1 (C1’) de la pentosa y el nitrógeno 1 (N1) de la pirimidina, o el nitrógeno 9 (N9) en el caso de las purinas. Como resultado de esta reacción, se produce la liberación de una molécula de agua y la formación del nucleósido (azúcar + nucleótido). La unión de un ion fosfato (-PO42-) al nucleósido, mediante un enlace éster con un grupo hidroxilo (-OH) de la pentosa, tiene como resultado la formación del nucleótido.

Aunque la función más conocida de los nucleótidos es ser los ladrillos que constituyen el ADN y el ARN, algunas de estas moléculas, denominadas nucleótidos no nucleicos, se encuentran libres en la célula. Este es el caso de los nucleótidos trifosfato, responsables de almacenar y transportar energía por el citoplasma. El adenosín-5-trifosfato (ATP) y el guanosín-5-trifosfato (GTP) son los ejemplos más característicos. Estos nucleótidos portan tres enlaces ricos en energía, formados entre los fosfatos. Estos enlaces reciben el nombre de enlaces α, β y γ, es α el que envuelve al carbono de la pentosa y γ el que une el último fosfato. La hidrólisis de estos enlaces fosfato puede llegar a liberar 45 kJ/mol (en el caso del β), energía que puede ser empleada en una amplia variedad de procesos celulares. Además de la energía asociada a estos enlaces, las altas concentraciones de ATP que suele haber en el interior celular hacen que termodinámicamente sea muy favorable su rotura, lo que aumenta el valor energético de la reacción de hidrólisis del enlace. Estos nucleótidos trifosfato son moléculas que se encuentran en todos los seres vivos y constituyen la fuente principal de energía utilizada por las células para realizar sus funciones, como es el caso, por ejemplo, del músculo esquelético, que necesita romper millones de estos enlaces para poder contraerse.

Otros ejemplos de nucleótidos no nucleicos son las coenzimas, moléculas que ayudan a las enzimas a realizar las diferentes reacciones químicas que ocurren en los organismos, como por ejemplo el NADH, el FADH o la coenzima A. La NADH (nicotinamida adenina dinucleótido) está compuesta por dos nucleótidos unidos a través de sus grupos fosfatos, uno de los cuales presenta una base de adenina y el otro una nicotinamida. La FADH (flavín adenín dinucleótido) está compuesta por una unidad de riboflavina (vitamina B2), unida a una molécula de ADP. Estas moléculas funcionan como intermediarias en procesos físico-químicos que tienen lugar en los organismos vivos, fundamentalmente aportando o absorbiendo (en sus enlaces de alta energía) los electrones obtenidos en las reacciones. Es decir, son moléculas con poder oxidorreductor, que es la capacidad de algunas moléculas de aceptar o donar electrones que ocupan orbitales de alta energía. La principal función de la NADH en el metabolismo celular es la transferencia de electrones de una reacción redox (oxidorreducción) a otra, catalizadas por un grupo de enzimas denominadas oxidorreductasas. La FAD también interviene en el metabolismo celular como coenzima de algunas oxidorreductasas, reduciéndose y oxidándose. Como veremos más adelante, estas moléculas tienen un papel importante en la obtención de energía para la célula. La coenzima A (CoA) es una molécula que tiene una estructura en forma de brazo que le permite movilizar grupos químicos de carbono, como por ejemplo el grupo acetilo (-CO-CH3), con el que forma el denominado acetil-CoA, que es un importante intermediario en el metabolismo de todas las células.

Algunos nucleótidos funcionan como moléculas reguladoras de la respuesta celular. Las células responden al entorno extracelular gracias a señales químicas que reciben como hormonas o neurotransmisores. Esto lo hacen mediante la unión a una proteína de membrana que se encuentra en las células, denominada receptor de membrana, el cual promueve la producción de segundos mensajeros. El adenosín monofosfato cíclico (AMP-cíclico) es un nucleótido que actúa como segundo mensajero, en el cual el grupo fosfato establece un segundo enlace éster con el -OH del carbono 3’ de la pentosa. De esta forma el fosfato queda unido a la ribosa por dos puntos, creando lo que se denomina un puente intermolecular. Esta molécula se forma a partir del ATP a través de una enzima asociada a la cara interna de la membrana, cerca de los receptores de membrana, denominada adenilato ciclasa.

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¿PODRÍAMOS VIVIR SIN COMER PROTEÍNAS?

Las proteínas constituyen las macromoléculas orgánicas más abundantes en los seres vivos, representan el 50 % del peso celular seco de un organismo. Participan en una enorme variedad de procesos biológicos y ejercen una gran diversidad de funciones como transporte de sustancias, movimiento, catalizadores de reacciones metabólicas, etc. Estructuralmente, son polímeros denominados polipéptidos y constituidos por la unión de las biomoléculas llamadas aminoácidos. Hay veinte aminoácidos diferentes que se combinan para formar la multitud de proteínas que presenta un organismo. Cada aminoácido está constituido por un carbono quiral, denominado carbono α, que está unido a cuatro grupos: un grupo amino básico (-NH2), un grupo carboxilo ácido (-COOH), un átomo de hidrógeno y un grupo denominado cadena lateral (grupo R), que es característico de cada aminoácido y varía en estructura y composición química. Estos aminoácidos se unen entre sí mediante un tipo de enlace covalente, denominado enlace peptídico, para formar las diferentes proteínas. Este enlace se forma por condensación del grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de otro, liberándose una molécula de agua. Cada cadena polipeptídica tendrá una longitud determinada dependiendo del tipo de proteína, con lo que quedan un grupo amino y un grupo carboxilo libres en los extremos opuestos de dicha cadena, denominados amino terminal y carboxilo terminal respectivamente.

A cada aminoácido se le denomina por un código de tres letras, que consiste en las tres primeras letras del nombre del aminoácido, o mediante un símbolo de una sola letra. El nombre de los aminoácidos generalmente proviene de la fuente de la cual se aislaron inicialmente, por ejemplo, la asparagina (Asn) se encontró en el espárrago, de ahí su nombre. Cada uno de los veinte aminoácidos contiene en sus cadenas laterales diferentes grupos químicos, que se distinguen por sus características químicas dominantes. Existen diferentes formas de clasificar los aminoácidos con base en estas características, una de ellas es basándose en la carga neta de sus grupos R. Así los podemos clasificar en tres grupos:

Aminoácidos neutros, en los cuales la cadena lateral no tiene grupos ionizables y, por tanto, su carga eléctrica neta es cero. Estos aminoácidos se dividen en dos clases con base en su polaridad: apolares o hidrofóbicos; es decir, insolubles en agua, y polares o hidrofílicos, solubles en agua. Los aminoácidos apolares son la glicina (Gly, G), alanina (Ala, A), prolina (Pro, P), valina (Val, V), leucina (Leu, L), isoleucina (Ile, I), metionina (Met, M), fenilalanina (Phe, F), tirosina (Tyr, Y) y triptófano (Trp, W), las cadenas laterales de estos tres últimos aminóacidos son anillos aromáticos. Los aminoácidos polares son la serina (Ser, S), treonina (Thr, T), cisteína (Cys, C), asparagina (Asn, N) y glutamina (Gln, Q), los grupos funcionales de este tipo de aminoácidos pueden formar puentes de hidrógeno con el agua.

Aminoácidos básicos. Estos contienen en su cadena lateral grupos capaces de captar protones a pH fisiológico, lo que les otorga carga positiva. Estos aminoácidos son la arginina (Arg, R), histidina (His, H) y lisina (Lys, K).

Los aminoácidos ácidos presentan un grupo carboxilo (-COO-) en la cadena lateral, que a pH fisiológico desprenden H+ y adquieren carga negativa. A este grupo pertenecen los aminoácidos aspartato (Asp, D) y glutamato (Glu, E).

El método para obtener cada uno de estos aminoácidos varía de unos organismos a otros. Existen algunos que son capaces de sintetizar todos ellos, como es el caso de los organismos autótrofos (plantas, algas y muchas bacterias). Sin embargo, en el caso de los organismos heterótrofos, como los animales, hongos, bacterias descomponedoras y protozoos, que emplean la materia orgánica elaborada por otros organismos, no son capaces de producir todos los aminoácidos. Por esta razón, en estos organismos se distinguen dos tipos de aminoácidos: los aminoácidos no esenciales, que son los que pueden sintetizar a partir de distintos compuestos intermediarios del metabolismo celular, y los aminoácidos esenciales, que no pueden ser sintetizados y deben ser incluidos a través de los alimentos en la dieta. En el caso de los mamíferos solo pueden sintetizar la mitad de los veinte aminoácidos (Ala, Try, Asp, Cys, Glu, Gln, Gly, Pro, Ser y Asn). Cada aminoácido posee su propia vía de síntesis. Esta característica hace que el estudio de la síntesis de los aminoácidos sea extremadamente complejo. Todos proceden de intermediarios de la glucólisis, del ciclo de Krebs o de la ruta de las pentosas fosfato, procesos del metabolismo celular que se abordarán más adelante.

Los aminoácidos. Estructura de los grupos R de los veinte aminoácidos proteinogénicos. Obsérvese que en la prolina, la cadena lateral está unida al grupo amino del carbono quiral.

Existen alimentos proteicos, tanto de origen animal como vegetal, que poseen todos los aminoácidos esenciales, por ejemplo, los huevos, la carne o la soja son fuentes proteicas que poseen estos aminoácidos. Además, hay que tener en cuenta que los organismos no pueden almacenar los aminoácidos, el exceso de ellos es eliminado mediante procesos catabólicos, por ello es necesario tener una dieta rica en alimentos que posean los aminoácidos esenciales que necesita nuestro organismo.

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¿CÓMO SE ALMACENA EL AGUA EN LA JOROBA DE LOS CAMELLOS?

En general, los lípidos son moléculas caracterizadas por presentar cadenas más o menos largas de hidrocarburo, y por tanto apolares. Esta cadena de carbonos e hidrógenos puede presentarse en forma lineal, reciben entonces el nombre de cadena alifática, para diferenciarlo de cuando la cadena forma estructuras cerradas o cíclicas que reciben el nombre de aromáticas. La ausencia de polaridad en los lípidos impide que puedan formar puentes de hidrógeno con otras moléculas, y por tanto no pueden ser solvatados por las moléculas de agua. En estas condiciones, las moléculas de agua tienden a ordenarse alrededor de las cadenas apolares para minimizar el contacto con ellas, lo que resulta un proceso entrópicamente desfavorable. Como consecuencia, los lípidos tienden espontáneamente a juntar sus regiones apolares para reducir al mínimo la superficie de contacto con el agua. Por eso, si colocamos varias gotas de aceite en una cacerola con agua, estas terminan juntándose y formando una única gota. Esta propiedad que presentan los lípidos de huir del agua recibe el nombre de hidrofobicidad. Además de esta región hidrofóbica que caracteriza a estas moléculas, los lípidos tienen que presentar alguna región mínimamente polar en su estructura que les permita poder interaccionar con el agua y, por tanto, con la vida. En general, cuando una molécula presenta una parte de su estructura polar y otra parte apolar decimos que esa molécula es anfipática, como es el caso de los lípidos. Aunque dependiendo del lípido en cuestión, mayor o menor será su carácter anfipático.

Los lípidos pueden clasificarse en varios tipos dependiendo de su estructura. Los más sencillos son los ácidos grasos, que se caracterizan por presentar como región polar un grupo carboxilo (–COOH) en el extremo de una cadena alifática. En ocasiones, pueden presentar dobles enlaces en la cadena de carbonos, lo que recibe el nombre de insaturaciones. Es importante recordar que un doble enlace entre dos átomos de carbono puede adquirir dos conformaciones espaciales diferentes; una en la cual los carbonos que están unidos a los que forman el enlace quedan al mismo lado del plano del enlace, denominado enlace en cis, y otra en la que los carbonos unidos a los que forman el doble enlace quedan a lados opuestos del plano de enlace, reciben entonces el nombre de enlace en trans. La mayoría de los ácidos grasos presentes en la naturaleza tienen sus insaturaciones en forma cis, lo que produce que la cadena hidrocarbonatada sufra una torsión rígida. Cuando el ácido graso no presenta ningún doble enlace en la cadena hidrocarbonatada, se dice que el ácido graso es saturado y por tanto muy flexible.

Los ácidos grasos. Ejemplo de dos ácidos grasos: ácido palmítico y ácido-α-linoleico. Remarcar el cambio estructural asociado a la molécula de la derecha como consecuencia de portar insaturaciones (dobles enlaces).

Como consecuencia del proceso de síntesis de estas biomoléculas, proceso que abordaremos más adelante, la inmensa mayoría de los ácidos grasos están formados por un número par de átomos de carbono. Uno de los ácidos grasos más pequeños es el ácido caprílico o ácido n-octanoico, con fórmula molecular (C8H16O2). Este pequeño lípido saturado está presente en algunos aceites vegetales y en la leche de los mamíferos y tiene la propiedad de actuar como antibiótico contra algunas bacterias. En el otro extremo, el ácido graso más grande e insaturado presente en la naturaleza es el ácido docosahexaenoico (C22H32O2), que presenta veintidós átomos de carbono y seis insaturaciones en cis en su estructura, por lo que se dice que es un ácido graso poliinsaturado. Este ácido graso forma parte de la denominada serie omega-3, un grupo de ácidos grasos presentes en gran cantidad en las grasas de los peces y que cumplen importantes funciones fisiológicas en todos los animales, incluido el ser humano, donde es importante, entre otras cosas, para el correcto funcionamiento del corazón. Por esto es aconsejable el consumo de pescado azul (con más grasas que el blanco) para prevenir problemas cardiacos.

Aunque normalmente la cadena alifática de los ácidos grasos es lineal, algunos microorganismos realizan modificaciones en la cadena y producen ramificaciones. Es el caso, por ejemplo, de ácido tuberculoesteárico (C19H38O2), que recibe su nombre por ser identificado por primera vez en la bacteria Mycobacterium tuberculosis, agente causante de la tuberculosis.

En general, el alto contenido energético de la cadena alifática, por ser una molécula rica en electrones de alta energía, hace que una de sus funciones más importantes sea energética y suministradora de calor. Simplificando, podríamos asemejar el proceso de degradación y obtención de energía a partir de los ácidos grasos como un proceso de combustión de hidrocarburos. Suponiendo la ausencia de dobles enlaces, podría decirse que la fórmula general de descomposición de dos carbonos de la cadena alifática de un ácido graso es:

2 (–CH2–) + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O + Energía/Calor (aprox. 7 Kcal/g)

Hay que destacar que durante el proceso de degradación del ácido graso, que va a permitir la obtención de la energía, existe una liberación importante de moléculas de agua (una molécula por cada átomo de carbono consumido). Estas moléculas de agua son utilizadas por algunos organismos para prevenir situaciones de falta de alimento y deshidratación. Es el caso, por ejemplo, de los camélidos. Estos animales, que habitan regiones extremadamente áridas del planeta, han desarrollado un depósito de energía y agua en sus jorobas en forma de grasa, que será consumido en caso de necesidad. Los diez o quince kilos que pueden llegar a pesar las jorobas de un camello o la de un dromedario están formados fundamentalmente de grasa. De hecho, tras un ayuno o deshidratación prolongada del animal las jorobas disminuyen o incluso desaparecen.

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¿CUÁLES SON LOS PODERES DEL JABÓN PARA ELIMINAR LA SUCIEDAD?

En la naturaleza, los ácidos grasos normalmente aparecen asociados covalentemente a una molécula de glicerol, a través de un enlace conocido como éster. Los triésteres de glicerol, denominados triglicéridos (o triacilglicéridos) y vulgarmente conocidos como grasas, son importantes reservas de energía en muchos organismos vivos, incluido el ser humano, donde son almacenadas en forma de gotas en el interior de células especializadas denominadas adipocitos. Los tejidos formados por estas células llenas de grasa, además de tener este papel de reserva energética, también pueden actuar como aislante térmico. Las diferentes funciones en las que participan los tejidos adiposos están directamente relacionadas con las propiedades de los triglicéridos ahí almacenados.

La forma más común en la que se presentan los ácidos grasos es en forma de glicerofosfolípidos. Estas moléculas se forman por la unión éster de dos ácidos grasos a una molécula de glicerolfosfato en configuración L (quedando el fosfato en el lado opuesto a los ácidos grasos). Existen muchos tipos de glicerofosfolípidos, que se diferencian fundamentalmente por el grupo al que está unido el fosfato, o el tipo de ácido graso que lo compone. La principal característica que cabe mencionar de estas moléculas es la nueva estructura anfipática que adquiere la molécula de lípido respecto al ácido graso aislado. Mientras que en los ácidos grasos la molécula presenta una estructura cónica, en la que la base de mayor diámetro coincide con la cabeza polar del grupo ácido, en los glicerofosfolípidos la estructura es cilíndrica, ya que el diámetro de la región polar, representada en este caso por el fosfato y los enlaces ésteres, es similar al ocupado por las dos cadenas alifáticas de los ácidos grasos. Además, como estas cadenas presentan frecuentemente insaturaciones, esto impide que las cadenas puedan empaquetarse, obligando a la presencia de espacio entre las cadenas, y por tanto aumentando considerablemente el volumen apolar de la molécula. Esta diferencia en la distribución espacial de la hidrofobicidad entre ácidos grasos y glicerofosfolípidos permite explicar las formas que adquieren estos compuestos al disolverse en el agua. Mientras que los ácidos grasos aislados tan solo pueden formar pequeñas gotas esféricas denominadas micelas, los glicerofosfolípidos tienden a formar extensas superficies en forma de bicapas lipídicas. Las bicapas lipídicas son las estructuras más grandes que presenta una célula, y son más o menos fluidas (estables) dependiendo en gran medida del número de insaturaciones de los ácidos grasos allí presentes. Hay que recordar que un enlace simple entre dos carbonos permite a estos rotar y, por tanto, la ausencia de insaturaciones en las cadenas alifáticas se traduce en moléculas con gran flexibilidad. Por esta causa, las grasas que presentan ácidos grasos saturados son sólidos a temperatura ambiente (como la mantequilla), ya que las cadenas libres de movimiento pueden adquirir estructuras en el espacio casi cristalinas. Por el contrario, ácidos grasos que presentan insaturaciones, al tener limitada su capacidad de estructuración espacial, se presentan en forma de fluido, como por ejemplo el aceite de oliva.

Los lípidos. A. Estructura de los lípidos más abundantes. Se indica mediante sombreado la parte polar de las moléculas (claro) y la parte hidrofóbica (oscuro). B. Forma que adquieren los lípidos en disolución acuosa.

Existe un grupo muy importante de lípidos que se forma a partir de una pequeña molécula denominada isopreno (C5H8) que recibe el nombre genérico de terpenos. La estructura de estos compuestos lipídicos difiere en mucho de la vista hasta ahora, ya que predominan las estructuras aromáticas, es decir, cíclicas. De hecho, el nombre de estructuras aromáticas se estableció porque algunas de estas moléculas son responsables de las fragancias de algunas plantas y de diferentes olores. Los terpenos se clasifican en diversos grupos, ya que existe una gran variedad de estructuras y funciones de estas moléculas. Un grupo de terpenos con especial relevancia son los esteroides, caracterizados por presentar un esqueleto molecular formado por cuatro anillos. Este esqueleto recibe el nombre de ciclopentanoperhidrofenantreno y crea una estructura plana sobre la cual se asocian diferentes grupos químicos para dar lugar a los diferentes esteroides que existen (hormonas, vitaminas, mediadores inflamatorios, etc.). Entre ellos, cabe destacar el colesterol. En este caso, la polaridad de los grupos que son adicionados al esqueleto mantiene una total simetría y quedan todos los grupos polares en la misma cara de la molécula. Esto da un carácter altamente anfipático a la molécula de colesterol, lo que le permite interaccionar con las membranas biológicas. De hecho, el colesterol es el máximo responsable de dar rigidez a las membranas de las células animales, de ahí que un exceso de esta molécula en la sangre produzca un endurecimiento de las paredes de los vasos y una inflamación conocida como arteriosclerosis. Pero además el colesterol es expulsado al intestino a través de la vesícula biliar, junto con otras moléculas anfipáticas (sales biliares), con el fin de disolver las grasas de la dieta y ayudar a su digestión.

El carácter anfipático de los lípidos, y su capacidad para disolver las grasas, han sido utilizados por el ser humano desde hace miles de años. Al calentar las grasas de los animales junto con sales alcalinas, como hidróxido de sodio (NaOH, comúnmente conocida como sosa), se obtiene un precipitado gomoso que crea mucha espuma en contacto con el agua y permite eliminar las manchas. El calor y la sosa producen la rotura de los enlaces ésteres que mantienen unidos los ácidos grasos de los triglicéridos presentes en el tejido adiposo del animal. Como resultado de esta reacción conocida como saponificación, se obtiene glicerol, agua y las formas libres de los ácidos grasos que formaban el triglicérido que, tras la evaporación del agua, apantallan sus cargas asociándose electrostáticamente al sodio (Na+-OOC-(CH2)n), lo que deriva en la formación de la sal sódica del ácido graso (lo que comúnmente se denomina jabón). Al entrar en contacto con el agua, los iones sodio son rápidamente solvatados, lo que provoca una fuerte carga negativa en la cabeza del ácido graso. Como ya se comentó anteriormente, la estructura de cono que adquiere la polaridad de la molécula promueve la formación de micelas, en cuyo interior se albergará la suciedad apolar, que no se elimina con agua, como las grasas. De esta forma, los jabones realizados por el ser humano, del mismo modo que los realizados por la naturaleza, consiguen la fragmentación de las sustancias grasas.

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¿ASÍ QUE AHORA HAY QUE IMAGINAR LAS CÉLULAS CON BALSAS DE GRASA EN SU SUPERFICIE?

Las células contienen barreras naturales en su periferia que separan su contenido del medio que las rodea, denominadas membranas biológicas. Sin embargo, estas barreras no las aíslan completamente, sino que permiten el paso de ciertos iones o moléculas que se encuentra a su alrededor y constituyen un elemento de comunicación tanto con el entorno como con otras células. Por ello, se suelen denominar membranas semipermeables. Esta propiedad que confieren las membranas biológicas a las células es debida a su composición. Las membranas son estructuras dinámicas y fluidas formadas por una bicapa lipídica (45-50 %) con proteínas asociadas (45-50 %) y una pequeña cantidad de glúcidos (4-8 %), aunque esta composición puede variar dependiendo del tipo de célula que se observe.

El conocimiento de la estructura y composición de las membranas biológicas fue posible gracias a pruebas de microscopía electrónica donde se observaban dos bandas oscuras separadas por una banda clara, que, en combinación con estudios de composición química, así como estudios físicos de permeabilidad y del movimiento de moléculas individuales de proteínas y lípidos dentro de las membranas, condujeron a Singer y Nicholson en 1972 a establecer el modelo del mosaico fluido. Este modelo establece que las membranas biológicas se componen de una doble capa de lípidos, fosfolípidos, dispuestos en empalizada, donde los extremos apolares e hidrófobos (ácidos grasos) de cada capa están enfrentados hacia el interior y los extremos hidrofílicos (cabezas polares) dirigidos hacia el exterior e interaccionan con la fase acuosa a cada lado. Hay proteínas incrustadas en la bicapa lipídica, gracias a interacciones hidrofóbicas entre los lípidos de la membrana y los dominios hidrofóbicos de las proteínas, que pueden ser transmembrana o estar asociadas a la cara interna o externa. También existe un pequeño porcentaje de glúcidos presentes en las membranas, que forman complejos tanto con los lípidos (glicolípidos) como con las proteínas (glicoproteínas). Las proteínas presentes a ambos lados de la bicapa son diferentes, lo que les confiere una asimetría funcional. Además, los lípidos individuales y las unidades proteicas que forman parte de las membranas no son estáticos, es decir, pueden trasladarse lateralmente en el plano de la membrana, esto es posible gracias a que la mayoría de las interacciones entre los componentes de las membranas no son covalentes. Esta capacidad de desplazamiento de los componentes de las membranas hace que puedan denominarse mosaico fluido.

Los lípidos más abundantes de la bicapa lipídica son los glicerofosfolípidos, los cuales están compuestos por una molécula de glicerol unida a dos ácidos grasos y un grupo fosfato. La característica que les hace ser los componentes más abundantes de las membranas biológicas es su carácter anfipático, es decir, que son moléculas que poseen una región apolar insoluble en agua (las colas de los ácidos grasos) y una región polar soluble en agua (la cabeza constituida por el alcohol y el fosfato). Esta característica hace que se pueda constituir la bicapa lipídica, donde las porciones hidrofóbicas en cada monocapa, excluidas del agua, interaccionan entre sí, y las cabezas hidrofílicas interaccionan con el agua en cada superficie de la bicapa, con lo que desempeñan una función estructural en las membranas, además de conferirles una alta fluidez debido a que son capaces de moverse, lo que permite que ocurra una permeabilidad selectiva de moléculas, imprescindibles en muchos procesos celulares. Esta fluidez depende sobre todo de la longitud y del número de insaturaciones (formación de dobles enlaces entre los carbonos de dichas cadenas) del ácido graso. Cuanto más cortos y más insaturados son los ácidos grasos, más fluida es la membrana. Entre los fosfolípidos se intercalan otros lípidos, entre ellos los esfingolípidos y el colesterol. La cantidad de colesterol presente en la bicapa varía de unas células a otras, y representa un factor determinante en la fluidez de la membrana; cuanto mayor sea la cantidad de colesterol presente en la bicapa, esta será menos fluida, ya que interactúa con los fosfolípidos de membrana reduciendo su movilidad y por tanto aumentando la rigidez de la membrana.

Las balsas lipídicas. Representación esquemática de una membrana biológica conteniendo una balsa lipídica. En la región donde se localizan las proteínas y el colesterol, los fosfolípidos de la membrana presentan una mayor compactación.

Según se ha ido avanzando en el conocimiento de las membranas biológicas el modelo de mosaico fluido ha sido sustituido por lo que se denomina modelo de balsas de membrana o balsas lipídicas (lipid rafts, RAFTs), el cual, según muchos autores, es solo una ampliación del modelo anterior. El modelo de mosaico fluido plantea una distribución más o menos homogénea de los lípidos a lo largo de la bicapa lipídica, sin embargo, en el año 1988, Simons y van Meer propusieron el modelo de microdominios lipídicos, que dio lugar al modelo que explicamos aquí. Ambos plantearon que existen microdominios de lípidos compuestos principalmente por la asociación de glicolípidos, esfingolípidos y colesterol, que se mantienen estrechamente empaquetados y forman una fase lipídica más densa que los glicerofosfolípidos que componen el resto de la bicapa. Esto es debido a que los esfingolípidos son un tipo de fosfolípidos cuyos ácidos grasos son más largos y saturados, lo que confiere un engrosamiento mayor de la membrana y una mayor estabilidad. La estabilidad de la membrana también está favorecida por la mayor proporción de colesterol, observándose como balsas de grasas en zonas específicas de la membrana. Esta mayor estabilidad de la membrana hace que las proteínas queden estabilizadas en dichas balsas, ya que tienen menor capacidad de desplazamiento, por lo que son zonas donde las proteínas ejercen su función. Se han realizado diversos estudios que han llevado a establecer que estas balsas son muy diversas y dinámicas en cuanto a tamaño y composición, y las proteínas de membrana asociadas les confieren distintas propiedades y funciones. Se trata, por tanto, de microdominios lipídicos especializados de la membrana, más empaquetados y por ello menos fluidos, implicados en muchos procesos celulares, como el transporte a través de membranas, la transducción de señales extracelulares, apoptosis, infecciones provocadas por virus, endocitosis y exocitosis.

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¿ES REALMENTE MALO EL COLESTEROL?

El colesterol es un lípido del grupo de los esteroides, sustancias que derivan de la molécula ciclopentanoperhidrofenantreno (esterano), un hidrocarburo policíclico de diecisiete átomos de carbono. En concreto, el colesterol pertenece a la familia de los esteroles, y se encuentra presente en la membrana de la mayoría de las células eucariotas animales. Presenta un grupo hidroxilo (-OH) unido al carbono 3 del núcleo esteroide cíclico, el cual le confiere un carácter hidrofílico; y un cuerpo apolar hidrofóbico, relativamente rígido, formado por el núcleo esteroide, que consiste en cuatro anillos fusionados de diecisiete carbonos y una cadena lateral hidrocarbonada de ocho carbonos. Es el principal esterol en los animales, donde lleva a cabo diversas funciones, además de ser un componente estructural de las membranas biológicas por aportarles resistencia y regular su fluidez. También es un precursor de muchas moléculas esteroides, como las hormonas esteroideas y ácidos biliares implicados en la emulsión de lípidos en el duodeno durante la digestión. Por tanto, el colesterol es una molécula muy importante para el organismo. Sin embargo, no es necesario ingerirlo con la dieta, ya que todas las células pueden sintetizarlo en el retículo endoplásmico liso, a partir de precursores sencillos.

Estructura del colesterol. Las regiones sombreadas indican la parte polar (claro) y apolar (oscuro) de la molécula.

La síntesis de colesterol en los vertebrados tiene lugar fundamentalmente en el hígado, donde una pequeña fracción se incorpora a las membranas de los hepatocitos, y la mayor parte se exporta en una de las tres formas siguientes: colesterol biliar, ácidos biliares o ésteres de colesterol. Los ácidos biliares y sus sales ayudan a la digestión de los lípidos en el duodeno. Los ésteres de colesterol son moléculas de colesterol a las que se ha unido covalentemente un ácido graso para ser almacenadas en el hígado o ser transportadas en partículas de lipoproteínas secretadas hacia otros tejidos que utilizan colesterol. El transporte del colesterol hacia otros tejidos y órganos es esencial en la vida de un organismo, ya que todos los tejidos necesitan colesterol para la síntesis de las membranas de las células que los componen y algunos órganos lo utilizan para la síntesis de distintas sustancias como las hormonas esteroideas y la vitamina D. Dado que el colesterol es una molécula hidrofóbica, insoluble en agua, para su transporte en sangre este se fusiona con unas proteínas transportadoras específicas denominadas apolipoproteínas, que consisten en complejos esféricos con el colesterol en el núcleo y cadenas laterales hidrofílicas de la proteína en la superficie. Estas lipoproteínas plasmáticas no solo transportan el colesterol que se sintetiza en el hígado, sino que transportan todo tipo de lípidos, tanto los sintetizados por nuestro organismo como los ingeridos en la dieta. Existen cuatro tipos de lipoproteínas encargadas de ello, estas son los quilomicrones, los cuales se sintetizan en el retículo endoplásmico de las células epiteliales que recubren el intestino delgado y transportan los triacilgliceroles de la dieta, hasta los tejidos en donde serán almacenados o consumidos, principalmente el tejido adiposo, muscular y cardiaco. Una vez liberadas las grasas, queda lo que se conoce como remanentes de quilomicrones, que tienen un menor tamaño y una mayor concentración relativa de colesterol. Estos viajan por el sistema circulatorio hasta el hígado, donde liberan el colesterol que será catabolizado, es decir, degradado. Si hay un exceso de triacilgliceroles en la dieta estos llegan al hígado a través de los remanentes de quilomicrones y se empaquetan en apolipoproteínas específicas denominadas lipoproteínas de densidad muy baja (VLDL), que también contienen colesterol y ésteres de colesterol, y los transportan desde el hígado a otros tejidos, en donde los triacilgliceroles se degradan por la lipoproteína lipasa, las VLDL se convierten en lipoproteínas de baja densidad (LDL), ricas en colesterol y sus ésteres, que los transportan a través de la sangre hasta otros tejidos donde son captadas por endocitosis facilitada por receptores de membrana. El último tipo de lipoproteínas son las lipoproteínas de densidad alta (HDL), que se sintetizan en el hígado y en el intestino delgado y llevan a cabo el transporte inverso del colesterol, es decir, eliminan el colesterol de la sangre transportándolo hasta el hígado. Parte de este colesterol se convierte en sales biliares.

Dado que la HDL ayuda a la eliminación del exceso de colesterol de los tejidos es popularmente conocida como colesterol bueno, por ello altos niveles de este tipo de lipoproteína en sangre disminuye el riesgo de enfermedades cardiacas. Por su parte, la LDL es conocida como colesterol malo, ya que es encargada de transportar el colesterol desde el hígado a las células de los diferentes tejidos. Si observamos niveles altos de esta lipoproteína en sangre, indica que esta no entra en los tejidos, quedando acumulada en los vasos, y aumentando el riesgo de sufrir una enfermedad cardiovascular.

El organismo ha tenido que establecer una regulación para evitar la sobreacumulación de colesterol en el organismo. Una producción descontrolada de colesterol puede ser causa de estas enfermedades, ya que cuando la suma de colesterol sintetizado y el obtenido de la dieta supera la cantidad requerida para la síntesis de membranas, sales biliares y esteroides, este se acumula en los vasos sanguíneos y forma lo que se conoce como placas ateroscleróticas, con el resultado de la obstrucción de estos vasos. Por su parte, una disminución en la síntesis del receptor de LDL también aumenta el colesterol extracelular y el riesgo de enfermedad cardiovascular. Además, también podemos encontrar casos de hipercolesterolemia asociados a factores genéticos, un tipo es lo que se conoce como hipercolesterolemia familiar, en la cual existe una mutación del gen codificante para el receptor de LDL, que produce un receptor defectuoso. En estos individuos no se produce la captación de colesterol facilitada por este receptor, por lo que se acumula en sangre y contribuye a la formación de placas ateroscleróticas.

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¿CÓMO NOS ALIMENTA EL INTESTINO?

Para poder existir, las células necesitan captar determinadas sustancias que se encuentran en el exterior. Es decir, introducir al citoplasma átomos o moléculas que se encuentran al otro lado de la membrana plasmática que la delimita. Las sustancias que una célula necesita incorporar varían desde pequeños iones como el sodio (Na+) o el calcio (Ca2+) a moléculas relativamente grandes como la glucosa (C6H12O6). Existen algunos tipos celulares que necesitan incorporar moléculas mucho mayores (macromoléculas como las proteínas), o incluso organismos enteros, como es el caso de los macrófagos, que son capaces de internalizar bacterias enteras. En este apartado no abordaremos este tipo de mecanismos de internalización puesto que en estos casos las sustancias no atraviesan realmente la membrana, sino que entran al interior de la célula envueltos con parte de ella. Por tanto, aquí nos centraremos en los mecanismos que permiten a determinadas sustancias atravesar físicamente la membrana celular.

Las membranas biológicas, formadas por una bicapa lipídica semifluida de fosfolípidos, actúan como una barrera selectiva al paso de diferentes sustancias. Permiten el paso directo a través de ella de pequeñas moléculas sin carga a favor de su gradiente de concentración, como por ejemplo los gases o las moléculas de agua. Este proceso se conoce como difusión simple. La vibración que presentan las cadenas hidrocarbonadas de los fosfolípidos deja momentáneamente pequeños espacios que permiten el paso de estas moléculas a través de la membrana. Sin embargo, y como es fácil suponer, la mayoría de sustancias que la célula necesita son de mayor tamaño o presentan cargas, impidiendo su difusión, como pueden ser iones, azúcares, nucleótidos o aminoácidos. Para conseguir la incorporación de estas sustancias, la célula genera diferentes mecanismos que permiten este transporte, y de ahí que se conozca como difusión facilitada o transporte pasivo. Esto se consigue con diferentes proteínas transmembrana, que atraviesan varias veces la membrana plasmática, facilitan el paso de sustancias hidrofílicas a través de ellas y, por tanto, no llegan a entrar en contacto con el interior hidrofóbico de la membrana. Existen dos tipos principales de estas proteínas: los canales y los transportadores. Las más simples son los canales, los cuales forman un poro hidrofílico que atraviesa la membrana plasmática, lo que permite el paso de determinados solutos a favor de gradiente de concentración. Los transportadores, también llamados proteínas transportadoras o permeasas, permiten el paso de solutos específicos mediante modificaciones conformacionales. El transporte pasivo ocurre a favor de gradiente de concentración, siempre y cuando el soluto no tenga carga. Si este tiene carga, hay que tener en cuenta además del gradiente de concentración, el gradiente eléctrico a través de la membrana, lo que se denomina gradiente electroquímico. La mayoría de las membranas plasmáticas poseen una diferencia de potencial a ambos lados, existen más cargas negativas en el interior y más cargas positivas en el exterior, por lo que favorece la entrada de iones cargados positivamente.

En muchas ocasiones las células precisan incorporar solutos a su interior en contra de gradiente, para el cual necesitan de un aporte de energía. Por ello, se denomina transporte activo. Para realizarlo precisa de unos transportadores específicos, también llamados bombas o transportadores acoplados, dependiendo de la fuente de energía que utilicen para impulsar el paso de dichos solutos en contra de gradiente. En el caso de los transportadores acoplados, aprovechan la energía liberada por la entrada espontánea a favor de gradiente de un soluto, como pueden ser los gradientes iónicos, para transportar otro en contra de gradiente. En el caso de las células animales, el gradiente iónico utilizado para impulsar el transporte activo de un soluto en contra de gradiente suele ser el Na+. Este es el caso de las células epiteliales del intestino, las cuales participan en la absorción de los nutrientes. En las regiones apicales de estas células existen multitud de transportadores acoplados a Na+ que transportan activamente hacia el interior celular los nutrientes, como por ejemplo la glucosa. En estos transportadores la glucosa y el Na+ se unen a regiones distintas del transportador. El Na+, al entrar a favor de gradiente electroquímico, arrastra a la glucosa hacia el interior celular en contra de su gradiente. Como consecuencia de este transporte de la glucosa, se produce un aumento de entre diez y veinte veces de la concentración de Na+ en el interior celular. Para mantenerla los niveles de este ion, y poder introducir glucosa, la célula necesita expulsar el Na+ al exterior, para lo que utiliza un transporte mediado por las bombas de Na+/K+. Como acabamos de comentar, estas bombas requieren de un aporte energético para realizar este transporte, concretamente la hidrólisis de un enlace rico en energía presente en el adenosín trifosfato (ATP). Por cada molécula de ATP hidrolizada se transportan tres Na+ hacia el exterior y dos K+ hacia el interior. Para que se lleve a cabo este proceso, lo primero que ocurre es la unión del Na+ a la región citosólica de la bomba seguido de la hidrólisis de una molécula de ATP, con lo que se libera uno de sus fosfatos, el cual se une a la bomba y genera un cambio de conformación que hace que se transporte el Na+ al exterior. En ese momento el K+ del exterior se une a la región extracelular de la bomba, la cual es desfosforilada, recobrando su conformación original y liberando el K+ al interior celular. Debido a todo este proceso la bomba de Na+/K+ también recibe el nombre de Na+/K+ ATPasa. Ya que en algunos organismos, en los que la distribución de cargas está invertida, puede ser utilizada para producir ATP.

Transporte de sustancias en las células. En la figura se muestras los diferentes mecanismos que permiten el transporte a través de la membrana.

Este mecanismo, mediado por las bombas Na+/K+, no solo es utilizado para absorber la glucosa que ingerimos en la dieta, sino también para el transporte de la mayoría de los nutrientes al interior de los enterocitos que forman la pared del intestino delgado. Además, este transportador, presente en todas las células de nuestro cuerpo, ayuda a multitud de procesos, como el mantenimiento de la presión osmótica, el tamaño celular o la comunicación nerviosa.

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¿QUÉ SECRETO POSEE LA TELA DE ARAÑA QUE LA HACE TAN RESISTENTE?

Los aminoácidos que forman las proteínas de los seres vivos se denominan α-aminoácidos por presentar un carbono quiral o carbono α (Cα) que está unido a cuatro residuos químicos diferentes: un hidrógeno (-H), un grupo amino (-NH2), un grupo carboxilo (-COOH) y una cadena lateral que varía de un aminoácido a otro. Los α-aminoácidos tienen la propiedad de poder reaccionar entre sí para crear un enlace peptídico, lo que permite la formación de cadenas más o menos largas de aminoácidos llamadas polipéptidos que presentarán un grupo carboxilo en un extremo y un grupo amino en el otro. La secuencia de aminoácidos que forman el polipéptido recibe el nombre de estructura primaria, y en último término es lo que va a determinar cómo se pliega la cadena y, por tanto, la función que pueda desempeñar. El enlace peptídico se forma por la reacción del grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de otro y liberando una molécula de agua. El enlace peptídico se caracteriza por presentar una estructura plana y rígida creada sobre los átomos O-C-N. En estas condiciones, los electrones de valencia de estos átomos implicados en el enlace crean un orbital denominado π, en el que la nube electrónica recorre los tres núcleos. Como el átomo central, el carbono, es menos electronegativo que los otros dos, los electrones tienden a pasar del oxígeno al nitrógeno.

Del mismo modo que ocurre con los dobles enlaces entre carbonos, el enlace peptídico puede presentar dos estructuras, dependiendo de si los átomos de carbono adyacentes al enlace (carbonos quirales) están al mismo lado (forma cis) o a lados opuestos (forma trans) del plano de enlace. Por lo general, los enlaces peptídicos presentes en las proteína tienen la conformación trans, lo que mantiene las cadenas laterales lo más alejadas posible y permite que puedan rotar con mayor libertad. Esta libertad de rotación viene determinada por el tamaño de estos grupos químicos, tienen mayor libertad cuanto menor sea su tamaño. Gracias a los trabajos del bioquímico indio G. N. Ramachandran, publicados en 1963, se pudo establecer que las cadenas laterales de los α-aminoácidos que forman un enlace peptídico se presentan mayoritariamente en dos posiciones más o menos fijas: las denominadas conformaciones en α-hélice o conformaciones en lámina β. En efecto, en las proteínas, las cadenas laterales de los aminoácidos normalmente se disponen formando una de estas conformaciones, que reciben el nombre de estructura secundaria del polipéptido. Estas regiones con estructura secundaria se encuentran fragmentadas dentro de la proteína, y conectadas entre sí por segmentos que carecen de estructura definida, denominados lazos o loops.

Las α-hélices presentan normalmente su giro a derechas y a pesar de formar estructuras muy resistentes (como la triple hélice del colágeno) son relativamente flexibles. Es la forma más común de plegamiento en que se encuentran las proteínas, y a través de la combinación de varias hélices y loops pueden formarse complejas estructuras globulares. Esta estructura globular, denominada estructura terciaria de las proteínas, también puede combinarse entre sí o con otras proteínas mediante uniones no covalentes. Así pueden formar complejos macromoleculares aún mayores, lo que se denomina estructura cuaternaria de las proteínas. Este es el caso de los tetrámeros de hemoglobina responsables de transportar el oxígeno y el dióxido de carbono por la sangre, donde cuatro proteínas globulares de hemoglobina se asocian entre sí para aumentar la eficacia en la captación y liberación de los gases.

Por su parte, las láminas β tienen la peculiaridad de crear un plano de simetría a ambos lados de la cadena polipeptídica, donde de forma alterna se colocan las diferentes cadenas laterales de los aminoácidos que forman la proteína. Esta estructuración extremadamente ordenada de los residuos aminoacídicos hace que las cadenas de láminas β puedan ser apiladas muy eficazmente, lo que permite crear estructuras muy resistentes y flexibles, como es, por ejemplo, el caso de la tela de las arañas. Algunos arácnidos e insectos son capaces de crear estructuras sedosas formadas por finos hilos, de apenas unas micras de grosor (la seda). Estos hilos están formados mayoritariamente por una proteína conocida de forma genérica como fibroína. Dependiendo de la especie concreta de araña o insecto, la composición de aminoácidos de la fibroína cambia, alterando las propiedades de resistencia y flexibilidad de los hilos. Estas proteínas son ricas en aminoácidos de glicina (Gly) y otro aminoácido que puede ser apolar, como la alanina (Ala), o polar como la serina (Ser), que se organizan como láminas β de forma alternada. Esta disposición hace que los hidrógenos de la Gly queden a un mismo lado del plano de la cadena polipeptídica, mientras que los grupos metilo (-CH3) de las alaninas, o el grupo alcohol (-OH) de las serinas, quedan al lado opuesto. Esto permite que otra lámina β pueda acoplarse e interaccionar por fuerzas hidrofóbicas entre los metilos o los puentes de hidrógeno entre los alcoholes. Estas uniones resultan en fibras nanométricas, formadas por millares de unidades de fibroína que adquieren en conjunto una estructura casi cristalina, altamente resistente a la fuerza de tensión y de gran flexibilidad. Estas fibras a su vez se asocian para formar el hilo de seda definitivo. La posibilidad de alterar la composición química de las cadenas laterales de los aminoácidos que forman la lámina β de la fibroína, ha permitido desarrollar nuevos materiales aún más resistentes, con los que ya se han desarrollado, por ejemplo, chalecos antibalas.

Estructuras de las proteínas. A. Formación del enlace peptídico. B. Estructuras secundarias de las proteínas: α-hélice (izquierda), β-lámina (derecha). C. Estructura terciaria (derecha; dímero de fibroína de la tela de araña) y cuaternaria (izquierda; tetrámero de hemoglobina humana). Código PDB de las cristalografías: 5U3I, 3UA0.

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HUEVO FRITO, ESCALFADO O DURO, ¿CÓMO EL CALOR PUEDE CONSEGUIRLO?

La estructura globular o terciaria que adquiere un polipéptido en el espacio está determinada fundamentalmente por la secuencia de aminoácidos que lo compone. Sin embargo, con los programas informáticos más modernos y utilizando los ordenadores más potentes, hoy día no somos capaces de predecir la estructura espacial que adquiere una proteína a partir de su secuencia, ni cómo consigue establecerse. Si se considera una proteína pequeña, de unos ciento veinte aminoácidos, esta puede adquirir unas 1050 conformaciones diferentes, si por cada intento de adquirir la conformación correcta se necesitaran 10-13 segundos, para plegar esta proteína se necesitarían ¡1030 años! Sin embargo, en un tubo de ensayo, la proteína se pliega en menos de un minuto.

La dificultad en establecer cómo y por qué se pliega en el espacio una proteína reside fundamentalmente en el efecto que el entorno tiene sobre este plegamiento. Como ya se comentó anteriormente, existen veinte tipos distinto de aminoácidos proteinogénicos (que forman las proteínas). De forma general, los aminoácidos se pueden diferenciar en dos grandes grupos: los apolares o hidrofóbicos (que al no poder ser solvatados buscan minimizar su contacto con el agua) y los polares (que sí pueden ser solvatados por el agua). Cuando un polipéptido presenta varios aminoácidos apolares, sus cadenas laterales tienden a unirse por las denominadas fuerzas de van der Waals. Estas interacciones entre los aminoácidos hidrofóbicos de la cadena polipeptídica son la principal causa de dar estructura tridimensional a las proteínas y generan en ellas un núcleo interno hidrofóbico. Por otro lado, entre los aminoácidos polares se pueden distinguir a su vez dos grupos: aquellos que no tienen carga o neutros y los que sí presentan carga, que puede ser tanto positiva (reciben el nombre de aminoácidos básicos, por presentar grupos amino: –NH3+) o negativa (aminoácidos ácidos, con grupos carboxilo: –COO-). Estos grupos químicos cargados, dispuestos en lugares específicos de la cadena polipeptídica, interaccionan entre sí mediante fuerzas electroestáticas (atracción entre cargas de signo opuesto), lo que da solidez a determinadas partes estructurales de las proteínas. Estos aminoácidos cargados también suelen estar presentes en los centros activos de las enzimas, donde actúan como catalizadores de las reacciones que allí ocurren. Los aminoácidos neutros, que presentan grupos alcohol (–OH), tienen gran facilidad para formar puentes de hidrógeno con el agua. Estos puentes de hidrógeno sustentan la estructura de la proteína desde fuera y permiten que sea soluble. Finalmente, existe un aminoácido no cargado denominado cisteína (Cys, C), cuya cadena lateral presenta un grupo sulfidrilo (–SH). Los grupos sulfidrilos de dos cisteínas pueden reaccionar oxidándose y formando una molécula de agua. La unión entre las dos cisteínas recibe el nombre de puente disulfuro (-S–S-) y representa un fuerte enlace difícil de romper. Este tipo de enlace es utilizado por la vida tanto para estabilizar la estructura de las proteínas como para unir diferentes proteínas entre sí.

En el caso de estos últimos enlaces, los puentes disulfuro, su rotura necesita de un agente reductor potente, capaz de donar electrones a los azufres que forman el enlace, y que así puedan atrapar el protón del agua que habían perdido, recuperando su forma sulfidrilo (–SH). Este tipo de interacción es la más estable y resistente de las vista aquí. Sin embargo, el resto de interacciones que ayudan a mantener la estructura de las proteínas son mucho más débiles e inestables. Volvamos con las interacciones electrostáticas que se producen entre aminoácidos cargados. La carga presente en estos grupos está condicionada al pH del medio en el que se encuentra la proteína. El grupo amino y el carboxilo son respectivamente una base y un ácido débil. Esto quiere decir que dependiendo de la concentración que presente la disolución de grupos oxonio (H3O+) e hidróxidos (OH-), estos grupos tienden respectivamente a donar o captar protones. A un pH fisiológico, normalmente entre 7,3 y 7,4, la mayor parte de los grupos amino se presentan en su forma protonada (–NH3+) y los carboxilos en su forma desprotonada (–COO-). Sin embargo, una acidificación del medio, es decir, un aumento de las formas oxonio del agua, deriva en una unión de parte de estos protones al grupo carboxilo, eliminando así su carga (–COOH). Por su parte, si se produce una disminución de la concentración de oxonios, un aumento del pH, la mayor parte de los grupos amino se desprenderán de su tercer protón, y adquirirán la forma neutra (–NH2). Por tanto, cambios en el pH del medio derivan en un cambio en el contenido de cargas de las proteínas, lo que produce cambios en su estructura global.

Los puentes de hidrógeno, formados entre las moléculas del agua y los grupos polares-neutros del exterior de la proteína, pueden verse comprometidos por la concentración de sales en la disolución en la que se encuentra la proteína. En efecto, las moléculas de agua tienen gran tendencia a solvatar las moléculas cargadas, como los iones. De esta forma, si se produce un aumento en la concentración de iones en el entorno, parte de las moléculas de agua que solvatan la proteína pasan a interaccionar con estos iones, y hacen que la proteína pierda solubilidad y en parte su estructura. Al disminuir el carácter polar del entorno, por la huida de las moléculas de agua hacia los iones disueltos en el medio, los grupos apolares, localizados en el interior de la proteína, ya no tienen la necesidad de mantenerse ocultos. Esta disminución en las fuerzas de van der Waals, que mantienen compacto el núcleo hidrofóbico de las proteínas, produce una pérdida de su estructura que puede llegar a exponer al exterior estos residuos del núcleo hidrofóbico de la proteína. Los residuos hidrofóbicos de diferentes polipéptidos tienden a unirse entre sí (por su tendencia a huir del agua), lo que provoca la precipitación de las proteínas. Este proceso de pérdida de solubilidad de las proteínas, como consecuencia de la presencia de iones en el medio, recibe el nombre de precipitación por salado, o en inglés salting out.

Junto al pH y la concentración de sales del medio, la temperatura es el tercer factor determina la forma en la que la cadena polipeptídica adquiere su estructura tridimensional. Como ya se comentó anteriormente, la energía térmica de un sistema está relacionada directamente con la velocidad de translación y vibración de las moléculas que componen dicho sistema. De esta forma, un aumento de la temperatura del medio en el que se encuentra una proteína se traduce en una mayor vibración de esta. Si la energía térmica aplicada al sistema es mayor que la energía de las interacciones que mantiene la estructura, estas uniones se romperán y por tanto se perderá la conformación espacial de la proteína. De esta forma, si se calienta una disolución que contiene proteínas, la rotura de las interacciones intramoleculares va a favorecer que los grupos hidrofóbicos escondidos en el interior sean expuestos al exterior. Como acabamos de ver, esto produce la interacción inespecífica de los grupos apolares de diferentes proteínas y promueve su precipitación. Esto es lo que ocurre cuando cocinamos un huevo. El gran contenido proteico del huevo, fundamentalmente la parte de la clara, al ser sometido a alta temperatura, va a producir una desnaturalización masiva de las proteínas, lo que se traduce en la formación de un precipitado sólido, resultado de la unión de todas las proteínas del huevo.

Desnaturalización de proteínas. La estructura que adopta una proteína en solución está definida por las interacciones intramoleculares y la solvatación con las moléculas del entorno.

Independientemente del motivo, siempre que una proteína pierde su estructura, y especialmente cuando las regiones hidrofóbicas del interior son expuestas, se dice que la proteína se ha desnaturalizado. Este proceso de desnaturalización ha tenido una gran relevancia para la vida, ya que los cambios de pH, salinidad o temperatura son algo frecuente en el entorno de los seres vivos. Como se verá más adelante, la vida ha tenido que desarrollar diferentes mecanismos para evitar este efecto, que de forma general se conocen como mecanismos de estrés térmico.

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¿LAS CÉLULAS TIENEN TERMOSTATO?

Como acabamos de ver, uno de los parámetros más importantes que determinan la estructura que adquiere una cadena polipeptídica (proteína) en el espacio, junto a la secuencia de aminoácidos que la compone y el pH de la disolución en la que se encuentra, es la temperatura. Es decir, una secuencia de aminoácidos se organiza en el espacio para poder realizar determinada función a determinada temperatura y pH. Sin embargo, la temperatura del medio en el que se encuentran los organismos vivos varía con relativa facilidad, lo que puede producir cambios en la estructura de sus proteínas y con ello la pérdida de su actividad. Este fenómeno por el que una proteína pierde su estructura se denomina desnaturalización, y además de producir la pérdida de la actividad de la proteína, pone en peligro la integridad de toda la célula.

Como consecuencia del proceso de desnaturalización, residuos hidrofóbicos, que normalmente están ocultos en el interior de la proteína, son expuestos al medio acuoso, y tienden espontáneamente a esconderse en el interior de otras proteínas (induciendo su desnaturalización) o a interaccionar con las regiones hidrofóbicas expuestas de otras proteínas desnaturalizadas. Esta aglomeración de proteínas termina por perder solubilidad en el citoplasma y precipita en el interior celular, lo que produce la muerte de la célula por necrosis. De hecho, durante la síntesis de las proteínas, fundamentalmente las de gran tamaño, es necesaria la acción de ciertas proteínas que impiden que los residuos hidrofóbicos expuestos, antes del plegamiento definitivo de la proteína, puedan inducir procesos de precipitación. Estas proteínas, denominadas chaperonas, tienen muchas funciones diferentes, pero fundamentalmente están diseñadas para unirse a proteínas desplegadas e intentar que recuperen su estructura o eliminarlas.

Desde la aparición de las primeras formas de vida, la temperatura ha jugado un papel fundamental en la evolución, obligando a la selección de diferentes genes que permiten paliar los efectos de la desnaturalización masiva de proteínas. Estos mecanismos moleculares, que se activan por un cambio brusco de temperatura, reciben el nombre genérico de respuesta de choque térmico o estrés térmico. Las proteínas implicadas en estos procesos son denominadas proteínas de choque térmico (en inglés HSP, heat shock proteins). Las HSP son chaperonas que se clasifican por su tamaño y que están especializadas en diferentes procesos asociados a la respuesta de choque térmico. Una de las más activas en las células eucariotas es la HSP70 (con un tamaño aproximado de 70 KDa). Esta chaperona, presente en todos los eucariotas, tiene una estructura en forma de tijera, capaz de asociarse por uno de sus extremos a regiones mal plegadas de las proteínas. Cuando la HSP70 interacciona con la proteína mal plegada, se produce un cambio conformacional que promueve la activación del dominio ATPasa localizado al otro extremo de la chaperona. La energía liberada por la hidrólisis del enlace de alta energía presente en el ATP induce a un cambio conformacional que es transferido al dominio de interacción con la proteína mal plegada, que realiza un movimiento de cizalla capaz, en ocasiones, de restaurar la estructura de la proteína dañada. En caso de no conseguir la recuperación de la proteína, la HSP70 también participa en el proceso de ubiquitinación de la proteína y su consiguiente destrucción en el proteosoma.

Otra de las características de la respuesta al choque térmico, conservada en todos los eucariotas estudiados, es la implicación de la HSP90 en el proceso de activación genética de esta respuesta. Además de las chaperonas que puedan estar presentes en el momento del choque térmico, la célula necesita regular la síntesis de proteínas y producir más chaperonas en cantidad suficiente como para evitar la precipitación masiva. De hecho, la primera consecuencia del cambio brusco de temperatura es detener la síntesis de proteínas en general, y priorizar exclusivamente la de chaperonas. De esta forma, si el estímulo térmico continua, no se producen más proteínas que puedan desnaturalizarse y empeorar la situación. En eucariotas superiores, la HSP90 se presenta en condiciones normales como un homodímero asociado a un factor denominado factor de choque térmico-1 (HSF-1 son sus siglas en inglés). Esta chaperona es especialmente sensible a la temperatura, presentando ciertos dominios en su estructura que sufren cambios conformacionales con aumentos de pocos grados. Estos cambios en la estructura de la chaperona induce a la liberación de HSF-1, por la disminución de la capacidad de los dímeros de HSP90 para mantenerle unido. Este factor también se encuentra asociado a un complejo formado por la HSP70 y HSP40. Cuando la HSP70 que está formando el complejo HSP70/HSP40/HSF-1 se asocia a una proteína desnaturalizada, se produce la separación del complejo y la liberación del HSF-1. Una alta concentración de HSF-1 soluble en el citoplasma (no unida a las chaperonas) facilita la trimerización del factor (unión de tres moléculas) que pueden viajar al núcleo y unirse a determinadas regiones del genoma, denominadas elementos de choque térmico (en inglés, HSE). Estas secuencias del genoma de las células se localizan en regiones próximas a los genes que codifican para las HSPs. La unión de trímero de HSF-1 a un HSE induce a la transcripción del gen HSP allí codificado y permite la síntesis de nuevas chaperonas que ayudarán al mantenimiento de la célula. A medida que la cantidad de proteínas desnaturalizadas vuelven a sus niveles normales, y las nuevas copias de HSP70, 40 y 90 se acumulan en el citoplasma, el factor HSF-1 será nuevamente asociado a sus respectivos guardianes y pondrá freno al proceso de activación. De esta forma, las células son capaces de percibir los cambios de temperatura que se producen en el medio en el que se encuentran, actuando como un termostato molecular altamente preciso.

Respuesta a estrés térmico. Las proteínas de estrés o choque térmico HSP90, HSP70 y HSP40, son responsables de reprimir la acción del trímero HSF-1. Dicho trímero es el responsable de disparar la respuesta genética de adaptación al cambio de temperatura.

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¿SE PUEDE PERDER LA CABEZA SOLO CON LA MODIFICACIÓN DE ALGUNAS PROTEÍNAS?

El interior de todas las células eucariotas contiene un entramado de diferentes filamentos proteicos que, de forma general, reciben el nombre de citoesqueleto. Aunque el término esqueleto nos hace pensar en una estructura pasiva, el citoesqueleto celular, muy por el contrario, es un conjunto de proteínas extremadamente dinámicas que no solo dan rigidez a las células y permiten que adquieran formas sorprendentes, como la que presentan por ejemplo las neuronas, sino que puede actuar, como veremos en la siguiente pregunta, a modo de entramado ferroviario para el desplazamiento de diferentes estructuras internas de la célula. El citoesqueleto está formado por tres tipos distintos de filamentos, denominados filamentos intermedios, microtúbulos, y filamentos de actina. Cada uno de ellos es responsable de realizar una función diferente y, por tanto, cada uno está formado por proteínas diferentes. La estrategia general seguida por las células eucariotas para la construcción de los tres tipos de filamentos es la misma: consiste en asociar pequeñas proteínas (unidades) en fila, pero no con uniones covalentes, como ocurre en el ADN o en el ARN con los nucleótidos, sino con uniones transitorias, que permiten la formación y destrucción rápida de los filamentos. El relativamente pequeño tamaño de las subunidades proteicas que forman el filamento permite que estas puedan difundir a gran velocidad por el citoplasma de la célula (tarda entre uno o dos segundos en cruzar una célula normal de un lado al otro), y de esta forma, mientras las subunidades se disocian de un filamento en un extremo de la célula, en el opuesto se puede formar otro nuevo.

Para dar mayor solidez al filamento, las unidades se asocian primero formando fragmentos lineales relativamente pequeños, llamados protofilamentos, que se asocian a su vez entre sí, normalmente enrollándose unos sobre otros para formar una hélice. Este es el caso de los microtúbulos y los filamentos de actina. Las subunidades que forman estos dos tipos de filamentos (tubulina y actina respectivamente) se caracterizan por presentar una estructura globular que al polimerizar forman filamentos compactos y globulares. Por su parte, las subunidades que forman los filamentos intermedios son de mayor tamaño, lo que deriva en filamentos más alargados y aplanados. Estos filamentos son muchos más estables y estáticos, de ahí que su función principal sea la de mero soporte estructural, como por ejemplo cuando forman la lámina nuclear: un entramado fibroso localizado debajo de la membrana nuclear donde se fijan los cromosomas y los poros nucleares (estructuras proteicas que actúan como canales de salida y entrada al núcleo). Aunque representan la forma más rígida de filamento, los filamentos intermedios no son utilizados por todas las células e incluso no aparecen en algunos organismos eucariotas. Por eso, en este apartado nos centraremos en los otros dos tipos de filamentos, cuya presencia es ubicua en todos los eucariotas.

En general, los protofilamentos formados por actina o tubulina crecen o decrecen en función de la concentración de unidades activas en el citoplasma. Las unidades activadas, listas para la polimerización, tienen asociada una molécula de nucleótido trifosfato (ATP en la actina y GTP en la tubulina). La unión de una unidad al polímero induce la hidrólisis de su nucleótido y la obtención de la forma difosfato (ADP o GDP). Una vez hidrolizado el nucleótido, la unidad pierde afinidad, lo que hace más fácil su liberación del polímero. En realidad, estos filamentos sufren un continuo recambio de unidades, sobre todo en sus extremos. Las unidades activadas y libres en el citoplasma están unidas normalmente a otras proteínas que impiden o facilitan la unión de las unidades a los filamentos (en la actina, por ejemplo, la timosina y la profilina respectivamente). La estructura de estas unidades y la forma en la que se produce la unión de las diferentes unidades al protofilamento hacen que el polímero formado presente polaridad. Es decir, ambos extremos de la cadena formada son diferentes. Usemos como ejemplo los microtúbulos.

Las unidades de tubulina que forman los microtúbulos están formadas por dos subunidades muy parecidas denominadas α y β tubulina, a diferencia de la actina que es una única proteína. Estas subunidades se asocian de forma altamente estable, utilizando para ello un nucleótido GTP unido a la subunidad α, que queda atrapado entre las dos subunidades una vez unidas. La subunidad β, que forma el dímero, presenta también un bolsillo de unión a GTP, que en este caso queda expuesto hacia el exterior. Si se produce la unión de una molécula del nucleótido trifosfato a este sitio, la estructura adquirida por la subunidad β hace que una subunidad α de otro dímero pueda interaccionar eficazmente. De esta forma se produce la polimerización de los protofilamentos, con lo que queda en uno de sus extremos la subunidad α de un dímero, y en el opuesto la subunidad β de otro. Cada uno de los extremos de un protofilamento presenta diferente cinética de asociación/disociación de dímeros, de tal forma que en todos los filamentos un extremo crece o se descompone de forma más eficiente que el otro. A este extremo se le denomina más (+) que en los microtúbulos corresponde el ocupado con la subunidad β unida a GTP (o GDP si el dímero de tubulina al que pertenece la subunidad hace tiempo que está unido al filamento). Decenas o miles de protofilamentos se pueden unir para formar un filamento completo. En el caso de los microtúbulos, trece protofilamentos se asocian lateralmente (interaccionando subunidades α y β) formando un cilindro que deja un hueco vacío en su interior, lo que explica que sean los filamentos más gruesos (25 nm).

Teniendo en cuenta el carácter inestable de estos dos tipos de filamentos, fundamentalmente de los extremos, la célula necesita de mecanismos específicos para poder crear estructuras no perecederas. Para ello, el extremo menos (-) se puede asociar a determinadas proteínas en un proceso que se denomina nucleación del filamento. Los microtúbulos se nuclean a partir de una gran estructura multiproteica llamada centrosoma, donde se encuentra la tubulina γ, proteína capaz de unirse y estabilizar los extremos - de los trece protofilamentos que forman el microtúbulo, que irradian hacia la membrana con el extremo + al frente. Por su parte, los filamentos de actina, excepto en el músculo, son nucleados en la membrana por la unión del extremo - a unas proteínas muy similares a la actina, de ahí su nombre, ARP (del inglés, actin-related proteins), y se extienden por debajo de ella. Los protofilamentos de actina, además, pueden formar ramificaciones a través de su interacción con otras proteínas como las formas solubles de la ARP (arp2 y arp3), que permite formar una malla tridimensional debajo de la membrana denominada córtex celular. Por su parte, la miosina-I es capaz de ayudar a la reorganización de esta malla. De esta forma, al ser el extremo + el que queda libre, puede producir rápidas modificaciones de la membrana celular, permitiendo, por ejemplo, el movimiento mediado por pseudópodos de las amebas o los macrófagos del sistema inmunitario.

Los microtúbulos. Formación de un microtúbulo desde la formación de las unidades activas (dímero de α y β tubulina) hasta la estabilización por MAPs.

Mientras la estabilización del extremo - es relativamente semejante en los dos, la estabilización del extremo + presenta más diferencias. En el caso de la actina, existen proteínas que se asocian justo en el extremo, como la tropomodulina del músculo, que impiden la despolimerización. En el caso de los microtúbulos, sin embargo, la estabilización se produce de forma lateral mediante la unión de unas proteínas denominadas genéricamente como MAPs (del inglés microtubule-associated proteins). Estas proteínas presentan dominios alargados que abrazan los microtúbulos e impiden así su despolimerización. Una de estas proteínas, conocida como tau, es muy abundante en el sistema nervioso central (SNC), y es responsable de la estabilización de los axones neuronales. Muchos de esos axones mantienen ciertas conexiones neuronales durante decenios y permiten por ejemplo, la memoria a largo plazo. En ocasiones, ciertos axones son eliminados para desconectar dos neuronas. En ese caso, la proteína tau sufre una fosforilación (modificada por la unión de un grupo fosfato [PO4-3]), lo que induce a su separación del microtúbulo y así, su desestabilización y la destrucción del axón. Por motivos aún no definidos, se pueden producir fosforilaciones descontroladas de tau dentro de las neuronas, lo que produce una pérdida generalizada de la estabilidad de los microtúbulos axonales, y con ello una pérdida de conexiones neuronales. Esto deriva en una pérdida de memoria, que es uno de los primeros síntomas de la enfermedad conocida como alzhéimer. Pero, además, la pérdida de control sobre la fosforilación de tau deriva en una hiperfosforilación de la proteína (unión de muchos grupos fosfato). Tau hiperfosforilada adquiere una conformación espacial que expone muchas partes hidrofóbicas de la proteína, lo que deriva en una pérdida de solubilidad. Curiosamente, las proteínas tau en estas condiciones se asocian formando también filamentos que precipitan en el interior de la neurona, lo que produce su destrucción. Por esta causa, la enfermedad deriva en una pérdida masiva de neuronas del SNC y con ello la muerte del paciente.

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¿EXISTEN MOTORES MOLECULARES?

Un motor es un artefacto capaz de transformar la energía aportada por un combustible en movimiento. En definitiva, un sistema capaz de transformar la energía que se le aplica en energía cinética, y de esa forma dar velocidad a su masa asociada (Ec=½ · m · V2). Posiblemente, el ejemplo más cotidiano sea el motor de combustión de los coches, capaz de transformar la energía almacenada en los enlaces químicos que forman las moléculas del carburante, en el movimiento de los pistones del motor, y con ello dando velocidad al coche y sus ocupantes. Sin embargo, miles de millones de años antes de que el ser humano aprovechara las propiedades de las máquinas, los organismos vivos ya disfrutaban de ellas. De hecho, es tal la ventaja que supone su utilización, que la evolución ha ido creando cada vez máquinas más complejas y sofisticadas. Teniendo en cuenta el carácter mecánico de los motores, es fácil entender que gran parte de la maquinaria necesaria para su funcionamiento está relacionada directamente con la base estructural de las células. Es decir, los componentes del citoesqueleto que comentamos en el apartado anterior. En este apartado nos vamos a centrar en explicar cómo ciertas estructuras proteicas son capaces de crear motores, usando como ejemplo el desplazamiento de los orgánulos internos de la célula, mediados por la quinesinas, y el funcionamiento de un flagelo bacteriano.

Las quinesinas son una familia de proteínas homodiméricas (existen más de cuarenta miembros en humanos), muy parecidas a las que forman los dímeros de miosina en el músculo y que estudiaremos más adelante. Cada una de las subunidades que forman la quinesina presenta una estructura con dos regiones muy diferenciadas; un dominio largo y helicoidal que, a través de una región bisagra, se une con un dominio globular. Los dímeros se asocian por enrollamiento de los dominios helicoidales, que forman una hélice que mantiene fuertemente unidas las dos subunidades hasta la zona bisagra. En el lado opuesto al dominio globular, que corresponde con el extremo C-terminal del polipéptido, existe un dominio capaz de interaccionar con diferentes proteínas localizadas en la membrana de los orgánulos internos de la célula. Por su parte, en el dominio globular existen dos sitios funcionales: uno con actividad ATPasa y otro de unión a microtúbulos. Para desplazarse sobre el microtúbulo, las quinesinas andan con un dominio globular delante de otro, siempre en la dirección más (+) del microtúbulo. De esta forma, la célula puede distribuir los orgánulos en su interior. El motor de las quinesinas se encuentra en el dominio globular. Una de las dos subunidades, que es la que comienza delante el movimiento y denominada directora, se encuentra asociada al microtúbulo y libre de ATP. Por su parte, el dominio posterior no está unido al filamento y presenta una molécula de ADP asociada. La entrada de una molécula de ATP al sitio vacío de la subunidad directora induce a un cambio conformacional de la molécula, que da un giroque le permite a la subunidad posterior avanzar, sobrepasarla y colocarse unos 8 nm por delante de ella (y quedar así como nueva subunidad directora). Una vez unida al microtúbulo, tras el adelantamiento, la nueva subunidad directora pierde afinidad por la molécula de ADP que porta, siendo liberada. Al tiempo, se ha inducido la hidrólisis del ATP unido a la subunidad ahora atrasada, lo que permite su separación del microtúbulo para volver así al estado inicial. De esta forma, las quinesinas son capaces de avanzar a una velocidad aproximada de una 3 μm/sg, lo que quiere decir que es capaz de dar ¡más de 2000 pasos cada segundo! Mediante las quinesinas, por ejemplo, las neuronas llevan las vesículas cargadas de neurotransmisores hasta la región apical de sus axones (botón terminal). Resulta, por tanto, fundamental para poder mantener en funcionamiento el sistema nervioso.

En el caso que acabamos de ver, el combustible utilizado para dar actividad motora a las quinesinas es el ATP. La rotura del enlace de alta energía libera energía suficiente como para inducir el cambio conformacional necesario, en este caso, para la liberación de la subunidad del microtúbulo. Sin embargo, existen sistemas motores que utilizan otras fuentes de energía alternativas, por ejemplo la energía electroquímica. Este es el caso del sistema que utilizan algunas bacterias Gram-negativas para mover su flagelo, basado en el empleo de proteínas rotatorias. Veamos cómo funciona.

Las Gram-negativas, como nuestra bacteria intestinal Escherichia coli, presentan una envuelta externa a la pared bacteriana, formada de lipopolisacáridos (LPS), que crea un espacio aislado con la membrana plasmática llamado espacio periplásmico. Mediante bombas iónicas, la bacteria es capaz de acumular protones (H+) en ese espacio, empleando la energía del ATP para ello. La acumulación de los H+ en un lado de la membrana genera lo que se denomina un potencial eléctrico de membrana. De esta forma, la reentrada de los protones al citoplasma bacteriano, a favor del gradiente electroquímico, libera energía que puede ser empleada en crear movimiento. Para conseguirlo, estas bacterias han creado el motor eléctrico que viene representado en la figura. El complejo de proteínas FliM/N, asociado a la membrana citoplasmática, actúa como conmutador, encendiendo y apagando el sistema en función de estímulos recibidos por la bacteria. Cuando el complejo FliM/N es activado, los canales proteicos Mot abren sus puertas, y permiten la entrada masiva de H+ al citoplasma. En su camino, los H+ desplazan el rotor formado por las proteínas FliF y FliG. Para conseguir un giro completo del rotor, es necesaria la liberación de aproximadamente 1000 H+. El movimiento de rotación inducido es transferido al flagelo a través de las proteínas FlG, FlgG, y FlgE (o gancho). Los discos formados por las proteínas FlgI y FlgH actúan como tuercas, fijando el sistema a la pared de peptidoglicano y a la membrana de LPS respectivamente. Mediante este sistema, las bacterias pueden alcanzar velocidades de 0,00017 km/h, lo cual parece poca cosa. Sin embargo, si consideramos el tamaño de la bacteria y cuantas veces desplaza el tamaño de su cuerpo por segundo, sería el equivalente a que el ser humano más veloz corriera a 120 km/h.

Proteína motora del flagelo de las bacterias Gram-negativas. Utilizando una bomba de protones (H+), la bacteria genera un potencial electroquímico. La liberación de los H+ al citoplasma hace girar el complejo FliF, y así, el flagelo de la bacteria.

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¿CUÁL ES EL MECANISMO QUE UTILIZAN TUS CÉLULAS PARA CAZAR A LOS MICROBIOS?

Todo organismo vivo necesita interaccionar con su entorno, y no exclusivamente para tomar y expulsar sustancias. La vida ha desarrollado multitud de mecanismos para poder detectar cambios en su entorno y de esta forma, poder responder a ellos. Hay que tener en cuenta que en la inmensa mayoría de los casos los estímulos son determinadas moléculas, como nutrientes, hormonas, etc. Aunque existen otros estímulos captados por las células, como la temperatura o la luz, aquí nos centraremos en cómo las células detectan la presencia de determinadas moléculas en su entorno, y de cómo responden a ellas.

Desde las bacterias más simples, todas las células presentan proteínas encargadas de detectar la presencia de moléculas específicas en el entorno. Estas proteínas se denominan receptores. Los receptores pueden presentarse solubles en el citoplasma, en cuyo caso solo pueden unir moléculas capaces de atravesar la membrana, como los gases. Sin embargo, la mayor parte de las moléculas reconocidas por la célula, debido a su gran tamaño o exceso de carga, son incapaces de atravesar la membrana plasmática, y por ello la vida ha tenido que desarrollar mecanismo extracelulares de detección. Las proteínas receptoras, normalmente, se encuentran ancladas a la membrana a través de unos dominios, altamente hidrofóbicos, llamados dominios transmembrana. Hacia el exterior celular, la proteína presenta la región de reconocimiento/interacción con la molécula diana o ligando, es decir, la molécula que se encuentra en el entorno celular y frente a la cual la célula tiene que responder. Esta región es altamente específica para su ligando. Aunque en ocasiones ciertos patógenos, o los farmacéuticos, consiguen crear moléculas tan parecidas al ligando que consiguen engañar a los receptores. Hacia el interior, el receptor presenta un dominio citoplasmático encargado de avisar al resto de la célula de que ha unido el ligando, y por tanto, que «su» molécula está presente en el entorno inmediato. Además, estos receptores están distribuidos por toda la membrana de forma más o menos homogénea, lo que permite a la célula poder localizar la dirección en la que se encuentra el estímulo. Es decir, si los receptores de un lado de la membrana se activan más que los de otro, la célula sabe que la molécula se encuentra en mayor cantidad en un lado que en otro. Así es, por ejemplo, como muchos microorganismos unicelulares consiguen desplazarse hacia la fuente de alimento.

Pero ¿cómo es capaz la célula de reaccionar ante la presencia de esas moléculas en el exterior? La unión del ligando induce a un cambio conformacional en el receptor que se transmite a la región citoplasmática. Normalmente, este cambio consiste en dejar accesibles ciertos aminoácidos de la estructura del dominio citoplasmático, que le van a permitir realizar determinada modificación química sobre alguna otra proteína citoplasmática específica. Las proteínas que son modificadas por el dominio citoplasmático del receptor actúan fundamentalmente de dos formas. Una de las formas de acción es a través de la modificación química de ciertos metabolitos celulares, produciendo pequeñas moléculas que pueden unirse a diferentes proteínas diana, activando o reprimiendo su acción. Estos metabolitos modificados, como pueden ser el AMP cíclico o el GMP (en ambos casos derivados de nucleótidos), reciben el nombre de segundos mensajeros, ya que son responsables de transmitir y amplificar la señal en el interior celular. Otra forma de actuar por parte de las proteínas modificadas por los receptores es activar diferentes proteínas con actividad quinasa, proteínas con la capacidad de unir grupos fosfato (PO4-3) a ciertas proteínas específicas, lo que se conoce como fosforilación. Esta modificación es un mecanismo muy extendido en la vida como método de control de la actividad de las proteínas. De esta forma, bien a través de la acción de los segundos mensajeros, o bien a través de la actividad de las proteínas quinasa, diferentes proteínas citoplasmáticas son activadas.

Dependiendo del receptor, las proteínas que son activadas y por tanto la respuesta que toma la célula varían. En ocasiones estas proteínas activadas son capaces de desarrollar directamente la función que la célula necesita. Sin embargo, otras veces, la célula necesita producir nuevas proteínas que no fueron expresadas en el momento de llegar el estímulo. Para ello, algunas de las proteínas activadas por los segundos mensajeros o por la cascada de fosforilaciones, denominadas factores de transcripción, son translocadas al núcleo de la célula. Los factores de transcripción son proteínas capaces de unirse a determinadas regiones del ADN genómico, denominadas regiones promotoras, y permiten la transcripción de determinados genes específicos. Los ARN resultantes son transportados al citoplasma, donde son traducidos por los ribosomas para formar las proteínas necesarias. De esta forma, la célula puede realizar respuestas más elaboradas frente a los estímulos que recibe.

Receptores de membrana. Simulación de un receptor TRL-5 asociado a su ligando (flagelina). El cambio conformacional asociado a la unión de la flagelina al dominio extracelular del receptor, produce una torsión de toda la proteína. Esto permite la activación de la proteína asociada al dominio citoplasmático del receptor (en este caso la quinasa MyD88). Código PDB de las cristalografías: 5GY2, 2ZBI, 4DOM.

En la superficie de los fagocitos, un tipo de célula perteneciente al sistema inmunitario, hay un tipo de receptor denominado TLR (del inglés Toll Like Receptor). Esta familia de receptores tienen como ligando estructuras que normalmente están presentes en los patógenos. Por ejemplo, el TLR-5 reconoce una proteína presente en el flagelo de muchas bacterias: la flagelina. El cambio conformacional asociado a la unión de estas estructuras al dominio extracelular del TLR induce a la activación de una proteína asociada a su dominio citoplasmático llamada MYD88. Esta proteína dispara una cascada de procesos de fosforilación de varias proteínas. Como primera consecuencia, se produce una reestructuración del citoesqueleto de actina, que permite ampliar la membrana y fagocitar el microorganismo (incluirlo dentro de la célula). Pero además, mientras esto ocurre, parte de las proteínas que fueron fosforiladas en la cascada de señalización inducida por MYD88 permiten la translocación al núcleo del factor de transcripción denominado NF-KB (del inglés Nuclear Factor Kappa-light-chain-enhancer of activated B cells), lo que activa la expresión de determinados genes. Entre los genes que son activados por este factor de transcripción está el que codifica para la enzima óxido nítrico sintetasa inducible (iNOS). Esta proteína es capaz de producir grandes cantidades de óxido nítrico (NO), un gas que en altas cantidades es muy tóxico. De esta forma, mientras la bacteria es fagocitada, las armas para matar al invasor son cargadas.

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¿CÓMO LOS GRANOS DE POLEN PUEDE HACER ESTORNUDAR A UN ALÉRGICO?

Los anticuerpos son complejos proteicos presentes en la sangre de los vertebrados, capaces de unirse a un cuerpo extraño para el organismo que recibe el nombre de antígeno. Estos complejos proteicos están formados por dos pares de polipéptidos denominados cadena pesada y cadena ligera. Ambas cadenas presentan una estructura secundaria formada de láminas β, que se agrupan a través de regiones no organizadas llamadas lazos, o loops en inglés, formando un dominio globular denominado inmunoglobulina. Este dominio da nombre a una superfamilia de proteínas a la que pertenecen los anticuerpos y otros receptores y marcadores del sistema inmunitario. Las cadenas ligeras están formadas por dos dominios inmunoglobulina asociados entre sí por una región bisagra flexible. Por su parte, la cadena pesada puede estar formada por cuatro o cinco dominios, dependiendo del tipo de inmunoglobulina. Las cuatro cadenas que forman el anticuerpo se asocian mediante enlaces covalentes creados entre los grupos sulfidrilos (-SH) de aminoácidos de cisteína presentes en las cadenas. Estos enlaces se denominan puentes disulfuro (-S-S-), son altamente estables y dan gran solidez al complejo, que adquiere una forma parecida a una Y. En esta estructura hay que destacar la presencia de un plano de simetría, ya que los brazos de la Y son iguales, así como la flexibilidad de esos brazos. Los extremos de los brazos del anticuerpo, denominados región variable, están formados por lazos (loops), aquellas regiones no organizadas que asocian las láminas β entre sí, del último dominio inmunoglobulina de una cadena pesada y de la cadena ligera compañera. Esta estructura formada por la combinación de estas regiones no organizadas recibe el nombre de parátopo, que es la región del anticuerpo responsable de interaccionar directamente con una parte específica del antígeno. La región del antígeno que es reconocida recibe el nombre de epítopo o epítope. Este reconocimiento mediado por el parátopo está dirigido por las características químicas de las cadenas laterales de los aminoácidos que forman los loops, así como por la estructura tridimensional que adquieren estos aminoácidos en estas regiones no organizadas y que será complementaria a la estructura tridimensional del epítopo. En la inmensa mayoría de los casos, el epítopo será parte también de una proteína. El complejo parátopo-epítopo (antígeno-anticuerpo), a pesar de no formar uniones covalentes, es estabilizado por un número variable de fuerzas; mayoritariamente puentes de hidrógeno y electrostáticas, así como hidrofóbicas, aunque estas en menor medida. La formación de estas uniones, que pueden ser más o menos estables dependiendo del total de interacciones que puedan formarse, induce a un cambio en la estructura global del dominio inmunoglobulina variable, que se transmite hacia el resto de dominios del anticuerpo. Gracias a este cambio en la estructura, la proteína puede transmitir a otras moléculas que ha unido antígeno, es decir, que ha detectado un cuerpo extraño.

Mientras que la región variable del anticuerpo, donde se localiza el parátopo, es la que varía de un anticuerpo a otro y hace que cada uno reconozca un epítopo diferente, el resto de la inmunoglobulina presenta muchísima menos variabilidad y por eso recibe el nombre de región constante o región Fc del anticuerpo. En nuestro organismo actúan diferentes tipos de anticuerpos que se diferencian precisamente en las características de esta región constante. Existen algunos tipos de inmunoglobulinas cuya región Fc presenta un alto contenido en residuos hidrofóbicos, lo que les permite estar insertados en la membrana de las células. Es el caso de las inmunoglobulinas D (IgD) y la inmunoglobulina M (IgM). La inmunoglobulina M, posiblemente la más antigua de todas, y presente en todos los vertebrados, tiene la capacidad de interaccionar con una proteína denominada cadena J, que permite la unión de cinco IgMs. Esto le impide permanecer en la membrana y le hace soluble en la sangre. Otras inmunoglobulinas que se encuentran en forma soluble en la sangre son los tipos A y G. La inmunoglobulina A (IgA) está presente fundamentalmente en la leche materna y otras secreciones como la saliva o las lágrimas. Su región constante permite la formación de dímeros de anticuerpo solubles. La inmunoglobulina G (IgG) es el anticuerpo más abundante en la sangre humana y es el máximo responsable de la defensa contra la mayor parte de los patógenos. Esta inmunoglobulina siempre actúa de forma individual, sin formar complejos multiméricos. Lo mismo sucede con la inmunoglobulina E (IgE), otro anticuerpo soluble que es especialmente relevante por su implicación en las respuestas alérgicas. Su región constante se une con gran afinidad a ciertos receptores, denominados FcR, del inglés Fc receptor, localizados en la superficie de los mastocitos. Estas células portan gránulos en su interior con sustancias, como la histamina, que inducen a una fuerte respuesta inmunológica, atrayendo y activando células, aumentando el flujo sanguíneo, etc. Cuando el antígeno causante de una alergia, como las proteínas que forman la superficie del grano de polen, entran en contacto con las IgEs antipolen unidas a los receptores FcR de los mastocitos, localizados por ejemplo en los senos nasales, el cambio conformacional inducido por la formación del complejo antígeno-anticuerpo, dispara una respuesta en el interior del mastocito, que precipita su degranulación y los síntomas de la alergia. En este caso, estornudos, rinitis, etcétera.

Las inmunoglobulinas. A. Estructura general de un anticuerpo. B. Formas en las que se presentan las diferentes clases de anticuerpos. C. Unión de anticuerpos a la membrana celular. D. Proceso de activación del mastocito. Código PDB de la cristalografía: 1HZH.

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¿A QUÉ ES DEBIDO EL RECHAZO EN LOS TRASPLANTES?

Los vertebrados han desarrollado un mecanismo sorprendente para conseguir controlar el estado de salud de sus células. De esta forma, el sistema es capaz de identificar y destruir aquellas células que pueden representar un riesgo para el resto del organismo, como podrían ser células infectadas (por un virus u otros patógenos intracelulares) o células tumorales. Este mecanismo es posible gracias a la fina interacción entre diferentes proteínas y complejos macromoleculares presentes en estos animales.

Todas las células de los vertebrados están continuamente realizando un recambio de las proteínas de su interior. Las proteínas que van a ser retiradas de la circulación son marcadas con una pequeña proteína denominada ubiquitina. Esta modificación (ubiquitinación) dirige a las proteínas al proteosoma, un gran complejo multiproteico encargado de romper las proteínas estropeadas o que se encuentran en exceso. Algunos fragmentos de las proteínas degradadas, péptidos de 8-10 aminoácidos, son introducidos al retículo endoplasmático a través de un transportador específico denominado TAP (transportador asociado al procesamiento de antígeno). Estos péptidos, una vez translocados al lumen del retículo, y mediante la acción de varias proteínas (como la catepsina), son unidos a la región de presentación del complejo mayor de histocompatibilidad de clase I (MHC-I). Este complejo es un heterodímero transmembrana formado por una cadena polipeptídica glicosilada (denominada cadena α) que interacciona con una pequeña proteína denominada microglobulina β. La zona más externa de la cadena α presenta un surco donde se ubica el péptido presentado. Las moléculas de MHC-I cargadas con los péptidos son transportadas en vesículas lipídicas desde el retículo hasta la membrana plasmática. En la superficie de todas las células (excepto los glóbulos rojos) existen cientos o miles de estas moléculas, cada una de ellas mostrando un péptido distinto procedente de distintas proteínas que han sido degradadas en su interior. Tras cierto tiempo, el complejo es internalizado y el péptido es sustituido por otro antes de retornar nuevamente a la membrana. Existe por tanto, en superficie, un muestrario a tiempo real de las proteínas del interior celular. Este muestrario es escrutado por un tipo de células pertenecientes al sistema inmunitario, denominadas linfocitos T citotóxicos, a través de unas proteínas situadas en su membrana. Estas células circulan por el cuerpo a través de la sangre o el sistema linfático, pueden salir de los vasos y recorrer los tejidos, lo que permite un chequeo de todas las células del organismo en busca de péptidos extraños.

Todos los linfocitos T se caracterizan por presentar un complejo en superficie capaz de reconocer péptidos presentados por otras células en moléculas de MHC. Este complejo está formado por un total de ocho cadenas polipeptídicas asociadas: Las cadenas α y β forman la estructura denominada TCR (del inglés T Cell Receptor), responsable del reconocimiento del péptido unido al MHC. Las cadenas ε, γ y δ forman las moléculas accesorias CD3, a ambos lados del TCR, que ayudan a estabilizarlo. Finalmente, el complejo cuenta con dos cadenas ζ (teta) encargadas de transmitir la información del receptor externo hacia el interior celular. Los linfocitos T presentan miles de receptores como este en su membrana, y todos ellos tienen la capacidad de reconocer exclusivamente péptidos que no pertenezcan al individuo, especificidad que se consigue tras un proceso de selección en el timo (de ahí su nombre de linfocito T). De tal forma que si el péptido presentado en la molécula de MHC es extraño, el TCR interaccionará con él. Esta interacción induce a un cambio conformacional en las cadenas ζ, lo que permite que modifiquen algunas proteínas citoplasmáticas encargadas de disparar una serie de reacciones en cadena que, en un último término, promueven o impiden la expresión de determinados genes. Este cambio en el patrón de expresión génica del linfocito se conoce como activación, y su efecto depende del tipo de linfocito que haya sido activado. Como ya comentamos, los linfocitos responsables del reconocimiento de la presencia de péptidos del interior de las células son los T citotóxicos (Tc). Estas células reciben este nombre por su capacidad de matar a las células que presentan anomalías en los péptidos presentados en su MHC-I, normalmente procedentes de proteínas mutadas (tratándose de una posible célula tumoral) o de proteínas víricas del interior celular. Este tipo de linfocito tiene la característica de presentar otra molécula en superficie denominada CD8, que tiene la función de reconocer específicamente el MHC-I. De ahí que estas células se conozcan como TCCD8+. La molécula CD8 está formada por dos polipéptidos asociados e insertados en la membrana, próximos al TCR, en cuya región apical presenta una estructura capaz de unirse el MHC-I con cierta afinidad, aunque con poca. Aquellos linfocitos TCCD8+ que reconocen con demasiada fuerza el MHC-I son eliminados en el timo, evitando que estas peligrosas células queden unidas a las células por estos receptores. De esta forma, cuando uno de estos linfocitos reconoce, mediante su receptor CD8, que está asociado a un MHC-I, y además su TCR se une al complejo MHC-I/péptido presentado, se dispara su acción citotóxica. El asesinato de la célula sospechosa comienza con la secreción de unas proteínas muy hidrofóbicas, denominadas perforinas, que producen orificios en la membrana de la célula diana. Después, a través de esos orificios, el linfocito introduce una proteína denominada granzima, que destruye ciertas proteínas citoplasmáticas, lo que dispara el proceso de muerte celular programada (apoptosis). Además, el linfocito citotóxico activado secreta una serie de sustancias (citoquinas) cuya función es atraer más linfocitos, así como estimular que las células de la zona aumenten el número de receptores MHC-I en superficie, y con ello poder identificar si la infección/tumor afecta a otras células vecinas.

La respuesta citotóxica. La célula inferior presenta una proteína extraña en su interior. Mediante el proceso de presentación antigénica, mediado por el receptor MHC-I, los linfocitos T-CD8 pueden identificar y matar a la célula, induciendo su apoptosis.

Este sofisticado mecanismo de control, que permite la supervivencia del ser humano, representa un grave inconveniente para los millones de personas que hoy día aguardan un trasplante. Aunque todos los humanos compartimos los mismos genes, las regiones de algunos de ellos pueden variar de unos individuos a otros, sin que con ello afecte a la funcionalidad de la proteína para la que el gen codifica. Estas variedades funcionales de un mismo gen se denominan alelos. El MHC-I no es una excepción, existen diferentes alelos de los genes que codifican para las dos proteínas (fundamentalmente la cadena α) de este complejo. De esta forma, en un individuo que porta en la superficie de sus células determinado alelo, sus linfocitos reconocerán como extraño otros alelos que sean muy diferentes de los suyos, lo que desencadena un ataque contra esas células. Como puede suponerse, este fenómeno es crítico en los trasplantes de órganos, donde una incompatibilidad del MHC presente en el órgano del donante supone un ataque por parte de los linfocitos del receptor y la consecuente destrucción del órgano.

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¿POR QUÉ AL DARNOS UN GOLPE EN LA CABEZA NOS SALE UN CHICHÓN?

Los animales, especialmente los mamíferos, sufren frecuentemente accidentes más o menos graves, dependiendo de los órganos o tejidos afectados por el golpe. Además del daño directo que se pueda producir, es frecuente que al producirse un golpe, algunos microorganismos extraños, incluidos patógenos, entren en el organismo, lo que ocurre si hay destrucción de la piel, es decir, una herida. Por otro lado, también puede ocurrir la rotura de los vasos sanguíneos del sistema circulatorio, encargado de llevar los nutrientes y el oxígeno a las células. Esta rotura puede suponer la pérdida de la sangre que sostiene las células de todo el cuerpo. Por tanto, los mamíferos han tenido que desarrollar mecanismos para enfrentarse a la lesión de órganos y tejidos, la invasión repentina de patógenos y la rotura de los vasos sanguíneos. Aunque desde un punto de vista fisiológico (biológico) estos mecanismos son el resultado de la coordinación de diferentes sistemas (circulatorio, inmunitario, etc.), desde el punto de vista bioquímico todo el proceso puede ser explicado como la consecuencia de la actividad coordinada de diferentes macromoléculas codificadas en el genoma del organismo. En este apartado nos centraremos en entender cómo reacciona el cuerpo humano ante un golpe, es decir, cómo desde el punto de vista bioquímico, se coordinan diferentes macromoléculas cuando tenemos un accidente suponiendo que no se ha producido rotura de vasos ni de huesos, fenómenos que revisaremos más adelante.

La inflamación. A. Estructura de dos moléculas proinflamatorias importantes. B. Representación del proceso de vasodilatación y permeabilización durante un proceso inflamatorio. Código PDB de la cristalografía: 1ITB.

En el momento en el que nos damos un golpe relativamente fuerte, por ejemplo en la cabeza, los tejidos allí presentes sufren una perturbación en su estructura, incluyendo la muerte de parte de sus células, fenómeno que se conoce como necrosis celular. Esta ruptura de las células produce que las sustancias de su interior salgan al medio externo. Algunas de estas moléculas, como el propio ADN o ciertas proteínas y metabolitos, son reconocidas específicamente por algunos receptores localizados en la superficie de los mastocitos y de los macrófagos. Estas células se encuentran distribuidas por todo el cuerpo, actuando como primeros centinelas del sistema inmunitario. La activación de esos receptores del tipo TLR (del inglés Toll Like Receptor) promueve una cascada de fosforilaciones, iniciadas por la actividad de la enzima asociada al dominio citosólico del receptor, denominada MYD88. En los mastocitos, estas fosforilaciones promueven la rápida expulsión de una batería de sustancias altamente inmunorreactivas, denominadas de forma genérica como mediadores proinflamatorios, que se encuentran almacenadas en vesículas de su interior. El proceso por el cual el mastocito expulsa estas sustancias se conoce como degranulación. Entre las sustancias expulsadas vamos a destacar la histamina (C5H9N3). Esta pequeña molécula, obtenida por descarboxilación del aminoácido L-histidina, es reconocida por unos receptores denominados H1, localizados en la superficie de las células endoteliales (aquellas que constituyen la pared de los vasos sanguíneos) y del músculo liso. La unión de la histamina a estos receptores, localizados en vasos próximos al lugar de la lesión, promueve que las células endoteliales reduzcan las uniones entre sí (uniones mediadas por diferentes proteínas, como las integrinas), aumentando el tamaño del vaso y permitiendo que algunos componentes del flujo sanguíneo puedan salir e invadir el lugar de la lesión, entre ellos anticuerpos circulantes o proteínas del complemento, que pueden neutralizar posibles microbios allí presentes. Por su parte, la unión de la histamina a los receptores H1 del músculo liso promueve su relajación, lo que permite la dilatación de arteriolas y un aumento del flujo sanguíneo. Además, entre los mediadores liberados por el mastocito y los macrófagos se encuentran moléculas que actúan de llamada para otras células del sistema inmune, como los linfocitos T y B y otras células como los macrófagos, los basófilos y los neutrófilos (cada una de ellas con diferentes moléculas en su interior o en su superficie que las diferencian). Estas moléculas con actividad quimiotáctica (citoquinas) son pequeñas proteínas que interaccionan con receptores específicos, localizados en la superficie de esas células, y permiten que localicen el lugar del golpe. El aumento del flujo sanguíneo en las inmediaciones de la lesión, junto con la salida del líquido de los vasos y de las células que acuden, son las responsables de la inflamación característica que aparece tras un golpe. Cuando el golpe ocurre en la cabeza, la presencia del cráneo obliga a que la inflamación se extienda hacia el exterior, y de ahí el característico aspecto de los chichones: una burbuja, de plasma y células, formada por la acción coordinada de diferentes proteínas dispersas por nuestro organismo.

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SI LA ASPIRINA QUITA EL DOLOR, ¿POR QUÉ AL MISMO TIEMPO DAÑA AL ESTÓMAGO?

La piel de los mamíferos está repleta de terminaciones nerviosas. Entre los diferentes tipos de células receptoras, encargadas de transmitir los estímulos al sistema nervioso central, existen unas especializadas en la detección del dolor, es decir, en captar estímulos agresivos o peligrosos. Estas células reciben el nombre de nociceptores. Teniendo en cuenta el mecanismo de detección del daño, podemos diferenciar dos grupos de nociceptores: Los denominados A, que reaccionan a gran velocidad frente a estímulos mecánicos agresivos, y los del tipo C, que son más lentos de respuesta, pero también reaccionan a otros estímulos peligrosos, como a cambios bruscos de temperatura o de pH. Un aumento brusco de la temperatura, o la presencia de un ácido en el exterior celular, induce a cambios conformacionales en diferentes proteínas de la superficie de los nociceptores tipo C, activando el receptor (su dominio citoplasmático) y transmitiendo la información al sistema nervioso. Al sufrir un golpe en la cabeza, los nociceptores tipo A informan rápidamente del daño sufrido al cerebro, que procesará la respuesta. Sin embargo, un tiempo después del coscorrón, el chichón aún nos duele y cualquier pequeño roce en ese lugar produce un gran dolor. Es decir, a pesar de no existir más estímulo mecánico agresivo, la señal de dolor sigue presente, perdurando hasta que la inflamación (el chichón) desaparece. Este segundo tipo de dolor, que no depende directamente del estímulo agresivo y que está mediado por los nociceptores tipo C, es el que vamos a analizar más en profundidad a continuación.

Como ya se comentó en apartados anteriores, la rotura de las células, como consecuencia de un golpe, produce que parte de las moléculas que normalmente están presentes en el interior de la célula sean expuestas a diferentes células del sistema inmunitario localizadas en ese lugar, entre ellas los mastocitos y los macrófagos. La activación de estas células, a través de la unión de las moléculas expuestas a ciertos receptores de su superficie, produce la liberación de determinadas sustancias como la histamina o ciertas citoquinas quimiotácticas, previamente almacenadas en su interior. Esto promueve la inflamación casi inmediata: la aparición del chichón. Pero además de esta acción rápida de liberación de sustancias, la activación del mastocito induce a la translocación a su núcleo de determinados factores de transcripción, y con ello la aparición de nuevas proteínas en la célula. Una de estas proteínas es la denominada ciclooxigenasa 2 (COX-2). Esta enzima está formada por dos subunidades iguales de 604 aminoácidos, asociadas cada una de ellas a un grupo hemo entre otros cofactores. A partir del ácido araquidónico, un ácido graso extraído de los fosfolípidos de las membranas por acción de una fosfolipasa, COX-2, es capaz de producir prostaglandina H2 (PGH2). Esta prostaglandina es la precursora de todo un conjunto de moléculas señalizadoras denominadas icosanoides, que incluyen los tromboxanos además de otras prostaglandinas. Estas moléculas, relativamente pequeñas (veinte carbonos), son importantes mediadores inflamatorios que, aparte de promover la vasodilatación y permeabilidad de los vasos sanguíneos próximos al lugar de la lesión, actúa como señal dolorosa. En la superficie de los nociceptores tipo C existen unos receptores específicos para la detección de algunas de estas moléculas, lo que se traduce en una señal de dolor y un aumento de la sensibilidad de los nociceptores a otros estímulos. Es decir, reducen el umbral del dolor y hacen que condiciones externas que normalmente no activarían la señal de dolor, como el simple roce en la región donde ha ocurrido el golpe, ahora lo hagan, y por ello nos duele. En muchos tipos de cáncer, la sobreexpresión de las COX y la producción incontrolada de prostaglandinas y tromboxanos es responsable del intenso dolor que acompaña la enfermedad.

Las ciclooxigenasas. Estructura de la enzima COX, donde se muestra la ubicación del grupo hemo. La prostaglandina H2, producida por la enzima a partir del ácido araquidónico, es precursora de otras moléculas de señalización. Código PDB de la cristalografía: 5JVI.

Además de los mastocitos, implicados directamente en disparar la respuesta inflamatoria y producir prostaglandinas, otras células de la zona afectada y alrededores son inducidas a expresar la COX-2, y por tanto a producir esta y otras prostaglandinas derivadas del ácido araquidónico. Este es el caso de las células endoteliales, aquellas que forman la pared de los vasos sanguíneos. Entre los receptores de su superficie presenta uno que reconoce específicamente una citoquina llamada interleuquina 1 (IL-1). Esta pequeña proteína, de aproximadamente 150 aminoácidos, es producida también por los monocitos y los macrófagos activados. Cuando la célula endotelial reconoce la IL-1, esta comienza a sintetizar la COX-2 y a producir grandes cantidades de prostaglandina, extendiendo la sensación de dolor a regiones adyacentes al lugar de la lesión.

Existen diferentes moléculas que son capaces de interaccionar con el homodímero de COX-2 e impedir su función, se consigue de esta forma impedir la metabolización del ácido araquidónico. En la corteza de los sauces (árboles del género Salix), existe una concentración relativamente alta de una de estas moléculas, denominada ácido acetilsalicílico (C9H8O4), lo que conocemos comúnmente como aspirina. Esta molécula accede al centro activo de la COX-2, donde dona un grupo metilo (–CH3) a un residuo de serina localizado en la posición 516 del polipéptido, y produce una inhibición irreversible de la enzima. De esta forma, mientras el ácido acetilsalicílico circula por la sangre (recordemos que el flujo sanguíneo aumenta en la región golpeada), COX-2 permanecerá apagada, y por tanto se reducirá el dolor. Sin embargo, esta molécula tiene un importante efecto inhibitorio sobre otra ciclooxigenasa, la COX-1. Esta enzima, que también produce prostaglandina H2 a partir del ácido araquidónico, es expresada en células de casi todos los tejidos de forma constitutiva, donde se producen otras prostaglandinas. Por ejemplo, en las células de la mucosa gástrica e intestinal se produce la prostaglandina E2, responsable de mantener el pH del estómago y mantener las secreciones de protección frente a los ácidos del estómago. Por esta causa, el consumo de aspirina debe realizarse junto con protectores gástricos o durante las comidas, para evitar que la inhibición que causa en la COX-1 pueda producir gastritis o incluso úlceras. El desarrollo de fármacos que inhiben específicamente la COX-2, sin afectar a la 1, como el ibuprofeno, también permiten paliar el dolor sin afectar al estómago. Aunque en este caso, su efecto analgésico es menor.

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AL HACERNOS UNA HERIDA, ¿QUÉ EVITA QUE NOS DESANGREMOS?

La sangre es un tipo de tejido conectivo presente en todos vertebrados, encargado de transportar los nutrientes a las células del organismo así como de llevar sus desechos a los lugares de eliminación. Para poder realizar su función, la sangre necesita de la existencia de un sistema cerrado de tubos, denominados vasos sanguíneos, que recorra el cuerpo, así como un corazón que la impulse y permita su circulación. Si por algún motivo, por ejemplo un accidente, se produce la rotura de un vaso, la sangre abandonará su circuito y se perderá por la herida, poniendo en peligro la viabilidad de las células del cuerpo y, por tanto, la vida del organismo. Teniendo en cuenta la imprudente actividad de estos animales, sobre todo en la infancia, la evolución ha tenido que seleccionar diferentes genes (proteínas) que permiten paliar, en la medida de lo posible, los efectos de las hemorragias, y de esta forma facilitar que el individuo tenga tiempo para transmitir su herencia genética. Estos genes son aquellos que codifican para los denominados factores de coagulación. Estas macromoléculas, presentes en diferentes partes del organismo, son responsables de producir una reacción en cadena que tiene como objetivo taponar un vaso sanguíneo roto y de esa forma evitar el desangrado. Este tapón recibe el nombre de trombo, y en este apartado veremos resumidamente los mecanismos moleculares responsables de su formación. Aunque existen dos vías responsables de la formación del trombo, como ambas confluyen con la activación de una misma respuesta, nos centraremos solo en una de ellas, conocida como vía intrínseca de activación de la coagulación sanguínea.

Activación de la plaqueta. Representación del proceso de unión de la glicoproteína Ia/IIa localizada en la superficie de la plaqueta con el colágeno. El factor de von Willebrand (vW), ayuda a la estabilización de la unión. Código PDB de las cristalografías: 1SQ0, 5CTD.

Supongamos que sufrimos un corte con una navaja y comenzamos a sangrar. Si pudiéramos observar con un microscopio de suficiente aumento el lugar de la incisión, observaríamos cómo parte de las fibras que forman los tejidos circundantes a los vasos sanguíneos, fundamentalmente las fibras de colágeno, han invadido en mayor o menor medida la luz de los vasos dañados. Por el interior del vaso sanguíneo se desplaza la sangre fluida a gran velocidad, entre cuyos componentes se encuentran unas pequeñas vesículas denominadas plaquetas. Las plaquetas se forman como resultado de la fragmentación del megacariocito, una célula de gran tamaño localizada en los tejidos encargados de producir las células sanguíneas (tejidos hematopoyéticos, fundamentalmente la médula ósea). En la superficie de las plaquetas existe un receptor, denominado glicoproteína Ia/IIa (GP Ia/IIa), capaz de unirse a estos filamentos de colágeno. Este proceso es mediado por una proteína de unos 2000 aminoácidos disuelta en la sangre llamada factor de Von Willebrand (vW), que permite que la unión entre la GP Ia/IIa y el colágeno pueda resistir la fuerza de la corriente sanguínea a la que está sometida. De esta forma, la plaquetas que son aportadas por el flujo sanguíneo al lugar de la lesión se adhieren a las fibras presenten en las herida. Flujo que además se ve aumentado por la acción de los mediadores inflamatorios producidos en el lugar de la lesión.

La unión del colágeno al receptor GP Ia/IIa induce a un cambio conformacional en este, que promueve la activación de dos proteínas localizadas en el interior de las plaquetas. La fosfolipasa A2 y la fosfolipasa C. La primera es una enzima capaz de liberar ácido araquidónico de los fosfolípidos de las membranas, lo que permite que puedan ser empleados por otras enzimas como las ciclooxigenasas (COX) para formar mediadores proinflamatorios, fundamentalmente el tromboxano A (TxA2). Este icosanoide induce a la agregación plaquetaria, al activar otras plaquetas y glóbulos rojos cercanos, y promueve la unión entre ellos a través de proteínas de superficie. Por otro lado, la fosfolipasa C promueve la formación del inositoltrifosfato (IP3), un derivado de fosfolípidos de la membrana que actúa como segundo mensajero de la señal. La unión del IP3 a diferentes proteínas permite la activación de la plaqueta, lo que implica entre otras cosas la acumulación de calcio (Ca2+) de su interior y la fosforilación de proteínas de miosina, lo cual permite modificar el citoesqueleto de actina. Esta red proteica, localizada bajo la membrana plasmática, modifica su forma para ocupar el mayor espacio posible y facilitar que más receptores de la superficie de la plaqueta, como la glicoproteína VI, se fijen a las fibras de la lesión. Además, induce a la liberación de determinadas sustancias almacenadas en el interior de las plaquetas o producidas por efecto de su activación. Como por ejemplo los polifosfatos: moléculas ricas en carga negativa y que tienen la capacidad de activar el factor de coagulación XII (FXII). Esta proteína de 615 aminoácidos, producida por el hígado y secretada a la sangre, dispara una sorprendente cascada de procesos de proteólisis (rotura) y activación de diferentes proteínas. Esta cascada que implica la participación de diferentes factores de coagulación solubles en la sangre, o presentes en la membrana de la plaqueta activada, culmina con la activación del factor X (FX). Entre estos factores implicados en la activación de FX se encuentra el factor VIII de coagulación (FVIII). Esta proteína de 2351 aminoácidos viaja por la sangre asociada al ya mencionado factor vW. Cuando este último se une al complejo GP Ia/IIa-colágeno, que disparaba la activación de la plaqueta, también produce la liberación de este factor VIII activado, que junto al FIX, promueven la rotura del pro factor X para dar la forma activa de este factor (FXa). El FXa, localizado en la superficie de la plaqueta activada, es imprescindible para la formación de la fibrina: una molécula que polimeriza para formar extensas redes tridimensionales en la que quedan embebidas las plaquetas y los glóbulos rojos activados.

El aumento de la presión sobre las plaquetas apelmazadas en la lesión, que están formando el trombo incipiente, produce la explosión de algunas de ellas, lo que acelera aún más la respuesta de coagulación: un aumento de la llegada de más plaquetas y más glóbulos rojos activados, así como una mayor producción de fibrina. Esto termina en poco tiempo (si es posible cerrar la herida antes de perder demasiada sangre) con la formación del trombo definitivo y la creación de la costra. De hecho, la red formada por la fibrina es la responsable de mantener unida la costra en las heridas hasta que la piel ha cicatrizado completamente.

La compleja red de interacciones proteicas tiene la importante misión de impedir la activación de la respuesta plaquetaria de forma inespecífica, pues en tal caso la coagulación de la sangre dentro de los vasos supondría un serio problema incompatible con la vida. De ahí, por ejemplo, que existan moléculas anticoagulantes en la sangre como la heparina, que inhibe la acción del factor X entre otros. La presencia de muchos puntos de control garantiza que este equilibrio, entre la capacidad coagulante y anticoagulante de la sangre, mantenga la vida de los vertebrados. Sin embargo, la alta complejidad del mecanismo y la multitud de genes implicados en este fino control aumentan la posibilidad del fallo de alguno de ellos. En efecto, existen ciertas mutaciones en los genes que codifican para estas proteínas, que pueden alterar su funcionamiento tanto aumentando la capacidad coagulante de la sangre, que deriva en la formación espontánea de trombos y el alto riesgo de obstrucción venosa (infarto), como con una disminución o anulación de la capacidad coagulante. Este último caso es conocido como hemofilia. La hemofilia es una enfermedad hereditaria que solo afecta a los machos y en la que alguna de las proteínas involucradas en la activación del proceso de coagulación está alterada. Aunque son varios los genes de la ruta de activación que han sido relacionados con esta enfermedad, en la mayor parte de los casos de hemofilia el gen afectado es el factor de coagulación VIII. La deficiencia de esa proteína en la sangre impide la activación del factor X, y por consiguiente la imposibilidad de formar trombos y costras para las heridas.

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¿CÓMO TOMAMOS EN REALIDAD NUESTRAS DECISIONES?

Aunque existen animales más o menos estáticos, como las esponjas y otros filtradores acuáticos, la inmensa mayoría de ellos realizan acciones motoras que les permiten desplazarse bien para encontrar alimento y aparearse, o bien para huir y no ser el alimento de otro, el movimiento es esencial para ellos. Mediante la acción coordinada del tejido muscular es posible dar movimiento al cuerpo de los animales. Sin embargo, la dirección y la velocidad a la que tiene que desplazarse el cuerpo no lo decide el músculo, sino el sistema nervioso. Mediante estímulos e información previa almacenada (recuerdos), el sistema nervioso es capaz de elaborar una respuesta que podrá ser ejecutada por la acción motora. En este apartado vamos a describir brevemente el funcionamiento bioquímico del sistema nervioso que, entre otras cosas, permite pensar y decidir a los animales.

El sistema nervioso (SN) puede ser dividido en dos partes bien diferenciadas: el central (SNC) y el periférico (SNP). Su funcionalidad se consigue gracias a la presencia de un tipo de células denominadas neuronas, descubiertas por el premio Nobel español Ramón y Cajal a principios del siglo pasado. El central forma el encéfalo (dentro del cráneo) y la médula espinal (dentro de la columna), y es responsable de tomar las decisiones. Es decir, recibir estímulos, procesar y enviar una respuesta. Por su parte, el periférico está formado por un conjunto de nervios que ponen en comunicación los receptores de estímulos con el central y este con los órganos efectores, realizando una función puramente vehicular. Existen multitud de tipos de neuronas diferentes, cada una de ellas especializada en uno de los pasos que llevan a la generación de determinada respuesta. Las neuronas presentan una estructura muy singular en la que se diferencian tres partes: el soma o cuerpo de la neurona, que es el lugar donde se encuentra su núcleo. Esta parte de la neurona puede presentar pequeñas ramificaciones denominadas dendritas, en cuya membrana se encuentran las proteínas receptoras. Desde el soma se extiende un largo brazo, que puede llegar a medir más de un metro, y recibe el nombre de axón. Y al final del axón, que en vertebrados normalmente está ramificado, se encuentra la estructura denominada botón terminal o sináptico, encargada de transmitir a la otra neurona información. Veamos la bioquímica de su funcionamiento.

Cada tipo de estímulo que recibe nuestro sistema nervioso central procede de neuronas especializadas y, como no podía ser de otra forma, son las proteínas receptoras, localizadas en la membrana del soma, las que le dan su especificidad. Las proteínas receptoras de estímulos, del mismo modo que otros receptores celulares estudiados anteriormente, se encuentran asociadas a la membrana a través de varios dominios transmembrana, presentando en el citoplasma un dominio capaz de traducir la señal al interior de la neurona. Una vez actúa el estímulo, por ejemplo un fotón de luz que induce a un cambio fotoquímico en su receptor (la rodopsina localizada en la membrana de los bastones de la retina), la proteína sufre un cambio conformacional que produce la activación de alguna proteína citoplasmática asociada. Existe una amplia gama de moléculas transductoras de la señal recibida por los receptores, también en las neuronas, donde posiblemente las más características sean las denominadas proteínas G. Estas son una familia de proteínas triméricas (tres subunidades: α, β, γ) que se encuentran ancladas a la cara interna de la membrana. Reciben ese nombre por su capacidad de unir guanosín trifosfato o difosfato (GTP o GDP). Cada una de las subunidades que forman el trímero presenta diferentes variantes, lo que permite una gran variedad de respuestas mediadas por los receptores a los que están asociados. El cambio conformacional del receptor, como consecuencia de la llegada del estímulo, induce a que la proteína G acoplada libere una molécula de GDP que, en la forma inactiva, se encuentra unida a la subunidad α de la proteína. La entrada de una molécula de GTP al sitio abandonado por el GDP en la subunidad α produce que esta subunidad se separe del resto y se desplace lateralmente por la cara interna de la membrana. Una vez liberada del complejo, la subunidad α puede actuar sobre una proteína diana, normalmente también anclada a la membrana, para lo cual necesita hidrolizar el GTP que porta, formando de nuevo ADP. Como la subunidad α ahora vuelve a estar ocupada por GDP, esta regresa junto a las otras dos subunidades y permanece unida al complejo inactivo asociado al receptor. De esta forma, un nuevo estímulo puede volver a activar el mismo receptor. Según el tipo concreto de subunidad α, de las más de veinte conocidas, la proteína diana puede ser una u otra (fosfolipasa, adenilato ciclasa, transportador iónico, etc.). Dependiendo fundamentalmente de la velocidad requerida de transmisión, unos u otros caminos serán escogidos para disparar el impulso nervioso a través del largo axón.

El proceso de transmisión del impulso nervioso, a diferencia de lo que mucha gente piensa, no está mediado por una corriente de electrones que recorre el axón, sino por una onda de despolarización a lo largo de su membrana. Todas las células, pero con especial importancia las neuronas, tienen un fino control de la concentración de los iones a un lado y otro de la membrana. Por las propiedades de las diferentes bombas iónicas, como la Na+/K+ estudiada anteriormente, y de la estructura de las membranas celulares, tiende a haber una ligera acumulación de cargas positivas en el exterior celular. Esta distribución desigual de las cargas a ambos lados de la membrana produce lo que se denomina un potencial de membrana, que en una neurona en reposo ronda los -70 mV. Por diferentes causas, como la activación de canales iónicos de la membrana citoplasmática, se puede producir una inversión de este potencial. Existen unos transportadores iónicos de Na+ muy abundantes en el axón, que son extremadamente sensibles a las variaciones en el potencial de membrana, lo que rápidamente induce a la apertura del canal y el paso de Na+ al interior celular. Esto a su vez aumenta más la despolarización, lo que activa más canales y así sucesivamente. Estos canales sensibles al voltaje presentan ciertos residuos de aminoácidos cargados, que cambian de posición como consecuencia del cambio en las cargas del entorno. La nueva conformación adquirida por causa de este desplazamiento permite el paso de iones de sodio a favor de gradiente. Sin embargo, esta conformación es altamente inestable y hace que el canal se cierre casi instantáneamente, incluso sin que se haya despolarizando la membrana completamente. Esto ocurre cuando la concentración de sodio a ambos lados de la membrana se acerca al equilibrio, dando un potencial de +50 mV. Cuando el canal se cierra, queda en un estado inactivo hasta algunos milisegundos después de haberse recuperado el estado de reposo de la membrana. De esta forma, la neurona consigue que exista unidireccionalidad en la señal eléctrica.

El impulso nervioso. La alternancia de las formas cerrado/abierto/inactivo de los canales sensibles a voltaje, permite la unidireccionalidad del impulso nervioso a lo largo del axón.

Para conseguir aumentar la velocidad del impulso eléctrico, que puede llegar a los 360 km/h (recorre todo nuestro cuerpo en algo más de 10 milisegundos), algunas neuronas del sistema nervioso central reciben la ayuda de otras células presentes en este tejido llamadas oligodendrocitos (un tipo de células de la glía). Estas células emiten prolongaciones de sus membranas que se enrollan de forma muy compacta alrededor del axón de la neurona. Estas estructuras reciben el nombre de vaina de mielina y actúan como aislantes evitando que la corriente de sodio se pierda. La velocidad de transmisión es extremadamente importante para el funcionamiento coordinado del sistema nervioso. En la esclerosis múltiple, un proceso inflamatorio destruye mediante brotes episódicos las vainas de mielina, lo que tiene graves consecuencias para la persona que lo padece.

Cuando la despolarización de la membrana alcanza el final del axón, una serie de vesículas ahí almacenadas liberan su contenido al exterior, a un espacio denominado sinapsis, que es compartido con la célula que recibe la señal. Esta célula puede ser una neurona, una fibra muscular o una glándula. Las sustancias liberadas se denominan neurotransmisores. Existen decenas de estas moléculas, normalmente pequeñas, que son reconocidas por receptores localizados en la membrana de la célula postsináptica. El minúsculo tamaño del espacio sináptico, junto con la alta afinidad de estos receptores por su neurotransmisor, hace que la unión receptor-ligando se produzca de forma casi inmediata. En la mayoría de los casos, la célula postsináptica será otra neurona. Dependiendo del neurotransmisor liberado, la respuesta de la neurona postsináptica será activadora o inhibidora. En el caso de las activadoras, es muy habitual la presencia de canales iónicos sensibles al neurotransmisor, de tal forma que la unión del neurotransmisor al canal induce a su apertura y la despolarización de la membrana, lo que dispara un nuevo impulso nervioso a lo largo de su axón. De esta forma, la información química de la sinapsis es transformada en señal eléctrica.

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¿POR QUÉ SÓCRATES MURIÓ AL TOMAR CICUTA?

Todos sabemos que los músculos son los responsables de dar movilidad al cuerpo de los animales, desde el latido cardíaco hasta los ligeros movimientos peristálticos del intestino. Por tanto, las células musculares, unas de las más modernas de la evolución, hacen posible la vida de los animales. Existen tres tipos de tejidos musculares bien diferenciados: el esquelético, el liso y el cardiaco. El músculo esquelético o estriado se caracteriza por ser controlado voluntariamente y estar relacionado fundamentalmente con el movimiento de los huesos del esqueleto. El liso, por su parte, es responsable de los movimientos no controlados voluntariamente, como los peristálticos del intestino o los que permiten dilatar las arterias. Finalmente, las células cardiacas o cardiomiocitos, que forman el corazón, son células musculares extremadamente especializadas en realizar contracciones periódicas, potentes y de ritmo regulable ininterrumpidamente durante décadas.

Durante el desarrollo embrionario se produce la fusión de diferentes células individuales para dar lugar a las finas y alargadas fibras musculares. Estas fibras, que actúan como una única célula gigante con muchos núcleos, pueden ejercer su acción gracias a la presencia en su interior de un motor molecular denominado miosina tipo II. Esta proteína, como otras proteínas motoras vistas con anterioridad, es capaz de interaccionar con estructuras concretas del citoesqueleto y desplazarse sobre ellas. En el caso de las fibras del músculo esquelético, la miosina II y la actina forman una estructura denominada miofibrilla. Las miofibrillas son largas estructuras cilíndricas que pueden recorrer toda la fibra muscular. Están formadas por la repetición de una estructura contráctil denominada sarcómero, que es responsable del movimiento en todos los tipos de fibras musculares. Un sarcómero está formado por la asociación de varios filamentos delgados de actina alrededor de filamentos gruesos de miosina II. La miosina II es una proteína formada por dos cadenas polipeptídicas filamentosas (llamadas pesadas), que en uno de sus extremos presentan una estructura globular denominada cabeza, encargada de asociarse a la actina. Asociadas a la cabeza hay otras subunidades mucho menores, denominadas cadenas ligeras. Para darse el proceso de polimerización de la miosina, es necesaria la fosforilación de una de estas subunidades para permitir que las colas de las subunidades pesadas puedan desplegarse y unirse. Una vez organizadas las dos cadenas pesadas de un complejo de miosina II, este puede asociarse con otros, lo que permite la formación de los filamentos gruesos, formados entre quince o veinte complejos de miosina II.

Además, los sarcómeros están flanqueados en sus extremos por unas proteínas que forman el denominado disco Z, por donde se asocian los diferentes sarcómeros para formar la miofibrilla. Desde el disco Z se extienden los filamentos delgados hacia el interior del sarcómero en dirección al extremo denominado menos (-) del filamento, en cuyo final se encuentra otra proteína denominada tropomodulina, que como ya vimos es responsable de mantener estable el filamento de actina, lo que impide su despolimerización desde ese extremo. El filamento grueso de miosina II, que se encuentra rodeado de los filamentos de actina, es bipolar, mostrando dos extremos más (+) que se asocian a la actina. Recordemos que el signo + asociado al extremo de un filamento hace referencia a que se trata del extremo que polimeriza y despolimeriza más rápido, y que coincide con la dirección en la que se desplaza la miosina sobre la actina. Cuando se produce la contracción, las fibras gruesas se desplazan sobre la actina hacia su extremo + (hacia el disco Z), produce una disminución longitudinal del tamaño del sarcómero sin producirse una disminución en el tamaño de los filamentos que lo componen.

La contracción muscular. A. Estructura y proceso de polimerización de la miosina-II. B. Para la contracción del sarcómero es necesario el gasto de ATP y la presencia de Ca2+.

Para que la contracción del músculo sea efectiva (y no dolorosa), es necesario que los millones de filamentos de miosina II que forman todos los sarcómeros de todas las miofibrillas que forman el músculo avancen a la vez. ¿Cómo se consigue esto?

El axón de las neuronas motoras, que trae la información desde el sistema nervioso central al músculo efector, se ramifica en cientos de brazos, cada uno de los cuales alcanza una fibra muscular diferente. De esta forma, el impulso nervioso procedente de una única neurona puede controlar todo un músculo a la vez. Si el sistema nervioso central tomó la decisión de contracción, cuando el impulso llega a los extremos del axón de la neurona motora (espacios sinápticos), las vesículas allí presentes liberan su neurotransmisor activador, denominado acetilcolina. Una vez liberada, esta molécula se une con gran afinidad a su receptor específico. Los receptores de acetilcolina, localizados en la sinapsis del músculo esquelético, son canales iónicos formados por cinco subunidades (dos del tipo α, una β, una γ y una δ), todas ellas portando dominios transmembrana. Hay dos sitios en el complejo para la unión de la acetilcolina, localizados en las subunidades α. La unión de las dos moléculas de ligando induce a un cambio conformacional del complejo, quedando abierto al paso de cationes (Na+, K+ e incluso Ca2+). En estos espacios sinápticos hay una enzima muy abundante denominada acetilcolinesterasa, encargada de degradar la acetilcolina una vez ha sido liberada. De esta forma se consigue poner freno a la señal, ya que la unión receptor-ligando hay que recordar que es reversible y dependiente de la concentración de ligando. Existen algunos venenos neurotóxicos que actúan directamente sobre este sistema de transmisión del impulso, llegando por tanto a ser muy peligrosos. Algunos pueden inhibir a la acetilcolinesterasa, lo que impide que el impulso se apague. Tras un tiempo activo, el receptor de acetilcolina es internalizado, lo que impide que pueda volver a transmitir. Este es el caso del gas sarín. Por su parte, hay otros venenos que pueden actuar directamente sobre el receptor y bloquearlo. Es el caso de la cicutina, compuesto activo de la cicuta (Conium maculatum). La ingesta de esta sustancia en altas dosis produce vómitos, diarreas y náuseas por la afectación a la motilidad gastrointestinal, y tras unas horas la parada de todo el sistema muscular, incluido el diafragma, por lo que se produce la muerte por asfixia.

La despolarización de la membrana muscular, inducida por los canales de acetilcolina activados, se extiende rápidamente a través de una compleja estructura membranosa denominada túbulos T, que ponen en contacto la membrana citoplasmática de la fibra muscular con una parte de su retículo endoplasmático denominada retículo sarcoplásmico. Existen unas proteínas sensibles al cambio de voltaje localizadas en los túbulos T, que cuando alteran su conformación, por efecto de la despolarización, induce a la apertura de unos canales de calcio (Ca2+) localizados, muy próximos, en la membrana del retículo sarcoplásmico. Esta parte del retículo está encargada de acumular Ca2+, que es liberado a través de este canal al citoplasma de la fibra, llegando prácticamente al mismo tiempo a todos los sarcómeros. Para que se produzca el desplazamiento del filamento grueso de miosina, es necesario un ion bivalente (de calcio en este caso) y la hidrólisis de ATP. El calcio liberado al citoplasma es recogido en aproximadamente treinta milisegundos por canales de calcio localizados en la membrana del retículo, para lo que gasta energía en forma de ATP y permite una nueva contracción pasado ese tiempo.

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¿CÓMO ES POSIBLE QUE LA MISMA MOLÉCULA QUE MATA A LOS PATÓGENOS INVASORES PRODUZCA LA ERECCIÓN DEL PENE?

Los gases son compuestos que, usados como mensajeros, presentan muchas ventajas para los organismos vivos. La capacidad de estas moléculas para atravesar las membranas biológicas permite que puedan difundir en todas direcciones de forma rápida y sin gasto de energía. Por otro lado, la incapacidad de controlar la dispersión de la señal gaseosa obliga a los organismos a adoptar estrategias que le permitan poner freno a estas señales.

El óxido nítrico u monóxido de nitrógeno (NO) es un gas diatómico tóxico cuando se encuentra en el aire. Esta toxicidad está asociada a la alta reactividad de esta molécula, considerada un radical libre por la presencia de un electrón desapareado en su estructura. La inestabilidad de este electrón hace que la molécula tenga una alta facilidad para reaccionar con moléculas del entorno. Por ejemplo, en presencia de grupos peróxidos (O22-), otro radical libre frecuentemente producido por células, el óxido nítrico reacciona para formar el ion peroxinitrito (ONOO-). Este compuesto reacciona y se une covalentemente a la cadena lateral del aminoácido tirosina (Tyr, Y), lo que produce un cambio conformacional de la proteína a la cual el aminoácido modificado pertenece. Esta modificación, denominada nitrosilación, puede permitir la activación o inhibición de determinadas enzimas que tengan este aminoácido especialmente expuesto o localizado en algún lugar crítico para su actividad. Pero además de esta función reguladora, su capacidad de alterar las proteínas le convierte en un potente tóxico cuando se acumula en altas concentraciones.

Los organismos vivos han aprendido a utilizar la propiedades de este gas para realizar multitud de funciones, pero, para conseguirlo, el primer paso es poder sintetizar el compuesto. Las enzimas encargadas de producir el monóxido de nitrógeno son una familia de proteínas que reciben el nombre de óxido nítrico sintetasa (en inglés NOS). Estas enzimas, formadas por dos cadenas polipeptídicas iguales (homodímeros), utilizan el aminoácido L-arginina y el O2 para formar el NO, generando en la misma reacción un aminoácido no proteinogénico denominado L-citrulina. Para poder realizar esta reacción, la enzima necesita otras moléculas accesorias denominadas genéricamente como cofactores o coenzimas, como el grupo hemo (acomplejado a un átomo de hierro) y moléculas para captar los electrones de la reacción, como son la nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) o el flavín adenín dinucleótido (FAD+). Finalmente, para poder producir el monóxido de nitrógeno, la enzima necesita de la unión de un ion de calcio (Ca2+) a uno de los dominios de la proteína, que literalmente permite el tránsito de los electrones durante la reacción. En los seres humanos, existen tres tipos diferentes de esta enzima, cada uno de ellos expresado en un tipo de célula diferente donde el óxido nítrico desempeña muy diferentes misiones.

Una de estas formas es denominada NOS neuronal (nNOS), ya que está presente en algunas neuronas de forma constitutiva. A pesar de estar presente continuamente, la enzima solo puede formar monóxido de nitrógeno si la neurona es activada, y ha liberado el Ca2+ encerrado en su retículo endoplasmático al citoplasma, donde se encuentra la nNOS. Una vez activada, el monóxido de nitrógeno producido puede atravesar libremente las membranas y alcanzar rápidamente otras regiones cercanas donde se producen la activación y la represión de otras neuronas, y por tanto actúa como neurotransmisor. Fallos en el sistema de control de la actividad de esta enzima y una producción incontrolada de monóxido de nitrógeno en el cerebro están relacionados con algunas enfermedades neurodegenerativas como el párkinson. Esta toxicidad del monóxido de nitrógeno es utilizada por otras células del organismo para enfrentarse a las infecciones, como por ejemplo los fagocitos (macrófagos, células dendríticas, etc.). Estas células del sistema inmunitario expresan la proteína denominada NOS inducible (iNOS) que, a diferencia de las otras dos, solo es producida cuando la célula se ha activado por la detección de la infección, lo que entre otras cosas también produce un aumento del Ca2+ en el interior del fagocito. La alta actividad de esta isoforma produce una toxicidad localizada en el lugar de infección, que elimina tanto al invasor como a la célula que lo produce. Los restos de esta batalla es lo que denominamos pus. La tercera forma en la que se presenta esta enzima en el cuerpo humano es denominada NOS endotelial (eNOS), por estar presente en las células endoteliales (que forman los vasos sanguíneos). Aquí, donde la enzima está presente de forma constitutiva, la activación se produce por una entrada de Ca2+ desde la sangre al interior de la célula endotelial. El monóxido de nitrógeno producido sale rápidamente de la célula, alcanzando las células del músculo liso que recubren las arterias y arteriolas. La nitrosilación de tirosinas induce la producción en el músculo liso de un segundo mensajero denominado GDP. La unión de esta molécula (derivada del nucleótido guanosina) a ciertas proteínas induce a la relajación de las fibras musculares, y con ello lo impulsa a una vasodilatación localizada en ese lugar. El interior del pene está formado por los denominados cuerpos cavernosos: un entramado de vasos, incluyendo arterias y arteriolas, rodeados de músculo liso. Aquí, las terminaciones nerviosas procedentes del encéfalo liberan determinados neurotransmisores (como la acetilcolina) que se unen a receptores localizados en la superficie de la célula endotelial, lo que dispara la liberación de Ca2+ en su interior y la consecuente activación de la eNOS. El óxido nítrico liberado por el endotelio y el producido directamente por la nNOS de alguna de estas terminaciones nerviosas alcanza las fibras de músculo liso, induciéndolo a su relajación y por consiguiente permite la entrada de mayor cantidad de sangre, y con ello la erección del pene.

Óxido nítrico sintasa (NOS). Reacción de producción de óxido nítrico y las isoenzimas encargadas de producirlo en nuestro organismo.

BIOLOGÍA MOLECULAR

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¿POR QUÉ LOS HIJOS SE PARECEN A SUS PADRES?

Hoy sabemos que los ácidos nucleicos son los portadores de toda la información genética de un ser vivo, y que esta información se transmite de generación en generación a través del ADN, material responsable de que los hijos se parezcan a sus padres. Sin embargo, esta demostración no fue posible hasta finales del siglo XIX y principios de siglo XX.

Los primeros experimentos científicos que muestra la existencia de unas leyes naturales asociadas a la herencia fueron realizados por el checo Johann Gregor Mendel en 1865. Usando la planta del guisante (Pisum sativum), analizó siete pares de características de la semilla y la planta: la forma y el color de la semilla, la forma y el color de la vaina, la posición y el color de las flores y la longitud del tallo. El estudio de la frecuencia de aparición de cada carácter en las sucesivas generaciones obtenidas de determinados cruces entre plantas le permitió postular su teoría de la herencia particulada, donde determinó la existencia de unos elementos (que hoy llamamos genes) responsables de la transmisión de los caracteres de los progenitores a la descendencia. Sin embargo, en esta época no se conocía qué eran esos elementos, es decir, de qué estaban constituidos ni dónde se localizaban en la célula, de igual forma que no se conocía cómo se podían transmitir de generación en generación. A partir de esta teoría distintos investigadores realizaron multitud de estudios para determinar cómo estos elementos se almacenaban en las células de nuestro organismo. En 1902, Walter S. Sutton y Tehodor Boveri observaron la relación entre los cromosomas y la herencia, y establecieron que los elementos determinados por Mendel se localizan en los cromosomas. Estas estructuras localizadas en el núcleo de las células se dividían y se transmitían durante la división de las células eucariotas, por lo que dichas estructuras, compuestas por ADN y proteínas, tenían que ser las responsables de la transmisión del material genético. En 1909, Thomas Morgan comprobó esta hipótesis realizando una serie de experimentos utilizando la mosca del vinagre, Drosophila melanogaster, a través de la cual observó que los genes se localizan de forma lineal en los cromosomas y que los que se encontraban en el mismo cromosoma tendían a heredarse juntos, por lo que los denominó genes ligados. Además, observó que podía ocurrir un intercambio de fragmentos de cromosomas mediante un fenómeno que denominó recombinación. Gracias a todas estas observaciones, afirmó que los cromosomas conservan la información genética y que son también los responsables de transmitir esta información, y elaboró en 1915 la denominada teoría cromosómica de la herencia. Gracias a esta teoría se llamó genes a los elementos descritos por Mendel y se determinó que son las unidades de información hereditaria, que se localizan en regiones concretas de los cromosomas denominadas locus.

Sin embargo, aún no se tenían evidencias claras sobre cuál de las moléculas que forman dichos cromosomas, el ADN o las proteínas, eran las responsables de esta trasmisión hereditaria. La bioquímica, ahora, tenía que jugar un papel decisivo. En 1928 el microbiólogo Fred Griffith utilizó diferentes cepas de la bacteria Streptococcus pneumoniae, agente causante de neumonía en humanos. Cuando infectaba ratones con una cepa virulenta (cepa S) estos morían en veinticuatro horas. Por su parte, cuando los infectaba con la cepa R, no virulenta, estos sobrevivían. Lo sorprendente fue que, cuando mataba bacterias de la cepa S por calor y las mezclaba con bacterias de la cepa R vivas, al infectar los ratones con la mezcla, estos morían, encontrándose en su sangre bacterias virulentas vivas. Estudios más detallados demostraron que estas bacterias R, ahora virulentas, presentaban propiedades de la cepa S, fenómeno que se denominó transformación. En 1944 Oswald T. Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty, empleando métodos bioquímicos, demostraron que la capacidad de transformación de estas bacterias era debida al ADN y no a las proteínas. Para ello fraccionaron las bacterias S muertas por calor y aislaron distintas fracciones purificadas de distintos compuestos, tales como lípidos, polisacáridos, ARN, proteínas y ADN, los cuales, de forma aislada, se mezclaron con bacterias R, para así determinar cuál de ellos era el factor transformante responsable de convertir a dichas bacterias en virulentas. Observaron que únicamente al añadir la fracción purificada de ADN se obtenían cepas virulentas, es decir, el ADN era el factor que poseía dicha capacidad de transformación.

La demostración que se consideró definitiva a la hora de consagrar el ADN como guardián de la información hereditaria fue realizada en 1952 por Alfred Hershey y Martha Chase. Para ello utilizaron el bacteriófago T2 (un virus que infecta bacterias, el cual está formado por una cápsida externa de proteínas y una molécula de ADN en el interior). Sabían que dicho fago se unía a la superficie de una célula bacteriana e inyectaba alguna sustancia, bien su ADN o bien sus proteínas, lo que permitía que se produjeran montones de copias (descendientes) del fago. Es decir, el material que inyectaban tenía que ser el material genético del fago. Para determinar cuál de esas moléculas era dicho material genético, prepararon dos cultivos del fago, uno en el cual su ADN estaba marcado con fósforo radiactivo (32P) y el otro que tenía marcadas con azufre radiactivo (35S) sus proteínas. Inocularon cada uno de los cultivos de fagos marcados en un cultivo de bacterias, y los dejaron el tiempo necesario para que estos se multiplicaran. Posteriormente, centrifugaron cada uno de los cultivos para separar las bacterias de los fagos, quedando las bacterias en el fondo, por ser más pesadas, y los fagos en la fase líquida o sobrenadante. Observaron que en el primer caso (cultivo inoculado con fagos marcados con 32P) las bacterias del fondo presentaban en su interior fósforo radiactivo, es decir, el virus había inoculado en la bacteria su ADN, mientras que en el segundo caso (cultivo inoculado con fagos marcados con 35S), el azufre radiactivo aparecía en el sobrenadante, es decir, fuera de las bacterias. Por tanto, las proteínas no eran inoculadas. Además, en sucesivas rondas de replicación observaron que los virus procedentes del cultivo marcado con fósforo estaban también marcados, lo que no ocurría en ningún virus obtenido tras la reproducción de los virus marcados con azufre. Todas estas observaciones permitieron a la comunidad científica dar por demostrado que el material genético es el ADN y no las proteínas.

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LOS RAYOS X Y EL ADN, ¿QUÉ RELACIÓN TIENEN CON EL NACIMIENTO DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR?

No es raro escuchar cada día en los diferentes medios de comunicación algún nuevo avance en biotecnología y la importancia de los nuevos descubrimientos asociados a la cura de alguna enfermedad. Esto no hubiera sido posible sin el desarrollo de una rama de la bioquímica denominada biología molecular. Esta rama está encaminada a entender cómo ocurren los fenómenos biológicos que tienen lugar en un organismo vivo a partir de una perspectiva molecular, es decir, a partir del funcionamiento molecular de los organismos.

Para entender los principios básicos de la biología molecular, es indispensable enlazar su desarrollo al descubrimiento del ADN como la macromolécula responsable de la transmisión de información de generación en generación y, por tanto, la macromolécula indispensable para la vida. Una vez descubierto que el material genético es el ADN, había que entender cómo esta molécula de ADN se organizaba en las células, cómo era su estructura, ya que lo que se conocía hasta el momento parecía indicar que era una estructura rígida difícil de almacenar. Entre los años 1950 y 1953 se realizaron los experimentos más relevantes para entender cómo se organizaba esta macromolécula en las células. Por un lado, Rosalind E. Franklin estableció que la estructura del ADN podía hallarse en dos formas helicoidales distintas con los fosfatos hacia el exterior gracias a experimentos mediante difracción de rayos X. Sin embargo, no fue hasta 1953 cuando James D. Watson y Harry C. Crick, recopilando la información de los diferentes estudios realizados por investigadores anteriores, especialmente los obtenidos por Rosalind E. Franklin, establecieron que el ADN se organizaba en una estructura tridimensional de doble hélice, por lo que recibieron el Premio Nobel en 1962.

La estructura del ADN. Imagen obtenida por rayos X de la estructura en α–hélice del ADN. Debajo se representa la estructura de la molécula de ADN.

La estructura de la doble hélice de ADN está constituida por dos cadenas helicoidales de polinucleótidos enfrentadas entre sí por complementariedad de sus bases nitrogenadas, enrolladas alrededor del mismo eje formando una doble hélice. Están unidas entre sí por medio de puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, dos entre la adenina y la timina y tres entre la citosina y la guanina. Los azúcares y los grupos fosfato alternados se encuentran hacia el exterior de la doble hélice. Las dos cadenas son antiparalelas, es decir, los nucleótidos del ADN están unidos covalentemente mediante un enlace fosfodiéster entre el grupo hidroxilo del carbono 5’ del azúcar de un nucleótido y el grupo hidroxilo del carbono 3’ del siguiente, por lo que cada cadena de polinucleótidos tendrá un extremo 5’ y 3’ diferenciados. Por tanto, el hecho de que las dos cadenas de la doble hélice sean antiparalelas indica que presenta una cadena en sentido 5’→3’ y la otra en sentido 3’→5’. El apareamiento de las dos hebras hace que se forme un surco mayor y un surco menor en la superficie de la doble hélice. A partir de esta estructura Watson y Crick dedujeron cómo esta se replicaba para formar dos moléculas de ADN idénticas y así poder ser transmitida de generación en generación. Ellos propusieron que dicha replicación tenía que ocurrir mediante la separación de las dos hebras seguida de la síntesis de hebras complementarias, es decir, cada una de las hebras de la doble hélice sirve de molde para dirigir la síntesis de la hebra complementaria, modelo que denominaron replicación semiconservativa y que después fue demostrado experimentalmente.

Todos estos conocimientos permitieron a Francris Crick en 1958 enunciar el dogma central de la biología molecular, en el que establecía que la información genética va en dirección ADN-ARN-proteínas mediante replicación-transcripción-traducción. Sin embargo, no fue hasta 1970 cuando este dogma fue aceptado como tal gracias al descubrimiento del código genético, en el cual se establece que un triplete de nucleótidos del ADN determina un aminoácido. Este descubrimiento fue posible gracias a la aportación de diferentes investigadores como los descubrimientos del mecanismo de la síntesis del ADN y el ARN por Severo Ochoa en 1955 y Arthur Kornberg en 1957, los cuales descubrieron la polinucleótido fosforilasa que sirvió para sintetizar oligorribonucleótidos, y la ADN polimerasa I de Escherichia coli, respectivamente. Por estos descubrimientos compartieron el Premio Nobel en 1959. El dogma central de la biología molecular, como todo dogma científico, ha sido modificado posteriormente. El descubrimiento aportado por Howard M. Temin y David Baltimore en ese mismo año (1970) establecía que los virus con ARN como material genético realizaban una copia de dicho ARN a ADN durante la infección, y que esta copia era posible gracias a una enzima denominada transcriptasa inversa o retrotranscriptasa. Aparecía un nuevo término que añadir al flujo de información establecido por el dogma: la transcripción inversa.

Gracias a todos estos descubrimientos la biología molecular comenzó a tomar un papel muy importante en el estudio de las funciones biológicas a nivel molecular, ya que se descubrieron nuevos abordajes experimentales tales como la secuenciación del ADN, las técnicas de ADN recombinante o la técnica de la PCR (del inglés polymerase chain reaction). En este libro se abordarán cuestiones referentes a la gran relevancia que tienen en la sociedad estas herramientas biotecnológicas, derivadas de los avances en nuestro conocimiento sobre la biología molecular de los organismos vivos.

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¿SABÍAS QUE SI HICIÉRAMOS UNA CADENA CON TODO EL ADN DE TU CUERPO SERÍA TAN LARGA COMO PARA DAR HASTA 765 000 VUELTAS ALREDEDOR DE LA TIERRA?

El material genético de un individuo es necesario para el funcionamiento y mantenimiento de este a lo largo de su ciclo de vida, ya que contiene toda la información necesaria para poder realizar todas sus funciones vitales. Según ha ido aumentado el nivel de complejidad de los distintos organismos, el almacenamiento de este material genético dentro de cada una de sus células ha adquirido también mayor complejidad. Así, la forma en la que el ADN de las células procariotas se encuentra dentro de ellas presenta una complejidad menor que el de las células eucariotas.

Las células procariotas, como es el caso de las bacterias, presentan una cantidad de material genético menor debido a que necesitan menos información para su funcionamiento y mantenimiento que las células eucariotas. Las bacterias presentan una única molécula de ADN doble y circular que se conoce como cromosoma bacteriano. Este cromosoma se encuentra libre en el citoplasma, ya que las bacterias no presentan una compartimentalización interna como las células eucariotas, donde el ADN se encuentra separado del citoplasma por una membrana (el núcleo). El primer nivel de organización del ADN es su estructuración en forma de hélice, formada por las interacciones entre los nucleótidos a través de sus bases nitrogenadas complementarias, adenina-timina y guanina-citosina, mediante puentes de hidrógeno, dos y tres respectivamente, en el interior de la doble hélice, con los grupos fosfato hacia el exterior. Cada vuelta de hélice contiene diez pares de bases (10 pb); teniendo en cuenta que cada par de bases ocupa una longitud de 0,34 nm, cada vuelta de hélice tiene una longitud de 3,4 nm. El tamaño del genoma que presentan las diferentes bacterias no varía mucho de unas a otras; en el caso de una de las bacterias más estudiadas, Escherichia coli, el tamaño de su genoma es de 4,2x106 pb, este ocuparía aproximadamente 1500 µm. Sin embargo el tamaño de la bacteria no supera las 0,2 µm de largo por 0,5 µm de ancho, por lo que las bacterias deben tener otra estrategia de compactación para poder almacenar todo el cromosoma bacteriano dentro de ellas. Esta estrategia consiste en el superenrollamiento de la doble hélice de ADN bacteriana, gracias a una enzima denominada ADN girasa, la cual provoca la torsión de la doble hélice de manera contraria a como esta se encuentra, por lo que se denominan superenrollamientos negativos de la doble hélice. Estos superenrollamientos se mantienen gracias a la acción de diferentes proteínas estructurales exclusivas de bacterias. Este nivel de compactación permite a las células procariotas almacenar el ADN. Cuando la célula precisa acceder a alguna de las regiones superenrolladas del ADN, dispone de unas enzimas denominada topoisomerasas que se encargan de desenrollar y relajar el ADN para permitir su transcripción o replicación.

En el caso de las células eucariotas el nivel de compactación de su ADN es mucho más complejo que el mencionado anteriormente porque, como ya hemos dicho, presenta una cantidad de ADN mucho mayor. La primera diferencia en la forma en la que se almacena el ADN en las células eucariotas respecto a las procariotas es que presenta varios cromosomas lineales. Estos cromosomas se pueden encontrar en diferentes niveles de compactación, dependiendo de si la célula se va a dividir o no. Cuando la célula se encuentra en interfase, es decir, no se va a dividir, su material genético está en forma de cromatina. Si la célula se va a dividir, este conjunto de ADN estructurado en forma de cromatina se organiza y empaqueta en las denominadas cromátidas, que en el caso de la especie humana presenta veintitrés pares.

La cromatina de una célula en interfase se encuentra en un nivel de empaquetamiento denominado comúnmente como «collar de perlas». La doble hélice de ADN en eucariotas presenta las mismas características que en las procariotas: 10 pb por cada vuelta de hélice, ocupando también 3,4 nm. Sin embargo, ahora el ADN se presenta asociado a unas proteínas exclusivas de las eucariotas denominadas histonas. En las eucariotas existen cinco tipos de histonas (H1, H2A, H2B, H3 y H4). Excepto la histona H1, todas las demás se asocian por pares, formando octámeros que reciben el nombre de core del nucleosoma. Alrededor de cada una de estas estructuras proteicas se enrolla la doble hélice de ADN, que en concreto da 1,7 vueltas alrededor de los nucleosomas, aproximadamente unos 200 pb de ADN. Los nucleosomas se encuentran separados unos de otros por lo que se denomina ADN espaciador, que cuenta con cincuenta y cuatro pares de bases. Esta unión se mantiene gracias a que las histonas presentan dominios ricos en aminoácidos básicos, con carga positiva, que se ven atraídos por las cargas negativas de los grupos fosfato de los ácidos nucleicos que se encuentran hacia el exterior de la doble hélice. Este primer nivel de empaquetamiento permite disminuir el espacio que ocupa el ADN dentro del núcleo celular hasta aproximadamente un 80 %.

El nucleosoma. Vista superior (arriba) y lateral (abajo) de un nucleosoma. Estructura responsable del nivel básico de empaquetamiento del material genético. El ADN se representa en forma de hilos. Código PDB de la cristalografía: 3KXB.

Cuando una célula eucariota se va a dividir, su material genético se compacta hasta alcanzar un nivel de empaquetamiento máximo en forma de cromátidas. Para ello, es necesaria la participación de la histona H1. Esta histona une dos nucleosomas adyacentes del collar de perlas y ocurre un enrollamiento sobre sí misma. Cada vuelta contiene seis nucleosomas, alcanzando un nivel de empaquetamiento denominado solenoide o fibra de 30 nm. Posteriormente, el solenoide forma unos bucles radiales que se van anclando a un eje proteico, formando una fibra de 300 nm de grosor, para finalmente enrollarse en forma helicoidal para formar las cromátidas, que presentan un grosor de 700 nm.

Un genoma humano contiene alrededor de unos 3300 millones de pares de bases distribuidos en los 23 cromosomas de cada una de sus células. Si el nivel de compactación del ADN únicamente fuese el de doble hélice, es decir, por cada 10 pares de bases hay una distancia de 3,4 nm, el ADN de cada una de nuestras células ocuparía aproximadamente un metro, un tamaño desproporcionado para el tamaño medio de una célula humana que es del orden de micras. De hecho, si tenemos en cuenta que un ser humano contiene alrededor de unos 30 billones de células, todo el ADN de nuestro cuerpo podría dar hasta 765 000 vueltas alrededor del ecuador de la Tierra. Esto nos da una idea de por qué la compactación del material genético de las células eucariotas es imprescindible para que la vida pueda existir.

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¿ES POSIBLE SABER LA INFORMACIÓN QUE GUARDAN LOS GENOMAS?

Hoy sabemos que la secuencia de desoxinucleótidos que forman el genoma de un individuo contiene la información necesaria para producir las proteínas que sus células necesitan para vivir. Gracias al esfuerzo de un gran número de investigadores, el lenguaje que utiliza la vida para transformar su información genética en proteínas ha sido descifrado, y se conoce como código genético. Este código establece una correspondencia entre la secuencia de nucleótidos que existe en determinada parte del gen, que llamamos marco de lectura abierta (ORF, del inglés open reading frame), y la secuencia de aminoácidos de la proteína para la que esa región concreta del genoma codifica. Es decir, la secuencia formada por la sucesión de los nucleótidos adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T), o uracilo (U) en el ARN se transforma en una estructura tridimensional formada por la combinación de hasta veinte aminoácidos diferentes. Esto establece una disposición específica en el espacio de determinados grupos químicos presentes en los aminoácidos y, por tanto, permite dar actividad bioquímica a la información contenida en el genoma.

La unidad básica de información contenida en un ORF se denomina codón. Un codón es un triplete de nucleótidos que se corresponde con un determinado aminoácido. Como estudiaremos más adelante, esta correspondencia ocurre físicamente durante la traducción del ARN mensajero (ARNm) en el ribosoma. Teniendo en cuenta que cuatro son los elementos que pueden combinarse, y que estos lo hacen de tres en tres para formar los codones en la molécula de ARNm (o previamente en el ADN), hay un total de 64 codones posibles. Por tanto, como solo hay veinte aminoácidos, un aminoácido puede ser codificado por más de un codón. De hecho, hasta cuatro codones diferentes pueden codificar para un mismo aminoácido, como es el caso de la valina (Val), que es codificada por los codones GUU, GUA, GUC, GUG. Obsérvese que la variación entre los codones ocurre exclusivamente en el último nucleótido del triplete, conservándose los dos primeros. Por causa de este efecto, que ocurre siempre en los codones que codifican para un mismo aminoácido, se dice que el código genético es degenerado. También existen tres codones que no tienen correspondencia con ningún aminoácido, y que se conocen como terminadores, que son utilizados para señalar el final de la proteína. Estos codones son UAA, UAG y UGA. Finalmente, cabe señalar el único codón que codifica para el aminoácido de metionina (Met): AUG. Este triplete también es denominado codón de inicio, ya que todos los ORF comienzan con este codón. Los codones son prácticamente los mismos en todos los organismos vivos conocidos y por eso decimos que el código genético es universal. Esta universalidad del código fuente de la vida es una de las pruebas más potentes que justifican el proceso evolutivo y que, por tanto, apoyan la idea de que todos los organismos descendemos de una misma célula primitiva que inventó el código. A pesar del gran aumento en la complejidad de los organismos y de cómo sus genomas se han ido ampliando, el código genético se ha conservado a lo largo de toda la evolución.

Un hecho que hay que tener en cuenta a la hora de entender cómo se guarda la información genética en los genomas de los seres vivos es que un ORF se extiende siempre en una única cadena de las dos que presenta la molécula de ADN genómico. Esta hebra recibe el nombre de hebra sentido, en contraposición con la cadena complementaria, que recibe el nombre de antisentido. Cuando los genomas son muy pequeños, como el de los virus, dos o más ORF pueden verse solapados en una misma hebra, o incluso en hebras opuestas. De esta forma se consigue minimizar el espacio ocupado por la información, y así poder ser guardada dentro de la minúscula cápsida viral. Sin embargo, a medida que los organismos han ido aumentando su complejidad y el tamaño de sus genomas, la proporción del genoma formado por ORF ha ido disminuyendo hasta el punto de que en los humanos, por ejemplo, apenas un 1,5 % de todo el genoma son ORF y, por supuesto, apenas necesitan solaparse por problemas de espacio. Por otro lado, una vez alcanzado cierto nivel evolutivo, no parece existir una correlación entre la complejidad de un organismo y el número de ORF que porta. La mosca del vinagre (Drosophila melanogaster) tiene aproximadamente un total de 16 000 ORF, poco menos que el ser humano, que presenta unos 25 000. Todos estos datos parecen estar indicando que la relevancia de las regiones codificantes sobre el nivel final de complejidad que muestra un organismo no es muy elevada y, por consiguiente, que el resto de regiones no codificantes del genoma han de tener mucho que ver con esa complejidad.

Las regiones inmediatamente adyacentes a un ORF son tanto o más importantes para la célula que la propia proteína para la que codifica. Estas secuencias se denominan secuencias reguladoras, y son las responsables de controlar la información genética codificada en el ORF. La secuencia formada por un ORF junto con las secuencias reguladoras que lo flanquean es lo que denominamos gen, y representa la unidad funcional básica del material genético. Las regiones reguladoras pueden actuar de muy diversas formas para controlar la expresión de un gen.

La información contenida en las regiones reguladoras no se presenta en forma de codones, como en la región codificante, sino que viene representada por ciertas secuencias que pueden ser de unos pocos o de cientos de pares de bases. Estas secuencias dan al ADN o al ARN que las contienen estructuras particulares, y es precisamente esa forma que adquieren los ácidos nucleicos lo que permite revelar la información que contiene la secuencia codificada en el ORF, ya que es esa estructura la que es reconocida por determinados factores proteicos responsables de dar voz a la información almacenada en los genes.

En general, la posibilidad de regular la cantidad de una proteína en la célula permite complejas redes de coordinación entre los diferentes genes de un mismo genoma, y de esta forma se consigue dar mucha mayor capacidad de adaptación (complejidad) al individuo que lo porta. En este sentido, los avances dentro de la biología del desarrollo ponen de manifiesto la importancia de esta relación entre el control de la expresión de los genes y la posibilidad de crear, por ejemplo, un ojo.

Aun contando con las regiones reguladoras, en eucariotas sobre todo, la inmensa mayoría del genoma no está ocupado por genes. Las secuencias del genoma que se localizan entre los genes reciben el nombre de regiones intergénicas y, aunque antiguamente se denominaba ADN basura por su supuesta falta de información, hoy sabemos que contiene secuencias muy importantes para que los organismos puedan vivir. Más allá de las regiones del genoma destinadas a la estabilización de las enormes moléculas de ADN que forman los cromosomas eucarióticos, como los telómeros, o secuencias implicadas directamente en el reparto del material genético a las células hijas tras la división, como las regiones centroméricas, los genomas portan otras formas de información también relacionada con la capacidad de expresión de los genes. Esta forma de control se denomina epigenética, y está relacionada con el grado de empaquetamiento que puede presentar una doble hélice de ADN. Mediante la modificación química de algunas bases, fundamentalmente metilaciones y acetilaciones, se produce una compactación del material genético en regiones más o menos largas de los cromosomas. Esto impide la accesibilidad de la maquinaria proteica a esas regiones. Este mecanismo permite silenciar grandes regiones de los cromosomas, o incluso silenciar un cromosoma completo, como ocurre con uno de los dos cromosomas X de las hembras de mamíferos.

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¿CUÁNTO TIEMPO NECESITA UNA CÉLULA PARA COPIAR TU GENOMA?

En las preguntas anteriores hemos discutido cómo el ADN acumula información que, de una forma u otra, está contenida en la secuencia de nucleótidos que lo componen. Por tanto, a la hora de replicar esta información para poderla perpetuar en la descendencia, es importantísimo conservar con la máxima precisión la secuencia de nucleótidos que presenta un genoma. El gran tamaño de las moléculas de ADN, por ejemplo los 245 millones de pares de bases que presenta el cromosoma 1 humano, hace de la replicación un proceso altamente complejo y costoso para la célula. En esta pregunta vamos a describir brevemente las diferentes fases de esta sorprendente reacción y los actores moleculares que lo hacen posible. Existen dos reacciones en la célula que producen ADN, la denominada síntesis semiconservativa, que veremos ahora, y la síntesis por reparación.

El primer paso para poder replicar la doble hebra de ADN de forma semiconservativa es separar las dos cadenas que la componen. Para ello, los organismos vivos han encontrado diferentes alternativas. Las bacterias, que presentan un único cromosoma circular relativamente pequeño, tienen una única secuencia responsable de indicar el lugar donde ha de iniciarse el proceso de replicación. En eucariotas, por su parte, existen diferentes lugares repartidos a los largo de los cromosomas. A estas regiones del genoma se las conoce como origen de replicación y están constituidas por secuencias que son reconocidas por proteínas específicas. En la bacteria Escherichia coli, un complejo de proteínas conocido como DNA-A es capaz de asociarse el origen de replicación (OriC). Tras su unión, se produce una torsión en la molécula de ADN, lo que produce la apertura de la doble hebra en esa región. En el momento que aparecen las hebras de ADN separadas, diferentes unidades de la proteína denominada SSB (Single Side Band en inglés, proteínas de unión a hebra simple) se asocian a las hebras no apareadas. Al tiempo, dos helicasas (DNA-B) entran en el hueco generado en la hélice, una a cada extremo de la región abierta. Las helicasas son proteínas encargadas de abrir la doble hélice de forma secuencial, es decir, como una cremallera, lo que permite ir ampliando el tamaño de la región abierta de la hélice. Cada una de las estructuras formadas en los extremos del hueco se denomina horquilla de replicación. Desde el origen de replicación, dos horquillas avanzan en direcciones opuestas, lo que produce que se terminen encontrando (en el caso de los cromosomas circulares bacterianos), o no (en el caso de las que replican los cromosomas lineales eucarióticos). En ambos casos es necesaria la acción de una proteína llamada topoisomerasa, encargada de eliminar la tensión que se produce al desenrollar una hélice desde el interior, para evitar que se pueda romper la molécula de ADN.

Las enzimas encargadas de sintetizar el ADN se denominan ADN polimerasas. Estas proteínas presentan una gran hendidura central, altamente conservada a lo largo de la evolución, cuya forma recuerda a la de una mano cogiendo un tubo. La hebra simple de ADN se desliza por la palma, mientras que los dedos y el pulgar impiden que escape. Tanto en bacterias como en eucariotas existen diferentes tipos de polimerasas, cada una de ellas especializada en una tarea específica de la síntesis del ADN. Algunas solo participan en los procesos de reparación, mientras que otras son responsables de realizar las largas copias completas del genoma. Estas últimas, que ahora nos ocupan, se caracterizan por presentar una alta procesabilidad, es decir, son capaces de replicar largos tramos del genoma sin caerse del molde. Para ello utilizan una estructura proteica sorprendente en forma de anillo (subunidad β en bacterias y PCNA en eucariotas), que abraza la hebra molde durante la síntesis.

Todas las polimerasas de ácidos nucleicos sintetizan la hebra exclusivamente en dirección 5’→3’. La causa de esta limitación en la dirección de síntesis de las polimerasas está relacionada con la naturaleza de la reacción de polimerización. Para unir dos nucleótidos se necesita que uno de ellos se encuentre en la forma activada (forma trifosfato), de tal forma que pueda reaccionar el grupo fosfato unido a su carbono 5’ con el grupo hidroxilo (-OH) del carbono 3’ del nucleótido receptor. De esta forma es imprescindible la presencia de un grupo 3’-OH para que la polimerasa pueda iniciar la síntesis de la cadena de ADN. Existen varias estrategias para conseguir colocar este grupo, que recibe el nombre de cebador, en la posición adecuada para que la polimerasa pueda comenzar a procesar. En muchos casos es generado por unas enzimas que se denominan primasas. Estas proteínas (llamadas ADN-G en bacterias) presentan actividad ARN-polimerasa, y son capaces de sintetizar un pequeño fragmento de ARN (once o doce pares de bases) complementario a la hebra que se quiere copiar, dejando al final un extremo 3’-OH libre. Una vez separadas las hebras, unida la helicasa y generado el cebador, la ADN-polimerasa iniciará la síntesis de ADN y catalizará una detrás de otra, la reacción de adición de nucleótidos trifosfato que acabamos de comentar, para lo que usará como molde una de las hebras libres del ADN.

Nos tiene que llamar la atención el hecho de que la horquilla de replicación avance en una dirección y que la polimerasa sea capaz de sintetizar las dos cadenas a la vez. Hay que recordar que las dos hebras que forman la doble hélice del ADN están colocadas en sentidos opuestos. Es decir, si decimos que una está en la orientación 5’→3’, la complementaria está en la orientación contraria (3’→5’). Si como acabamos de afirmar, las polimerasas solo son capaces de sintetizar en dirección 5’→3’ y la horquilla solo avanza en una dirección, ¿cómo consigue sintetizar la hebra en orientación 3’→5’? Este problema topológico ha sido resuelto adicionando una subunidad especial a la polimerasa encargada de replicar específicamente esa hebra. La ADN-polimerasa que se encuentra en la horquilla de replicación está formada por dos complejos de seis proteínas, replicando cada uno de ellos una hebra. La hebra que se encuentra en sentido 3’→5’, además de estas seis, necesita de dos subunidades accesorias que van a permitir que el ADN realice un giro antes de llegar al centro catalítico. Gracias a ese giro, un fragmento de la hebra de ADN permanece en dirección 5’→3’, lo que permite que sea replicado por la subunidad catalítica, previa adición de un cebador por las primasas. Estos segmentos que pueden ser replicados tienen un tamaño de entre mil y dos mil pares de bases, y reciben el nombre de fragmentos de Okazaki en honor a su descubridora, la científica japonesa Tsuneko Okazaki. Para completar la síntesis de esta hebra, es necesario unir los diferentes fragmentos obtenidos de la polimerasa, para lo que en bacterias participa la ADN polimerasa I. Esta enzima sustituye el ARN de los cebadores por ADN. Finalmente, otra enzima denominada ligasa forma el enlace fosfodiéster entre dos fragmentos de Okazaki. Como es fácil suponer, el proceso de síntesis de esta hebra es más lento que la que está siendo sintetizada en sentido 5’→3’, y por eso se suele denominar a las hebras como retardada y conductora respectivamente.

La replicación del ADN. Tras la apertura de la doble hélice, las horquillas de replicación avanzan en ambas direcciones, creando dos moléculas semiconservadas de ADN.

A pesar de la alta complejidad del proceso, una horquilla de replicación bacteriana es capaz de copiar unos 850 nucleótidos por segundo, lo que supone ser capaz de replicar su genoma en menos de una hora. Aunque pueda resultar llamativo, las ADN polimerasas humanas son mucho más lentas que las de E. coli, no llegando a copiar ni cien nucleótidos por segundo. Sin embargo, al presentar un alto número de sitios de inicios de la replicación, unos 10 000 entre todos los cromosomas, nuestras células son capaces de copiar las 3 300 000 000 pares de bases que representa su genoma en aproximadamente ocho horas.

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¿LOS FALLOS EN LA INFORMACIÓN GENÉTICA SE PUEDEN CORREGIR?

Las enzimas encargadas de realizar la replicación del ADN, en ocasiones, pueden incluir un nucleótido incorrecto. A pesar de la especificidad concedida por la formación de los puentes de hidrógeno entre la base nitrogenada entrante y la presente en la cadena molde, cada determinado número de nucleótidos incorporados, las ADN-polimerasas introducen uno incorrecto. Por ejemplo, la actividad catalítica de una polimerasa bacteriana (ADN-polimerasa III) presenta una tasa de error de 7 x 10-6. Es decir, un error por cada 150 000 nucleótidos aproximadamente. Teniendo en cuenta que el genoma de E. coli tiene 4 000 000 de pares de bases (pb), supondría acumular unos 30 errores cada vez que se replica. Pueden parecer pocos, pero si tenemos en cuenta los billones de replicaciones que ha tenido que realizar para perpetuarse hasta nuestros días, entendemos que esa tasa de error es incompatible con la vida, o por lo menos con la perpetuación de una especie. Todas las polimerasas de ADN tienen la capacidad de detectar cuando se ha incorporado un nucleótido incorrecto y sustituirlo. Cuando se produce la incorporación de un nucleótido incorrecto, el error de apareamiento entre los nucleótidos genera una perturbación en la hélice recién sintetizada. Esta alteración de la estructura del ADN es suficiente para desestabilizar a la enzima e inducir su actividad exonucleasa 3’→5’. Mediante una reacción inversa a la síntesis (comentada en la pregunta anterior), el nucleótido mal apareado puede ser eliminado por la rotura del enlace fosfodiéster que lo mantiene unido a la cadena. Una vez eliminada la perturbación, la polimerasa volverá a su actividad 5’→3’ polimerasa. El extremo N-terminal de la subunidad ε de la ADN-polimerasa III bacteriana presenta esta actividad correctora, lo que hace que su tasa de error descienda unas mil veces (alrededor de 10-9, un error cada mil millones de nucleótidos).

A pesar de la mejora de la fidelidad en las copias, mediada por la actividad correctora de las propias polimerasas, la tasa de error aún es extremadamente alta. Además, la secuencia de nucleótidos del ADN puede verse alterada por otras causas, no exclusivamente por errores cometidos al hacer las copias. Ciertas sustancias o radiaciones tienen la capacidad de alterar la naturaleza química de las bases nitrogenadas y, por tanto, aumentar el número de errores en el genoma. Por ello, desde las primeras células, por lo menos desde aquellas que han sido capaces de perpetuarse hasta nuestros días, han existido sistemas de reparación del genoma que permiten eliminar gran parte de los errores que este presenta. Un ejemplo sencillo es el proceso de reparación por escisión de base, empleado para reparar el daño causado, por ejemplo, por la desaminación de la citosina (C) o los tantas veces mencionados dímeros de timina (T). La pérdida del grupo amino (-NH3) del anillo de la citosina, por reacción con determinados agentes, da lugar a uracilo. La aberración que representa la presencia de uracilo (U) en el ADN es reconocida por proteínas específicas (llamadas glucosilasas). Por su parte, unas proteínas denominadas fotoliasas son capaces de identificar los dímeros de timina en el ADN. En ambos casos, las enzimas reparadoras son capaces de lanzar fuera de la hélice la base modificada y posteriormente reemplazar el nucleótido por apareamiento con la hebra molde original.

Existen otros sistemas de reparación que eliminan parte de la hebra mal sintetizada, para volver a utilizar la hebra original como molde (reparación por sustitución de nucleótido o secuencia). La localización del lugar del error también es dirigido por un mal apareamiento de una o más bases en el interior de la hélice de ADN. En el caso anterior, identificar cuál es el nucleótido incorrecto resulta fácil, pues presenta una estructura no típica de un nucleótido del ADN. Sin embargo, ¿cómo sabe la maquinaria celular cuál es la hebra original y cuál la que ha acumulado el error? Ya que en caso de equivocarse, ahora sí, la mutación se perpetuará en el genoma. En la bacteria E. coli, por ejemplo, existen unas proteínas denominadas genéricamente como metilasas del DNA, que unen grupos metilo a la base de adenina (A) que forman la secuencia GATC. De esta forma, después de la replicación, estas enzimas añaden grupos metilos a cada una de estas secuencias presentes en el genoma. Como la replicación del ADN es semiconservativa, justo después de la replicación, la hebra original presentará todos sus elementos GATC metilados en la adenina. Sin embargo, en la hebra recién sintetizada las metilasas no han tenido tiempo de modificar estos elementos. De esta forma, cuando la maquinaria de reparación detecta un error en el ADN de la bacteria, es capaz de identificar la hebra que tiene que ser reparada: aquella que no presenta metilaciones o que las presenta en menor proporción. Como estudiaremos más adelante, este sistema de metilación del ADN también permite a las bacterias generar sistemas de defensa frente a las infecciones por virus. Una vez identificada la hebra mutante, una endonucleasa elimina toda la secuencia de nucleótidos de esa hebra, desde el GATC no metilado más próximo en dirección 5’ hasta el último nucleótido mal apareado en posición 3‘. Posteriormente, la ADN polimerasa III puede volver a sintetizar la hebra.

La rotura de la doble hélice supone el daño más crítico al que tienen que enfrentarse los sistemas de reparación. Este daño puede producirse por causas físicas, como radiaciones ionizantes (rayos X o γ), o por fallos en algún proceso de manipulación celular del ADN. Cuando la rotura de la doble hélice ha ocasionado extremos cohesivos homólogos, es decir, que pueden aparear entre sí, solo se necesita una ligasa para unir los fragmentos. Sin embargo, en el caso de que los extremos no presenten homología, la bacteria necesita de la acción de una proteína llamada Ku, capaz de eliminar la protuberancia de los extremos y ligar los dos fragmentos romos generados.

Sistemas de reparación del ADN. De arriba hacia abajo: reparación por escisión de base; reparación por eliminación de secuencia; unión de fragmentos con extremos homólogos y no homólogos.

En general, los sistemas de reparación bacterianos están muy conservados en nuestras células, aunque, evidentemente, el paso de la evolución los ha ido perfeccionando y dotando de un mayor número de herramientas (proteínas). En el genoma humano hay más de 130 genes relacionados directamente con los sistemas de reparación del ADN, y la afectación de casi cualquiera de ellos hace que aumente considerablemente la tasa de mutación. Por eso, estos genes se conocen como genes mutadores (Mut), ya que su ausencia induce a una alta tasa de mutación. La presencia de estos alelos defectuosos para los factores de reparación está relacionada con una mayor probabilidad de sufrir mutaciones somáticas y como consecuencia cáncer.

Gracias a todas estas medidas de seguridad, las células humanas consiguen reducir al mínimo sus errores genéticos, hasta el punto que cada doscientos mil años solo cambian dos nucleótidos de cada mil.

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¿ES VERDAD QUE HAY BACTERIAS VIVIENDO DENTRO DE TODAS NUESTRAS CÉLULAS?

Hace más de mil quinientos millones de años, los organismos procarióticos alcanzaron su máximo nivel de complejidad. Estas primitivas formas de vida habían conseguido colonizar gran parte de las masas acuáticas del planeta, desarrollando maquinarias moleculares capaces de aprovechar diferentes fuentes de energía, y realizar acciones tan sorprendentes como desplazarse. Sin embargo, la vida aún tenía mucho que avanzar, y para ello la estrategia consistió en juntar diferentes organismos existentes para dar otros nuevos de mayor tamaño, mayor complejidad y mucha mayor capacidad de adaptación. Así, hoy creemos que las células eucariotas surgen como resultado de la fusión simbiótica de organismos procarióticos (bacterias y arqueas). Aunque existen discrepancias sobre cuál fue el proceso concreto de fusión, sí que se asume que existieron varios pasos sucesivos. Así, un primer paso pudo dar lugar a la aparición de células con núcleo. Sobre ellas, otras bacterias entraron para ser las mitocondrias y, finalmente, en la línea evolutiva vegetal se incorporaría una bacteria fotosintética que terminaría transformándose en los cloroplastos de las algas verdes y de las plantas actuales. De esta forma, los genomas de los diferentes organismos adicionados durante la formación de las células eucariotas han tenido que cooperar para conseguir la supervivencia del conjunto. En este apartado vamos a abordar las características genéticas de esas bacterias simbiontes, que habitan en el interior de todas nuestras células llamadas mitocondrias, y veremos la repercusión de la presencia de otro genoma en nuestro organismo.

La evidencia más consistente para afirmar que las mitocondrias fueron organismos procarióticos libres es la presencia en su interior de un material genético propio e independiente del ADN nuclear. Como todo organismo procariótico, el ADN de las mitocondrias es doble y circular, aunque tiene la peculiaridad de poder aparecer en diferente número de copias y presentando diferentes estructuras espaciales. Durante los cientos de millones de años que estas bacterias han vivido en el interior de las células eucariotas, parte de la información genética que contenían se ha perdido o ha sido transferida al genoma nuclear. De esta forma, en la actualidad, el genoma de las mitocondrias tan solo contiene 37 genes, lo que imposibilita totalmente su retorno a forma de vida libre. Estos genes carecen de secuencias intrónicas, por lo que se diferencian claramente de los genes nucleares. La función de los genes que aún se conservan en las mitocondrias está directamente relacionada con la producción de proteínas propias y con la actividad energética de la mitocondria. Otra característica que presentan las mitocondrias y que da idea de su origen simbionte es la presencia de una maquinaria de traducción (síntesis de proteínas) diferente al del resto de la célula y muy similar al de las bacterias, contando con ribosomas más pequeños que utilizan ARNr y ARNt propios. Es tal el parecido de esta maquinaria entre la mitocondria y las bacterias, que los antibióticos que tomamos para combatir las infecciones bacterianas también les pueden afectar. De ahí la toxicidad de estos compuestos si se toman en dosis excesivas.

Por otro lado, parece lógico pensar que la aportación más significativa de la mitocondria primitiva a la célula fue su capacidad de producir grandes cantidades de energía a partir de compuestos ricos en electrones (proceso denominado fosforilación oxidativa y que estudiaremos más adelante). Entre los genes que aún se conservan en el genoma mitocondrial, trece de ellos están, directa o indirectamente) implicados en el funcionamiento de la cadena transportadora de electrones y la síntesis de ATP.

Las mitocondrias se dividen normalmente de forma asincrónica con respecto a la división celular. Por tanto, la replicación del material genético mitocondrial ocurre de forma independiente a la replicación del genoma nuclear. El proceso de replicación del ADN mitocondrial, por las complejas estructuras que suele presentar, es considerablemente diferente del nuclear. Aunque no hablaremos de esto en detalle, sí decir que es llevado a cabo por proteínas codificadas no en el genoma de la mitocondria, sino en el nuclear. Esta maquinaria de replicación, por desgracia, también comete errores durante el proceso y, por tanto, también se pueden producir alteraciones en la información mitocondrial. Las enfermedades mitocondriales, normalmente de origen genético, se caracterizan en que los pacientes presentan un fallo en el funcionamiento de la mitocondria. Cuando el gen afectado por la mutación está localizado en el núcleo, este seguirá un patrón de segregación a la descendencia similar al de otros genes nucleares. Sin embargo, si la mutación recae sobre un gen codificado en el ADN mitocondrial, las leyes que rigen su transmisión a la descendencia son completamente diferentes. Cuando se produce la fecundación, el espermatozoide tan solo introduce la cabeza dentro del óvulo, dejando la mayor parte de sus mitocondrias en el exterior. El óvulo presenta unas doscientas mitocondrias y las pocas del espermatozoide que puedan entrar son destruidas. Por tanto, en todos los mamíferos, el ADN mitocondrial es heredado exclusivamente de la madre y por eso se habla de herencia materna o mitocondrial.

ADN mitocondrial. Se representan los diferentes genes codificados en el genoma de las mitocondrias humanas.

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¿LOS GENES PUEDEN MOVERSE?

Cuando hablamos del genoma de un organismo, tendemos a pensar en la molécula de ADN como una estructura inerte y estática. Sin embargo, más allá de su capacidad de replicarse o empaquetarse con ayuda de otras moléculas, existen secuencias de ADN que tienen la capacidad, en el contexto celular, de viajar de una región a otra del genoma, o de saltar a otro genoma. Estas secuencias de ADN con capacidad de cambiar de posición se denominan transposones o elementos genéticos transponibles, y aunque sus funciones biológicas normales siguen sin estar claras, su descubrimiento nos ha permitido aprender mucho sobre la naturaleza del material genético y su evolución.

En el material genético de los procariotas suelen presentarse unas secuencias relativamente pequeñas capaces de saltar de una posición a otra del material genético, y que reciben el nombre de elementos de inserción (IS). Este salto parece ser aleatorio, de tal forma que estos elementos se pueden introducir en mitad de una región codificante, alteran la fase de lectura y producen la pérdida de la actividad allí codificada. Estas secuencias aparecen frecuentemente asociadas en pares, llamándose entonces secuencias de repetición invertida (IR), e incluyen entre ellas uno o más genes, lo que propicia que estos salten junto con los elementos IR. El conjunto de secuencias formado por los elementos IR y las secuencias que se encuentren entre ellos recibe el nombre de transposón. No se conocen totalmente los mecanismos moleculares que permiten la transferencia de estas secuencias de un lugar a otro de los genomas bacterianos. Sin embargo, a grandes rasgos, sabemos que estos saltos pueden ocurrir de dos formas: bien a través de un proceso de recombinación durante la replicación del material genético (transposición replicativa), bien por un proceso de corte y reinserción (transposición conservativa).

Elementos P de Drosophila melanogaster. Representación de un proceso de transposición de un elemento P que tiene como consecuencia una mutación. Obsérvese el papel de las secuencias repetidas en la recombinación mediada por la transposasa.

Los elementos genéticos transponibles no son exclusivos de las bacterias. En eucariotas también se han descubierto diferentes secuencias capaces de cambiar de posición dentro del propio genoma. Uno de los mejor estudiados está presente en el genoma de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) y se conoce como elemento P. En los extremos del elemento, de forma similar a los transposones bacterianos, aparecen repeticiones perfectas invertidas tipo IR. En el centro del elemento P puede haber hasta tres genes. Uno de ellos codifica para la enzima llamada transposasa, responsable de catalizar la escisión y ensamblaje del elemento. Otra de las proteínas codificadas es un inhibidor de la transposasa, que mientras está acumulado en el núcleo de la célula impide que se produzca el salto del elemento. Los elementos P aparecen entre treinta o cincuenta veces repetidos en el genoma de las cepas silvestres, producen suficiente cantidad de inhibidor como para impedir que se produzca el salto, y por tanto, los elementos P estables se mantienen en su posición. Tras un número indeterminado de cruces en cautividad, y por razones no bien establecidas, los elementos P desaparecen completamente del genoma de la mosca. De esta forma, si cruzamos una hembra de laboratorio (cuyo ovocito no contiene inhibidor) con un macho silvestre, se producirá un salto de los elementos P a cualquier región, tanto de su propio cromosoma como a los otros cromosomas, suyos o de la hembra. Al ser aleatorio el lugar de inserción del elemento, en ocasiones se altera la secuencia de algún gen. Esto explica la aparición de moscas con ojos blancos cuando se cruzan cepas que no los tienen, fenómeno que dejó perplejos a los genetistas hasta que descubrieron estos elementos de transposición.

Finalmente, cabe mencionar un tipo de transposones muy peculiares, pues para saltar a otra región necesitan un intermediario de ARN. Son los denominados retrotransposones, cuyo ejemplo más conocido es posiblemente el representado por los retrovirus. El material genético de estos virus, que se compone de una hebra de ARN, tras ser copiado en forma de ADN de doble hélice, por la acción de la proteína vírica retrotranscriptasa es integrado en el genoma de la célula hospedadora. Una vez integrado, el ADN del virus recuerda en muchos aspectos a los transposones que hemos estudiado hasta ahora. En los extremos del retrotransposón existen unas secuencias repetidas denominadas repeticiones terminales largas (conocidas por sus siglas en inglés: LTRs) que son las responsables de permitir la integración. En estos casos, la integración del virus al genoma, que también ocurre de forma más o menos aleatoria, puede producir alteraciones de la información contenida en dicho genoma. Esto explica por qué ciertas infecciones víricas están asociadas a algunos tipos de cáncer.

Más allá de los cambios que se pueden producir en el contenido informacional de los genomas, como consecuencia de la intromisión de secuencias transponibles, en ocasiones, durante el proceso de transposición se cometen errores que conllevan que el transposón se lleve consigo parte de las secuencias que lo flaquean. Cuando esto ocurre el transposón puede transportar esas secuencias a otras regiones del genoma y, como discutiremos más adelante, facilita la expansión de la información dentro de los genomas. De hecho, hoy creemos que estos sistemas de transposición han sido muy importantes para la construcción de los genomas de los eucariotas superiores. Incluido el ser humano, donde hemos localizado multitud de elementos transponibles, aunque la mayoría de ellos con tantas mutaciones acumuladas que han perdido la capacidad de saltar.

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¿POR QUÉ LOS HIJOS NO SON IGUALES A LOS PADRES?

Que la vida haya conseguido adaptarse a todos los cambios que ha sufrido su entorno desde su aparición es, en gran parte, gracias a la flexibilidad de los genomas de ADN. Las variaciones producidas por los diferentes tipos de mutaciones sin duda han sido esenciales para la aparición de la gran variedad de especies que habitan el planeta. Es tal la importancia de poder alterar el genoma para adaptarse, que muchas especies han aprendido a hacerlo de forma más o menos controlada. Diferentes mecanismos moleculares permiten que el genoma de una célula pueda ser reeditado mediante el intercambio de fragmentos con otros genomas de la misma población. Esto les permite adquirir nuevas propiedades y aumentar la posibilidad de perpetuarse. Este proceso se conoce como recombinación genética, y puede ocurrir de dos formas fundamentalmente: la denominada recombinación homóloga y la recombinación específica de sitio (de la que hablaremos más adelante).

La recombinación homóloga, como su nombre indica, se produce entre dos moléculas de ADN que presentan largas regiones con secuencias muy parecidas (homólogas). Mediante la formación de una estructura de entrecruzamiento de las hebras, una de las cadenas de ADN de una hélice puede interaccionar con una hebra de la otra doble hélice. De esta forma, se produce una nueva molécula de ADN bicatenario formada por una hebra de cada hélice original. Aunque este proceso puede darse de forma espontánea en un tubo de ensayo, en condiciones extremas, las células han desarrollado unas proteínas capaces de dirigir este reparto. Estas proteínas, llamadas recombinasas (Rec), están muy conservadas en la evolución, desde las bacterias hasta los humanos.

El proceso de recombinación homóloga representa un importante modo de variabilidad en los organismos con reproducción sexual. Incluido, claro está, el ser humano. Durante la formación de los gametos en las gónadas, en la división meiótica de las células germinales, se produce un sorprendente proceso de recombinación homóloga, que va a permitir mezclar entre sí las copias de los cromosomas del individuo. La similitud de los cromosomas materno y paterno hace posible que la maquinaria de recombinasas celulares pueda intercambiar aleatoriamente fragmentos entre ellos. De esta forma, tras el proceso de recombinación (denominado específicamente recombinación meiótica), se obtienen dos cromosomas híbridos. Cada uno de ellos contiene fragmentos más o menos grandes del otro. No en toda división meiótica ocurre el mismo número de recombinaciones, y aunque hay lugares del genoma, denominados calientes, donde se producen con más frecuencia, la recombinación puede darse en cualquier parte de los cromosomas. Por tanto, teniendo en cuenta lo anterior, es fácil entender que cada uno de los gametos que presenta un individuo es diferente a los demás, ya que cada uno ha sufrido un proceso de recombinación diferente durante su formación. Aunque es verdad que normalmente el gameto porta más información genética de uno de sus progenitores, esto no quiere decir que contenga exactamente los mismos genes que este. En ocasiones, la recombinación puede afectar solo a una parte de un gen, lo que producirá un nuevo gen híbrido en el cromosoma final. Esta es una de las formas en las que surgen los alelos de un gen, es decir, las diferentes variaciones que puede presentar la secuencia de un gen.

La recombinación meiótica. Determinadas secuencias al azar son intercambiadas entre los dos cromosomas homólogos (A y A’) por un cruzamiento de hebras. La estructura del entrecruzamiento ha sido simplificada, mostrando el entrecruzamiento de solo una de las hebras de cada cromosoma.

Además, durante la recombinación, en ocasiones se pueden producir fenómenos de conversión génica. Esto consiste en un fallo del proceso de recombinación convencional en el que uno de los cromosomas duplica la secuencia que ha sido incorporada, quedando tras el proceso un cromosoma con tres copias de la secuencia y el otro con solo una. Entre las secuencias que pueden ser duplicadas están las empleadas en la identificación forense o en las pruebas de paternidad. Por eso, para que este tipo de pruebas sean fiables, es importante analizar más de un marcador genético, ya que gracias a la recombinación los hijos no tienen por qué parecerse a los padres, ni siquiera en la secuencia de su ADN.

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¿CÓMO ES POSIBLE QUE NUESTRO ORGANISMO PUEDA PRODUCIR TANTOS ANTICUERPOS DISTINTOS COMO ESTRELLAS HAY EN LA GALAXIA?

La capacidad de modificar el contenido informacional de los genomas por mecanismos como la recombinación homóloga, ha permitido crear una gran variedad de genes y familias génicas, así como las variantes (alelos) de esos genes. Sin embargo, los seres vivos han desarrollado un método alternativo de recombinación, llamada específica de sitio, que va a otorgarles nuevas capacidades aún más sorprendentes. El ejemplo más simple de recombinación específica de sitio, y posiblemente más antiguo, es el realizado por los bacteriófagos. Estos virus portan un ADN doble y lineal que es inoculado al interior de la bacteria huésped. En los extremos del genoma del virus existen unas secuencias que, dependiendo del fago en cuestión, tienen una longitud u otra (alrededor de cincuenta pares de bases). Una secuencia muy parecida se encuentra en el genoma del huésped, y mediante recombinación se produce la inclusión del genoma del virus.

Este sistema de corta y pega, dirigido por pequeñas secuencias repetidas en el genoma, es también utilizado en eucariotas para controlar la expresión de algunos genes. Este es el caso, por ejemplo, del parásito Trypanosoma brucei, agente etiológico de la enfermedad del sueño. Este protozoo parásito, transmitido por la picadura de la mosca tse-tse, vive en la sangre del hospedador mamífero, defendiéndose de su sistema inmunitario mediante unas proteínas localizas en su superficie. Estas proteínas se denominan VSG (del inglés variant surface glycoprotein). En el genoma del parásito existen centenares de genes VSG, que presentan pequeñas variaciones en su secuencia, y siempre localizados en tándem en la región telomérica (final) del cromosoma. Solo el último gen del tándem de VSG es expresado, pues el único promotor que permite la transcripción está localizado justo delante de él. De forma aparentemente aleatoria, una de las copias del tándem puede sustituir al último gen, pasando ahora a ser expresado. El intercambio de la copia se realiza mediante una recombinación específica de sitio similar a la comentada anteriormente. De esta forma, el parásito consigue burlar al sistema inmunitario, pues cuando consigue montar una respuesta efectiva contra cierta VSG, ya han aparecido parásitos expresando una VSG diferente, y por tanto, podrán expandirse libremente por la sangre. Esta es la causa de que la enfermedad curse con episodios de fiebre recurrentes, que coinciden con la expansión del parásito en la sangre.

Pero, sin duda, el caso más sorprendente de cómo las células han aprendido a sacar el máximo partido al proceso de recombinación específica de sitio es el fenómeno que permite generar el repertorio de anticuerpos en mamíferos. Los anticuerpos son proteínas tetraméricas formadas por dos cadenas pesadas (60 KDa) y dos cadenas ligeras (30 KDa). Son producidas por los linfocitos B, y su función fundamental es la de unirse a estructuras extrañas que entren en contacto con el organismo. La región de reconocimiento y unión del anticuerpo se denomina parátopo, y está formado por parte de una cadena pesada y parte de una cadena ligera. Sin embargo, si cada una de las dos proteínas (ligeras y pesadas) está, como toda proteína, codificada en el genoma de la célula B, ¿cómo podemos tener espacio suficiente en el genoma como para codificar el ingente repertorio de anticuerpos diferentes del que disponemos? Esta pregunta, que mantuvo a la comunidad científica en vilo durante décadas, fue contestada gracias al descubrimiento de los mecanismos de recombinación que ocurren durante el proceso de diferenciación del linfocito B. En el genoma de la línea germinal de estas células se encuentran varias agrupaciones génicas, específicas para la cadena ligera (cromosomas 2 y 22) y pesada (cromosoma 14). Las agrupaciones de las cadenas ligeras presentan tres tipos de segmentos génicos diferentes, denominados V, J y C. En el cromosoma 2, existen alrededor de treinta copias distintas del segmento V y cuatro de los otros dos. En el cromosoma 22, existen otras cuarenta copias extras del segmento génico V, cinco de J y una más de C. Por su parte, la agrupación de la cadena pesada presenta más de sesenta copias del elemento V, veintisiete copias de un elemento que no aparece en las cadenas ligeras llamado D, seis elementos J y varios elementos C. Estos últimos son responsables de establecer la clase de inmuniglobulina (IgG, IgE, IgA, etc.). En el proceso de diferenciación se produce la selección de una copia de cada uno de los segmentos génicos (VJC en ligera y VDJC en pesada), quedando agrupados delante de un promotor que va a permitir que sea expresado. Flanqueando los diferentes segmentos, antes de ser asociados, existen dos secuencias invertidas que forman la denominada secuencia señal de recombinación. Estas secuencias son capaces de conducir la recombinación de los diferentes segmentos génicos que conforman el gen maduro, y eliminar del genoma el resto de secuencias no seleccionadas (no todas nuestras células tienen la misma información). Para ello se necesita la implicación de las recombinasas RAG1 y 2.

Variabilidad del repertorio de anticuerpos. Organización genómica de los segmentos génicos de las cadenas ligeras (cromosomas 2 y 22) y pesadas (cromosoma 14) de inmunoglobulinas en humanos. El tamaño de los genes no está a escala.

Mediante este proceso de construcción de genes en directo, se puede calcular que el total de combinaciones posibles entre los diferentes segmentos génicos de las dos cadenas ronda los tres millones y medio. Aunque parece suficiente, la lucha a muerte entre patógenos y sistema inmunológico ha obligado a aumentar esta variabilidad en las secuencias de inmunoglobulinas hasta el orden de los cien mil millones; el número de estrellas que hay en nuestra galaxia. Esto se consigue gracias a que en el proceso de recombinación de las regiones V, J y D se producen errores, pudiéndose incorporar un número variable de nucleótidos extra en el lugar de la recombinación. Este proceso, que evidentemente puede conllevar cambios en la fase de lectura de la proteína, dispara el número de las posibles secuencias que se encuentren finalmente en los parátopos de los anticuerpos.

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¿POR QUÉ EL PELO PUEDE TENER DIFERENTES COLORES?

A pesar de que todos los individuos de una misma especie comparten un mismo genoma, es evidente que existen diferencias entre ellos. Esta paradoja entre la existencia de un genoma común y la presencia de variaciones entre individuos hace tiempo fue resuelta por los genetistas moleculares. Cada uno de los genes que están detrás de determinado carácter puede presentar variaciones en su secuencia, y por tanto, alterar el resultado final que observamos (el fenotipo). Las diferentes secuencias que puede presentar un gen se denominan alelos, y son fruto de los procesos de recombinación y de la acumulación de errores durante las miles de replicaciones germinales que han sufrido los genomas.

En los organismos diploides (que portan dos copias de cada cromosoma), generalmente, ciertos alelos de un gen tienen prevalencia sobre otros. Es decir, el fenotipo final es determinado por ellos, independientemente del alelo presente en el otro cromosoma. En este caso el alelo recibe el nombre de dominante y se representa con la letra mayúscula. Por su parte, aquellos que solo se manifiestan cuando no está presente el dominante, es decir, cuando él está presente en los dos cromosomas (homocigosis), se llama recesivo, y se representa con letra minúscula. Supongamos un alelo que no permite que se produzca una hipotética proteína Q, por ejemplo, por presentar mutado el codón de inicio de la traducción. En este caso, el alelo sería recesivo (q), ya que mientras que una de las dos copias presentes en el genoma puedan producir la proteína (genotipos QQ o Qq), el fenotipo existirá. Solo en el caso de que los dos alelos sean recesivos (qq) no existirá esta proteína en el organismo.

Un carácter hereditario no siempre depende de la función de un único gen, sino que varios genes pueden estar detrás de un único carácter, disparando las posibilidades de variación entre individuos. Este es el caso del color del pelo de los mamíferos, que representa un buen ejemplo de cómo varios genes actúan coordinadamente para obtener un fenotipo final, que posteriormente la selección natural (o la artificial realizada por el hombre) se encargará de perpetuar o no.

Existen cinco genes responsables de establecer la tinción del pelaje de los mamíferos, que vamos a denominar por los nombres que reciben en el ratón: A, B, C, D y S. El gen A es responsable de la forma en la que el color se va a distribuir por el pelo. La mayoría de los pelos de los mamíferos silvestres presentan una banda amarillenta que, sobre el fondo negro del resto del pelo, da al pelaje un tono grisáceo (típico de los ratones, conejos, lobos, etc.). Sin embargo, existen ciertas variantes de este gen, ciertos alelos recesivos (a) que impiden la formación de la banda clara. En estos casos el pelo aparece homogéneamente coloreado. Uno de los caracteres seleccionados en caballos domésticos es precisamente dependiente de la presencia de este alelo recesivo (a), que les da colores intensos al eliminar la banda clara del pelo. El gen B está implicado en el color que adopta el fondo del pelo. La forma silvestre más extendida es el alelo dominante (B) que produce pigmento negro. Su combinación con un alelo A produce el pelaje grisáceo comentado anteriormente y que recibe el nombre de pelo aguti. La forma recesiva de este gen (bb), produce un pigmento de color marrón, lo que puede dar al pelaje un color canela (en combinación con A) o un tono marrón chocolate (con aa). La expresión fenotípica de los genes A y B es dependiente del gen C. Es decir, el gen C es responsable de que pueda producirse o no pigmento y, por tanto, de que el gen B pueda darle color y de que el A pueda distribuirlo. La forma recesiva de este gen en diploidia (cc) produce el denominado albinismo. Sin embargo, si uno de los dos alelos presentes es dominante (Cc o CC), serán los genes A y B los que establecerán el color final del pelo, que en ningún caso será blanco. El gen C está presente en muchos animales e incluso en plantas como el maíz, y su forma recesiva siempre produce la ausencia de pigmentación. El gen D está relacionado con la intensidad del color, existen ciertos alelos recesivos (d) que diluyen el pigmento. Finalmente, el gen S permite que el pelo pigmentado por la acción de los otros genes se distribuya, homogéneamente, por la superficie del animal. Los individuos homocigóticos recesivos para este gen (ss) presentan manchas sin colorear en el pelaje. Así, por ejemplo, la típica vaca lechera (blanca y negra) presentará el siguiente genotipo referente a su pelaje: aa/BB o Bb/CC o Cc/DD o Dd/ss.

Existen algunos casos particulares en los que algunas variantes alélicas pueden ser dominantes, o no, dependiendo de ciertos factores externos, como por ejemplo los alelos del gen C sensibles a temperatura, denominados Himalaya (ch). En caso de presentarse en homocigosis (chch), como ocurre en los gatos siameses, la única proteína C producida es inactiva a temperatura corporal, y por tanto, solo se produce pigmento en las extremidades del animal, donde la menor temperatura sí que permite la actividad de la proteína de forma normal.

El caso más sorprendente desde el punto de vista genético de la pigmentación del pelo de los mamíferos no está relacionado directamente con ningún alelo concreto de ningún gen en especial. Es más, es consecuencia de un mecanismo de control no mediado por genes, y de ahí que se denomine epigenético. Como ya fue comentado, la epigenética permite silenciar grandes regiones del genoma de forma permanente, lo que hace que el ADN adquiera estructuras altamente compactas. En el genoma de las hembras de mamíferos existen dos cromosomas X (XX), a diferencia de los machos, que solo presentan uno (XY). Para no generar un problema de descompensación genética entre ambos sexos, en un momento temprano del desarrollo de las hembras, uno de los dos cromosomas X es silenciado permanentemente (observándose en el núcleo un cuerpo denso llamado corpúsculo de Barr). Como el silenciamiento ocurre al azar, algunas de las células silencian un cromosoma y las otras el otro, y en las divisiones subsiguientes que sufra cada célula se mantendrá ese mismo cromosoma silenciado. El resultado de este proceso es que el cuerpo adulto de las hembras presenta un mosaico en el que ciertas partes expresan un cromosoma X y el resto el otro. Como resulta evidente, este fenotipo de mosaico solo se pone de manifiesto si ambos cromosomas presentan alelos diferentes para los genes que allí se encuentran. Un gen equivalente al gen B de ratones, denominado O en gatos (que da color naranja (OO o Oo) o negro (oo)), está localizado precisamente en el cromosoma X. Cuando un gato presenta tres colores en su pelaje, manchas blancas (ss), manchas naranjas (OO) y manchas negras (oo), necesariamente tiene que ser una hembra, ya que es la única manera de explicar dos fenotipos distintos en un mismo individuo. A estos animales se las conoce en genética como gatas calicó.

El pelo de los mamíferos. Diferentes fenotipos de pelo (superior) y pelaje (inferior). Se indica el genotipo (alelos) responsable del carácter mostrado.

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¿TODOS LOS MUTANTES SON MONSTRUOS?

Se tiende a pensar que las mutaciones representan un inconveniente para el individuo o la población que la porta. Sin embargo, no es la información almacenada en el genoma la que va a determinar su validez para mantener vivo al individuo que la porta, sino las condiciones a las que tenga que enfrentarse ese individuo. De esta forma, determinadas variantes de un gen que hoy pueden ser consideradas mutaciones por representar un inconveniente para su portador, en otras circunstancias pueden salvar la población.

Uno de los ejemplo más representativos de como el entorno establece en último término si un alelo es válido o no nos lo proporcionó la mariposa del abedul (Biston betularia). Estas mariposas reposan y duermen sobre el tronco de los abedules, ya que su color blanquecino les permite camuflarse. Dentro de las poblaciones de este lepidóptero existen determinados alelos que producen una coloración oscura. Estos individuos, al posarse sobre los troncos claros de los abedules, son un reclamo para sus depredadores y, por tanto, les es muy difícil sobrevivir y tener descendencia. Esto explica la baja frecuencia de esos alelos dentro de la población, los cuales pueden ser definidos como mutantes. Sin embargo, durante los años de la revolución industrial, la alta contaminación hizo oscurecer el tronco de los abedules. En esas condiciones, solo las mariposas oscuras (portadoras de la mutación) pasaban desapercibidas durante el descanso. Tras el festín de los depredadores, los nuevos individuos que recompusieron la población de mariposas portaban mayoritariamente el alelo hasta ahora mutante. Por su parte, el alelo silvestre (color claro), apenas aparecía.

Veamos otro ejemplo de una mutación que hoy día es seleccionada en una amplia población de seres humanos del continente africano. La anemia falciforme (AF) es causada por una mutación puntual en el gen que codifica para la subunidad β de la hemoglobina. El cambio de aminoácido producido por esta mutación causa que los complejos de hemoglobina precipiten dentro del glóbulo rojo, causando una deformación de la célula y una pérdida de su capacidad para transportar oxígeno. Para compensar el bajo aporte de oxígeno, el corazón se ve obligado a trabajar más de lo normal, lo que deriva en problemas cardiacos a edades más o menos tempranas (30-50 años). Esta enfermedad hereditaria, pues así es tipificada en los libros de medicina, es la causa de que millones de personas no hayan muerto de malaria. Los parásitos causantes de la malaria, protozoos del género Plamodium, infectan los glóbulos rojos de su hospedador humano aprovechándose del refugio que representan y el oxígeno que transportan. Debido a las características que presentan los eritrocitos de las personas con AF, el parásito es incapaz de sobrevivir en ellos, haciendo a estos individuos inmunes a la enfermedad. Teniendo en cuenta la alta mortalidad infantil causada por la malaria en las regiones endémicas, la aparición de esta mutación es rápidamente seleccionada, ya que para cuando se producen los síntomas de la AF, la persona portadora de la mutación ya ha podido transmitirla a la descendencia.

Alelos mutantes. La imagen muestra mariposas del abedul con diferentes alelos referentes al color.

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¿PODRÍAN EXISTIR HUMANOS CON OJOS EN LAS PALMAS DE LAS MANOS?

A pesar de los finos mecanismos de control que presentan los organismos vivos para intentar preservar la integridad de su información genética, existen demasiados factores que insistentemente promueven su alteración. Un cambio en el genoma en la secuencia de nucleótidos que lo compone se denomina mutación y representa el motor de la evolución. Si durante el desarrollo de una población o individuo se produce una mutación en el genoma de una célula, todas las células descendientes de ella presentarán la misma alteración. Hay que tener en cuenta que en los organismos pluricelulares con reproducción sexual, para que la mutación pase a la descendencia y pueda perpetuarse (generando un organismo mutante), es necesario que sea el gameto el portador de la alteración. Por eso se diferencian dos tipos de mutaciones, aquellas que afectan a las células de la línea germinal (que dan lugar a los gametos) y las mutaciones somáticas, que afectan al resto de las células.

La molécula de ADN puede ser alterada por exposición a determinados agentes mutagénicos. Algunos compuestos son capaces de integrarse dentro de la doble hélice de ADN o modificarla químicamente, de tal forma que impiden la apertura de la doble hélice y permiten que esa región del genoma pueda ser transcrita o replicada. Otra caso, ya comentado con anterioridad, es la formación de dímeros de timina por exposición a la luz ultravioleta. La unión covalente de dos timinas adyacentes impide que puedan ser leídas, produciendo, del mismo modo que las acridinas, una pérdida de información. Ante todas estas agresiones, los organismos vivos han aprendido a enfrentarse hasta cierto punto, por ejemplo al proteger el ADN con una membrana nuclear, utilizando pigmentos o desarrollando los sistemas de reparación que han sido ya comentados.

Por otro lado, durante los procesos de replicación o recombinación (incluida la transposición), es decir, en aquellos procesos en los que la célula realiza manipulaciones con el ADN, pueden producirse errores más o menos graves de la secuencia. Los más simples son consecuencia del cambio de un único nucleótido, reciben el nombre de mutaciones puntuales. En ocasiones, la alteración de un único nucleótido dentro de la secuencia codificante de un gen puede producir la pérdida total de una función. Si la mutación induce a un cambio en un codón, puede producirse un cambio de aminoácido y una posible pérdida de actividad de la proteína codificada en el gen mutado. Recordemos que el código genético es degenerado: si se altera el último nucleótido del triplete codónico, puede no producirse un cambio de aminoácido (mutación silenciosa). Más delicado es que se produzca la pérdida o la ganancia de uno o dos nucleótidos dentro de la secuencia codificante, ya que produce lo que se denomina un cambio en la fase de lectura. En este caso, todos los codones se verán alterados, al producirse una proteína aberrante. La existencia en eucariotas de secuencias intrónicas, intercaladas en la región codificante, es un mecanismo que evita que este tipo de alteraciones afecte a toda la proteína, quedando el error de fase confinado en un único exón.

Mutaciones puntuales. Se representa un hipotético gen cuyo ORF se inicia con determinada secuencia (secuencia original). Dependiendo del error que contenga esta secuencia, así variará la secuencia de aminoácidos de la proteína (indicada debajo de la secuencia). Las flechas indican el nucleótido mutado. Las estrellas señalan cambio de aminoácido.

Los errores puntuales producen un cambio lento y paulatino de la información genética. Sin embargo, para poder explicar la gran diversidad de genomas que existen hoy día, los genetistas moleculares han tenido que descubrir otros mecanismos más contundentes, que actúan alterando la molécula del ADN en amplias regiones. Durante los procesos de recombinación o translocación de secuencias, donde el ADN es cortado y mezclado, pueden producirse alteraciones masivas de los cromosomas, como deleciones, duplicaciones o inversiones de largas secuencias del genoma. Mientras que las deleciones están relacionadas con la pérdida de funciones (por la pérdida de partes del cromosoma), las duplicaciones e inversiones, aunque en ocasiones pueden dar un fenotipo letal, han ayudado significativamente a aumentar el tamaño de los genomas y la información de contienen. Como veremos más adelante, los procesos de duplicación, inversión y mutación puntual han sido esenciales para la aparición de las diferentes familias génicas que existen en los organismos.

El caso más drástico de mutación es la duplicación de un cromosoma entero. En organismos diploides esto conduce a genotipos denominados trisomías. La descompensación genética producida por la aparición de una copia adicional de los genes codificados en el cromosoma duplicado puede desencadenar importantes consecuencias en los organismos portadores. En humanos, uno de los pocos casos de trisomía que permite que el individuo sobreviva durante años es la trisomía del cromosoma 21, cuyos portadores padecen el Síndrome de Down.

Dependiendo del efecto que cause una mutación sobre el organismo que la porta, esta puede ser clasificada en diferentes grupos. Existen mutaciones llamadas bioquímicas, es decir, los genes que codifican para enzimas metabólicas son alterados, e impiden que se puedan generar las moléculas que la célula necesita para vivir. En este caso, el mutante recibe el nombre de auxótrofo, ya que necesita incorporar ese metabolito del exterior. Además, la pérdida de una actividad enzimática también puede ocasionar la acumulación de ciertos compuestos tóxicos dentro de las células, pudiendo poner también en peligro la vida del mutante. La mutación bioquímica es la causa de la mayoría de enfermedades genéticas hereditarias en humanos. En otras ocasiones, la alteración del genoma puede permitir que el organismo sea capaz de resistir la presencia de ciertas moléculas tóxicas (mutaciones de resistencia), haciéndose resistente a ellas. Por ejemplo, por alteración de la estructura de la proteína diana del tóxico, impide que pueda reaccionar con ella o generando nuevas proteínas capaces de destruirlo. Así surgen en bacterias los genes capaces de dar resistencia a los antibióticos.

Una mutación se denomina letal cuando el gen alterado causa la muerte directa del individuo. En organismos pluricelulares, la muerte se produce normalmente durante las primeras etapas de desarrollo del embrión. Frecuentemente se trata de alelos recesivos, es decir, en presencia de otro gen con función parecida, el fenotipo de letalidad permanece oculto, con lo que permite que el individuo tenga una vida normal y, por tanto, que pueda propagar la mutación. Algo similar pasa con las mutaciones denominadas condicionales. En este caso, la anomalía solo se pone de manifiesto bajo determinadas condiciones ambientales, como podría ser la temperatura. Tras una serie de mutaciones del gen H de la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster), apareció el alelo (H+), que en heterocigosis (H+H) produce la muerte de la mosca si la temperatura sobrepasa los 30 ˚C.

En los organismos pluricelulares hay que destacar específicamente dos tipos de mutaciones: las mutaciones neoplásicas u oncogénicas, que, como estudiaremos más adelante, son la causa de la aparición de células tumorales y el cáncer, y las mutaciones morfológicas, que alteran las estructuras y la organización corporal de los individuos, pero sin alterar a priori su capacidad de vivir. Es el caso, por ejemplo, de los gatos Sphynx (o gatos esfinge) que carecen de pelo. Esta mutación, surgida de forma natural, y vista por primera vez en Canadá a mediados de los años sesenta del siglo pasado, es un buen ejemplo de mutación morfológica, ya que en la vida del gato doméstico la ausencia de pelo no impide el desarrollo ni la capacidad de procreación. Mediante manipulación del genoma de Drosophila (organismo modelo para multitud de estudios genéticos) se han creado moscas mutantes para determinados genes implicados en el desarrollo, haciendo que porten ojos en las patas. Y quién sabe, quizá algún día sea un mutante humano el que porte ojos en las palmas de las manos.

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¿CUÁLES SON LAS DEFENSAS INMUNITARIAS DE LAS BACTERIAS?

Los mecanismos que permiten a los seres vivos perpetuarse en el tiempo son variados y no siempre respetuosos con las otras especies. Ya en la vida primitiva, cuando solo las bacterias habitaban el mundo, la lucha por la supervivencia enfrentaba unos genomas con otros. Aquí dio comienzo una lucha a muerte entre parásitos y hospedadores que aún no ha terminado.

En algún momento del pasado, difícil de establecer con precisión, determinadas moléculas de ADN adquirieron la información necesaria para escindirse del genoma de alguna bacteria e iniciar una vida en solitario. Para poder perpetuarse en el tiempo y no ser degradas por las duras condiciones del entorno, la información que contenía ese ADN debía ser capaz de protegerlo y de permitir su replicación. Para protegerse, codificaba información que podía ser transformada en proteínas capaces de formar una cápsida, una cubierta protectora donde el ADN estaría seguro en su interior. Además, contaba con secuencias específicas que permitían su replicación, empleando para ello la maquinaria de la bacteria. Estas partículas son denominadas virus, más concretamente bacteriófagos, y representan posiblemente la primera forma de vida parásita.

Los bacteriófagos, o fagos, pueden afectar fundamentalmente de dos formas a las bacterias que infectan. Por un lado, una vez introducido su genoma en el interior de la bacteria, este puede integrarse en determinadas regiones de su genoma por recombinación, alterando la información que contiene. Pero, además, la replicación masiva del virus en su interior puede terminar con la destrucción de la bacteria por un proceso que se denomina ciclo lítico del fago. Por estas causas, desde un tiempo muy primitivo, las bacterias han desarrollado mecanismos para intentar eliminar cualquier molécula de ADN exógeno que entre en el interior de la célula.

Un método de defensa muy simple y extendido en muchos géneros de bacterias y arqueas consiste en el empleo de enzimas de restricción. Estas proteínas son capaces de reconocer una secuencia específica en el ADN y realizar un corte de ambas hebras causando la rotura de la doble hélice. Estas secuencias que son reconocidas pueden ser de diferentes longitudes, aunque la mayoría de ellas reconocen secuencias palindrómicas de seis pares de bases (pb). Cada especie de bacteria presenta una enzima de restricción concreta que corta una secuencia específica. Teniendo en cuenta el pequeño tamaño de la secuencia reconocida, hay muchas probabilidades de que esta aparezca en cualquier fragmento relativamente grande de ADN, como puede ser el genoma de un bacteriófago (el genoma del fago más estudiado, el fago λ, es de unos 48 000 pb). Para impedir que estas proteínas puedan digerir el ADN propio de la bacteria, esta cuenta con otras proteínas que metilan cierto nucleótido de la secuencia que es identificada. De esta forma, tras la replicación del ADN de la bacteria, estas metilasas adicionan grupos metilo (-CH3) a las mismas secuencias reconocidas por la enzima de restricción, impidiendo que realice el corte. Por su parte, el ADN del fago no presenta metilaciones por haber sido encapsulado antes de ser metilado o por presentarlas de otra especie bacteriana y, por tanto, afectando a otras secuencias. De esta forma, los fagos pueden ser destruidos antes incluso de que puedan ser incluidos en el genoma.

Otro método para destruir el ADN exógeno, mucho más sofisticado, es el conocido como CRISPR (siglas en inglés de clustered regularly interspaced short palindromic repeats, lo que puede traducirse como ʿrepeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadasʾ). Mediante este sistema, la bacteria es capaz de identificar secuencias de ADN similares a las mostradas por fagos que previamente intentaron infectarla, lo que a todos los efectos supone una forma de memoria inmunológica. Las repeticiones palindrómicas del metodo CRISPR están asociadas a las secuencias denominadas Cas (del inglés CRISPR associated sequences) que se transcriben dando lugar a proteínas que cumplen distintas funciones dentro del sistema. Se han descrito tres tipos distintos de sistema CRISPR en función de las diversas proteínas Cas que emplean, aunque el funcionamiento general de todos ellos es el mismo.

Al introducirse el ADN del fago en la célula procariota portadora de un sistema CRISPR funcional pueden darse dos situaciones:

Si la bacteria no presenta inmunidad ante dicho fago, puede sucumbir ante su infección o desarrollar inmunidad ante este gracias a las proteínas Cas1 y Cas2, comunes a todos los sistemas. Estas proteínas capturan una secuencia del ADN exógeno (con un tamaño de veinte pares de bases) y la introducen en un locus CRISPR como secuencia espaciadora. Así se han ido formando las diferentes secuencias que se encuentran entre las repeticiones palindrómicas (denominadas secuencias espaciadoras).

Si la bacteria presenta inmunidad ante dicho ADN, la transcripción del total de los genes CRISPR produce un precursor de ARN que da lugar a fragmentos más pequeños, denominados crARN (CRISPR ARN) compuestos por una secuencia espaciadora y una repetición palindrómica, que se unen a proteínas Cas (distintas en cada uno de los tres subtipos) con actividad nucleasa, guiándolas a la zona complementaria del ADN exógeno. Estas proteínas cortan ese ADN, evitando que se una al ADN bacteriano o eliminándolo del genoma si ya ha sido integrado.

Sistema CRISPR. Elementos génicos del sistema CRISPR. La secuencia presente en crRNA hidrida con el ADN exógeno, lo que induce a su rotura por Cas9.

Como estudiaremos más adelante, desde el punto de vista biotecnológico, la versión simplificada del sistema CRISPR, denominada comúnmente CRISPR-Cas9, ha sido el punto de partida de nuevas técnicas de edición genética in vivo (empleando dos complejos Cas9-sgRNA y un DNA de reparación). Estas técnicas están revolucionando el modo en el que hoy día pueden obtenerse transgénicos, haciéndolo de forma mucho más rápida y eficiente.

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¿CÓMO HABLAN LAS BACTERIAS?

Una de las características que presentan las bacterias, y que las diferencia del resto de organismos no procariotas, es la posibilidad de mantener en su interior fragmentos de ADN que no forman físicamente parte de su genoma. Posiblemente por la ausencia de la estructura nuclear, las bacterias son capaces de acumular, replicar e incluso transmitir a otras bacterias moléculas de ADN que se encuentran en su interior. La única limitación que manifiestan para hacerlo es que el ADN en cuestión tiene que estar en forma de doble hélice (bicatenario), preferiblemente circular, y que no exceda cierto tamaño. A estos fragmentos de ADN pequeños, dobles y normalmente circulares los llamamos plásmidos. Los plásmidos tienen la misma funcionalidad que el genoma de la bacteria en el sentido de que contienen información para codificar ciertas proteínas, así como las secuencias que permiten la expresión de esos genes (transcripción y traducción) y el mantenimiento del propio plásmido, es decir, su replicación. En efecto, los plásmidos contienen una secuencia de nucleótidos, denominada origen de replicación (Ori), que permite que la maquinaria celular pueda iniciar su proceso de replicación de forma independiente al ciclo de replicación del cromosoma bacteriano. De esta forma, cuando la célula se divide, los plásmidos que se hayan acumulado en el interior de la bacteria serán repartidos aleatoriamente a las células hijas.

La información codificada en los plásmidos no suele ser esencial para la bacteria, sino que aportan ciertas ventajas a su existencia. Facilitando, de esta forma, que la bacteria pueda perpetuarse y dividirse, y por tanto, conservar su genoma. El ejemplo más claro de cómo la información contenida en los plásmidos puede ayudar a las bacterias, es el caso de la resistencia a los antibióticos. La presencia de antibióticos en el medio no es algo constante en la vida de las bacterias, y por eso son capaces de sobrevivir. Sin embargo, en determinadas ocasiones, por la presencia de un hongo o un médico cercano, las bacterias se ven sometidas al ataque de estas moléculas, que ponen en serio peligro su existencia. Como defensa, la evolución ha desarrollado plásmidos que contienen la información necesaria para permitir a estos organismos sintetizar proteínas capaces de neutralizar el efecto de los antibióticos; como proteínas que catalizan un cambio en la estructura química del compuesto agresor, evitando así que este pueda realizar su acción.

Cuando una bacteria muere, su cromosoma queda extendido y expuesto al exterior, lo que facilita su rápida degradación. Esta degradación ocurre por fragmentación, por lo que aparecen trozos relativamente pequeños de ADN que pueden ser incorporados por otras bacterias cercanas. El proceso por el que una bacteria puede atrapar información de otra a través de fragmentos desnudos en el medio recibe el nombre de transformación. Esto podría explicar el origen de los plásmidos, que procederían de fragmentos de ADN incorporados desde el medio por las bacterias en determinados momentos de su evolución. Sin embargo, no debemos pensar en los plásmidos como partes externas del genoma de las bacterias. De hecho, en ocasiones, los plásmidos parecen comportarse como seres vivos totalmente independientes del hospedador que los porta. Es tal la autonomía que pueden llegar a presentar estas moléculas que algunas son capaces de transmitirse de bacteria en bacteria sin esperar la muerte de estas. Este es el caso de los plásmidos que contienen una región denominada tra, que contiene genes que codifican para diferentes proteínas que hacen posible el proceso de conjugación bacteriana. La conjugación consiste en la formación, por parte de la bacteria que porta el plásmido tra, de una estructura proteica en forma de tubo que se extiende desde la membrana bacteriana hasta un receptor localizado en la superficie de alguna bacteria próxima. Esta estructura recibe el nombre de pelo sexual (o pilus, pili en plural). Cuando el pelo toca su receptor se retrotrae, y de esta forma produce el acercamiento de las dos bacterias. Una vez unidas, el material genético que porta la secuencia tra y que en ese momento es replicado dentro de la célula podrá pasar a la bacteria receptora. Uno de los plásmidos más estudiados, de los más de 300 que de forma natural se han encontrado en la bacteria Escherichia coli y que porta esta secuencia tra es el plásmido F. Además de presentar las secuencias necesarias para su replicación y transferencia, el plásmido F porta varias secuencias que permiten su integración en el cromosoma bacteriano. Como consecuencia de su integración, la bacteria adquiere la capacidad de conjugar su propio genoma a otra bacteria y de esta forma expandir en cierta población de bacterias la capacidad de conjugación, y por tanto, de distribución de la información genética que contienen.

Junto con la transformación y la conjugación, existe una tercera vía por la que las bacterias pueden transmitirse información genética unas a otras: la transducción. Para ello, las bacterias necesitan la participación de otro ser vivo: un virus bacteriófago. Los también llamados fagos son virus cuyo material genético está constituido por una pequeña molécula lineal de ADN bicatenario (doble hélice). El material genético del fago es transportado hasta la célula huésped en forma de partícula viral, capaz de, literalmente, inyectar el material genético en el interior de una bacteria. Una vez dentro, secuencias específicas localizadas en los extremos del genoma del fago permiten su recombinación con determinadas secuencias complementarias del genoma de la bacteria, y las inducen a su integración en el genoma de forma similar a como lo realiza el plásmido F. Cada vez que la bacteria se divide, el genoma del fago es replicado y donado a cada una de las células hijas. En determinado momento, por acción de algún estímulo externo, por ejemplo la irradiación con luz ultravioleta, el genoma del virus salta del cromosoma y se inicia una fase lítica (mediada por proteínas del fago sintetizadas por la bacteria). Como resultado de esta fase lítica, el cromosoma bacteriano es destruido en fragmentos más o menos pequeños, al tiempo que las copias del genoma del fago, replicadas por la maquinaria de la célula, son encapsuladas en el interior de las partículas víricas que la bacteria produce a partir del genoma viral. En ocasiones, una partícula viral puede incluir fragmentos del ADN bacteriano, en es caso no es posible transportar su propio genoma. A estos fagos se les conoce como defectivos, ya que no pueden completar su ciclo de vida, aunque sí que pueden cambiar la vida de la próxima bacteria a la que infecten. La introducción dentro de una bacteria de parte del material genético de otra puede concederla nuevas funciones (proteínas) y de esa forma aumentar su posibilidad de adaptación a las condiciones que pueda presentar el medio.

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¿CÓMO APARECEN LOS ORGANISMOS PATÓGENOS?

Patógeno es un término médico que hace referencia a los microorganismos que son capaces de producir enfermedad (patología) cuando se desarrollan en el interior de un individuo. Todos los organismos patógenos proceden de organismos que no lo eran. Sus antepasados presentaban formas de vida libre o comensal que, tras la adquisición de determinados genes, adquirieron la capacidad de invadir y sobrevivir dentro del hospedador. En este apartado vamos a estudiar cómo se produce la adquisición de esos genes y por qué son capaces de producir un cambio en la forma de vida del organismo que lo porta. Para ello, utilizaremos el ejemplo de la Salmonella, bacteria causante de la salmonelosis.

Diferentes estudios filogenéticos han demostrado que las bacterias de las dos especies que existen de Salmonella (S. entérica y S. bongori) surgen a partir de nuestra bacteria intestinal más abundante; Escherichia coli. Hace aproximadamente cien millones de años, coincidiendo con la aparición y expansión de los mamíferos, esta beneficiosa bacteria Gram-negativa, cuyos antepasados ya vivían en el intestino de reptiles y anfibios, se convirtió en un peligroso patógeno. ¿Qué trauma sufrió aquella E. coli que la hizo cambiar tan drásticamente su forma de vida?

La primera prueba que tiene que superar un patógeno para poder invadir a su víctima es unirse a ella. El mecanismo por el que un patógeno se une a su célula huésped se denomina adhesión. Este proceso está mediado por una o varias proteínas localizadas en la superficie del patógeno, que reconocen y se unen específicamente a uno o varios receptores localizados en la membrana de la célula diana. La especificidad de unión entre la proteína de adhesión y el receptor celular suele ser muy alta, de tal forma que establece cuál va a ser la célula o el tejido infectado. El tropismo de un patógeno, precisamente, hace referencia a la preferencia que este presenta por determinado organismo, tejido o célula. En el caso de la Salmonella, al igual que E. coli, la adhesión se produce específicamente a las células de la mucosa intestinal de mamíferos. La unión a los receptores de las células intestinales (colágeno tipo V, receptores de manosa y receptores de fibronectina fundamentalmente) se produce a través del flagelo de la bacteria o de unas estructuras llamadas fimbrias. Las fimbrias son en realidad pelos sexuales alterados que ya no tienen por qué ser capaces de realizar la conjugación, pero que actúan como brazos que pueden identificar su receptor específico y aproximar a la bacteria a la membrana de la célula.

La unión de una bacteria a la superficie de las célula intestinales, per se, no supone ningún problema para el mamífero, ya que de hecho, la propia E. coli permanece unida por mecanismos muy similares. Hoy creemos que en algún momento del pasado una bacteria E. coli anclada al intestino de algún mamífero adquirió un grupo de genes que la permitieron entrar dentro de la célula entérica (intestinal). Estos genes se encuentran todos juntos en el genoma de la bacteria, formando lo que se denomina una isla de patogenicidad. En Salmonella existen cinco islas de patogenicidad diferentes (nombradas como SPI-1, SPI-2, SPI-3, SPI-4 y SPI-5), además de otras más pequeñas, llamadas islotes, que varían más de unas bacterias a otras dentro de las especies. Estos fragmentos presentan en los extremos secuencias similares a las que aparecen en los virus o los transposones, además de presentar un porcentaje de citosina y guanina (%C+G) muy diferente al del resto del cromosoma. El %C+G de una secuencia, como veremos más adelante, está relacionado con el momento en que se originó la secuencia. De tal forma que, sin duda, estas islas de patogenicidad fueron adquiridas por lo que se denomina transferencia horizontal de genes. Es decir, cada uno de esos grupos de genes fue incorporado al genoma de Salmonella procedente de otro organismo más antiguo que ya los poseía.

La primera de las islas de patogenicidad que fue incorporada a E. coli, y que le dio capacidad de infectar, fue la SPI-1. Este fragmento de ADN contiene un total de 31 genes que confieren a la bacteria la capacidad de entrar a las células de la mucosa intestinal mediante un mecanismo que se conoce como «disparo». Parte de las proteínas codificadas en SPI-1 (unas veinte), se asocian para formar un complejo denominado sistema de secreción bacteriano tipo III (SSTIII) que se localiza en la membrana de la bacteria. Actúa como una jeringuilla capaz de inyectar diversas proteínas bacterianas en la célula epitelial. La entrada de estas proteínas (muchas de ellas codificadas en la misma isla) produce una cascada de reacciones en el interior de la célula que producen una reestructuración del citoesqueleto de actina y como consecuencia la formación de protuberancias en su superficie de la célula que llevan a la fagocitosis de la bacteria y su entrada al interior.

Existe una gran similitud entre la isla SPI-1 encontrada en el genoma de Salmonella y un plásmido presente en la bacteria Shigella (agente causante de la diarrea bacteriana conocida como disentería). Teniendo en cuenta que Shigella ya existía antes de aparecer Salmonella, todo apunta a que se produjo una transferencia de ese plásmido a una E. coli (posiblemente por conjugación), integrándose en el genoma y permitiendo la entrada de la bacteria a la célula. Hoy creemos que el sistema de disparo fue en parte inventado por algún bacteriófago primitivo (presumiblemente que habitaba en la flora intestinal de algún caracol marino). Estos virus presentan un sistema para inyectar su genoma dentro de las bacterias muy similar al que utiliza SSTIII. La transferencia de estos genes a una bacteria antecesora de Shigella pudo producirse por transducción. Esa información se conservó en forma de plásmido, al cual se añadieron otros elementos genéticos, entre ellos un elemento tra, capaz de permitir la transferencia del plásmido a otra bacteria por conjugación, por ejemplo a la E. coli predecesora de Salmonella.

Los orígenes de Salmonella. Proceso de formación de la isla de patogenicidad SPI-1 en Salmonella.

Una vez dentro de la célula epitelial del huésped, para poder sobrevivir, la bacteria necesitó incorporar un segundo grupo de genes, concretamente los 32 codificados en SPI-2. Entre ellos se encuentra un grupo de genes capaces de formar también un sistema de inyección SSTIII. En este caso, el sistema de secreción permite liberar ciertas proteínas fuera de la vacuola en la que la bacteria se encuentra englobada tras la fagocitosis. De esta forma, las proteínas bacterianas pueden actuar sobre determinadas dianas citoplasmáticas de la célula de la mucosa. La intromisión de estas proteínas en la vida cotidiana de las células de la pared intestinal produce un deterioro de la mucosa, lo que permite una mayor entrada de bacterias y, entre otras cosas, una desregulación de los canales iónicos de las membranas, lo que induce a una pérdida masiva de agua hacia el intestino (diarrea). De esta forma, las bacterias entéricas (como Salmonella) consiguen salir del hospedador para poder infectar nuevos mamíferos.

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¿ES VERDAD QUE TENEMOS MENOS GENES QUE LA PLANTA DEL ARROZ?

El mayor legado que ha recibido la especie humana, resultado de millones de años de evolución, es su genoma. A pesar de las diferencias que podemos observar entre las personas, como color de la piel, color del pelo, altura, etc., todos los seres humanos disponemos de la misma cantidad de información genética y la organizamos de la misma manera. El conocimiento que hoy tenemos de nuestro genoma es fruto de un largo camino de investigación, aunque, sin duda, el avance definitivo para comprender su estructura y la información que contiene ha sido la consecución del Proyecto Genoma Humano. A finales de la década de los ochenta y principios de los noventa, un grupo de instituciones científicas de varios países (Estados Unidos, Alemania, Reino Unido, Francia, China y Japón) se embarcaron en la ardua tarea de secuenciar los aproximadamente 3 300 000 000 de pares de bases que componen el genoma. En febrero de 2001, la prestigiosa revista Nature anunció que se conocía más del 90 % del genoma humano, lo que abrió una nueva época en el desarrollo de la biología molecular y la medicina, denominada época posgenómica. Hoy, aproximadamente un 1 % del genoma sigue sin estar bien secuenciado por la incapacidad técnica que hoy tenemos para poder leer esas secuencias. No obstante, pensamos que conocemos la totalidad de las secuencias que codifican para proteínas y, en definitiva, la totalidad de la información funcional de nuestras células. Sin embargp, eso no quiere decir que sepamos cómo funciona completamente la información que contienen, ni mucho menos. A modo de ejemplo, podemos decir que desconocemos la función de aproximadamente la mitad de los genes que presumiblemente hay en el genoma.

El ser humano (Homo sapiens) es un organismo diploide. Es decir, en su genoma nuclear presenta dos copias de cada uno de los cromosomas que contiene. Una de las copias procede de la madre (cromosomas maternos) y otra del progenitor masculino (cromosomas paternos). Un genoma humano completo está compuesto de veintidós pares de cromosomas autosómicos y un par de cromosomas sexuales. Los cromosomas autosómicos (que no definen el sexo) se nombran por su tamaño, desde el cromosoma 1 (el más grande, con algo más de 245 millones de pares de bases, pb) hasta el cromosoma 22 (con 49 millones de pb). Por su parte, los cromosomas sexuales son dos, llamados cromosoma X y cromosoma Y. Las hembras presentan dos cromosomas X, mientras que los machos presentan uno de cada tipo. De esta forma, y dado que un óvulo siempre porta un cromosoma X, dependiendo de si el espermatozoide que lo fecunda porta un cromosoma Y o uno X, el individuo será macho o hembra respectivamente.

Una de las conclusiones que se extraen del análisis del genoma humano cuando es comparado con el de otros organismos es el relativo bajo número de genes diferentes que tenemos: aproximadamente 25 000, menos de los 30 000 del arroz y demasiado cerca de los 13 600 que presenta la mosca del vinagre. La mayor complejidad del ser humano, por tanto, no es derivada del número de genes que porta, sino de cómo utiliza sus genes. Dentro de un gen podemos diferenciar dos partes: la región codificante para la proteína y las secuencias reguladoras que permiten controlar la síntesis de la proteína. La información contenida en la región codificante, o ORF (del inglés Open reading frame), está fragmentada en los eucariotas (excepto en algunos protozoos primitivos). En humanos, Las regiones que realmente contienen la información para ser traducida a proteína, denominadas exones, representan de media el 5 % de toda la secuencia ocupada por los genes (un 1 % del genoma total). Separando los exones se encuentran los intrones, secuencias que no contienen información para producir la proteína, y que tras el proceso de síntesis del ARNm son eliminados mediante un proceso conocido por su nombre en inglés: splicing. Los exones de un gen pueden ser combinados de diferentes formas mediante el splicing alternativo, y de esta forma dar lugar a diferentes proteínas. El 60 % de los genes en humanos pueden sufrir procesos de splicing alternativo, lo que hace que podamos producir unos sesenta mil polipéptidos diferentes. Si además tenemos en cuenta las modificaciones postraduccionales, rondamos las cien mil proteínas distintas. Además de estos factores, hay que tener en cuenta que la acción coordinada de varios genes puede representar un cambio muy importante en la biología de la especie. Es decir, la coincidencia de varios genes, bajo determinado modo de regulación en un mismo genoma, permite multiplica la complejidad del individuo que lo porta. Esto explica en parte que el ser humano y el chimpancé compartan más del 99 % de sus genes y aun así sean tan diferentes.

Tres cuartas partes del genoma humano están constituidas por secuencias que no son genes. La mayor parte (un 45 % del total) son transposones, muchos de ellos inactivos. Es decir, antiguos elementos transponibles que, tras la acumulación de mutaciones, han perdido la capacidad de cambiar de posición. La gran abundancia de este tipo de secuencias nos hace pensar que han tenido que desempeñar un papel importante en nuestra evolución. De hecho, sabemos que al menos cincuenta de nuestros genes funcionales proceden de transposones modificados. Por otra parte, es característica la presencia de secuencias repetidas. El 3 % de todo el genoma está formado por secuencias cortas repetidas, por ejemplo el dinucleótido (CA) repetido miles de veces seguidas. Más abundantes (5 %) son las repeticiones largas. En este caso se observa una duplicación de grandes fragmentos (de hasta 300 000 pb), y normalmente las copias del fragmento se localizan en cromosomas diferentes. Existe un tipo intermedio de secuencias repetidas en tándem, conocidas como microsatélites, que, como se verá más adelante, son analizadas en las pruebas de paternidad. Un tipo particular de secuencias repetidas son aquellas que forman los centrómeros y los telómeros, secuencias localizadas en medio o en los extremos de los cromosomas respectivamente. Los primeros permiten el reparto de cromosomas durante la división celular y los segundos los estabilizan. Finalmente, cabe mencionar la presencia de aproximadamente 3000 pseudogenes, que ocupan alrededor del 1 % del genoma total. Los pseudogenes son restos de antiguos genes que han perdido su funcionalidad. Estos elementos del genoma son una buena pista de cómo se ha ido formando nuestro material genético.

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¿SABÍAS QUE LAS PROTEÍNAS LEEN EL ADN UTILIZANDO SUS DEDOS?

Como acabamos de ver en las preguntas anteriores, toda la información necesaria para la formación y supervivencia de un organismo está incluida en el ADN. Para poder utilizar toda esa información, las células necesitan convertir los genes en proteínas, capaces de realizar la función. Para ello existe una compleja maquinaria capaz de regular la expresión de cada gen en el momento y lugar preciso. Esta regulación se realiza a distintos niveles, comenzando por la activación del lugar físico donde se encuentre el gen que se necesita expresar, es decir, que se vaya a transcribir.

Existen unas proteínas denominadas factores de transcripción que regulan la activación de la expresión génica, actuando como control de dicha expresión al unirse a regiones específicas del ADN donde se encuentra el gen que se vaya a expresar. Estas regiones específicas se denominan secuencias diana del factor de transcripción y suelen encontrarse adyacentes al gen del cual vaya a activar su expresión, dentro de la secuencia denomina promotor. Los factores de transcripción presentan una especificidad extremadamente alta para identificar la secuencia promotora, con lo que son capaces de unirse a secuencias diana de entre diez y veinte pares de bases. La unión de los factores de transcripción a las regiones reguladoras de los genes puede tanto permitir como impedir que la ARN-polimerasa, encargada de la transcripción, se una al ADN e inicie su actividad. Pero ¿cómo identifica un factor de transcripción su secuencia diana? La clave está en sus dominios de unión al ADN, que actúan como los dedos de un ciego leyendo braille. Estos dominios son capaces de reconocer la secuencia diana gracias a la estructura característica que esta adquiere en el espacio. Dependiendo de la secuencia de nucleótidos así será la forma de la doble hélice, es precisamente esa forma la que es reconocida por los dominios de unión al ADN de los factores de transcripción.

Existen diferentes dominios de unión al ADN, cada uno de ellos característico de un tipo de factores de transcripción. De hecho, los factores de transcripción se suelen clasificar según el tipo de dominio a través del cual se unen con el ADN. Entre los más frecuentes encontramos la hélice-vuelta-hélice (HTH, del inglés helix-turn-helix). Se caracterizan por poseer una estructura compuesta por dos hélices α separadas por un giro en forma β. Este tipo de dominios suelen unirse a las regiones del surco mayor de la doble hélice de ADN, donde introduce una de las hélices. Suelen encontrarse en factores de transcripción responsables de la represión transcripcional, es decir, que impiden la unión de las ARN-polimerasas y, por tanto, la expresión del gen.

Dominios de unión al ADN. Algunos de los dominios de unión al ADN más característicos de los factores de transcripción.

Otro tipo de dominio de unión al ADN son las cremalleras de leucina (ZIP, del inglés leucine zipper). Este tipo de dominio consiste en una cadena de aminoácidos constituida por dos subdominios. Uno de ellos está formado por dos hélices α unidas por una región rica en leucinas, aparece una cada siete residuos, además de una región rica en aminoácidos básicos, tales como arginina y lisina, responsable de unirse al surco mayor del ADN. Existe otro dominio de unión a ADN conocido como hélice-asa-hélice (HLH, del inglés helix-loop-helix). Este tipo de dominio tiene una estructura similar a los dominios de cremallera de leucina. Posee una región con dos hélices α dimerizadas y una región básica a través de la cual se une al ADN. Algunos factores de transcripción que poseen dominios de este tipo carecen de la región rica en aminoácidos básicos, por lo que no se unen al ADN y reprimen la actividad de otros factores de transcripción HLH al unirse a ellos, formando heterodímeros y bloqueando la unión al ADN. Estos dos tipos de dominios, HLH y ZIP, regulan la expresión génica al unirse al ADN como dímeros, generalmente a regiones del surco mayor de la doble hélice de ADN.

Quizá la familia de factores de transcripción más extendida en eucariotas son los que poseen dominios denominados dedos de zinc. La estructura de estos dominios consiste en una hélice α y una lámina β que unen átomos de zinc a través de residuos de aminoácidos de su estructura. Estos dominios reconocen únicamente tres pares de bases del ADN, por lo que varios dedos se asocian en tándem para abarcar la región promotora.

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¿POR QUÉ ES VENENOSA LA SETA DE LOS ENANITOS, AMANITA MUSCARIA?

El primer paso que tiene que dar un ser vivo para poder utilizar la información contenida en su ADN es el proceso de transcripción. Como resultado de este proceso, la célula obtiene cadenas de ARN que, dependiendo del papel que desempeñan (y por tanto de su estructura), pueden clasificarse en mensajeros (ARNm), transferentes (ARNt) o ribosómicos (ARNr) y, como ahora veremos, resultan esenciales para la vida.

Los ARNm son los responsables de transportar la secuencia de nucleótidos, que contiene la información necesaria para producir proteínas, desde el ADN hasta los ribosomas. Dada la función relativamente pasiva que realizan estas moléculas, no es de extrañar que se caractericen por presentar una estructura lineal, en la que apenas aparecen estructuras globulares. Aunque estamos acostumbrados a hablar de las cadenas polipeptídicas como base para la construcción de estructuras biológicas complejas, los ARN también pueden organizarse como estructuras globulares gracias a los dos o tres puentes de hidrógeno que pueden formarse entre A-U y G-C respectivamente. La capacidad catalítica de los ARN se pone de manifiesto principalmente en los ARNr, aquellos que forman parte del ribosoma, y de los que más adelante veremos su función. Finalmente, los ARNt son moléculas con complejas estructuras terciarias, capaces de traducir el código nucleotídico en aminoacídico. Ayudando por tanto al ribosoma en la síntesis de proteínas. Existe un cuarto tipo de ácido ribonucleico denominado micro-ARN que juega un papel importante en la regulación de la expresión de determinados genes mediante procesos como el silenciamiento génico (realizado por los llamados ARN de interferencia).

El proceso de transcripción de un ARN, independientemente del tipo, puede ser dividido en tres fases: iniciación, elongación y terminación. Para poder realizarlas, los organismos vivos cuentan con un gran complejo multiproteico denominado ARN-polimerasa. Esta enzima es capaz de sintetizar un polirribonucleótido por complementariedad de bases utilizando como molde una hebra de ADN. Así realizan una copia exacta de la hebra de ADN que contiene la información. Hay que recordar que la secuencia codificante para una proteína se encuentra en una de las dos hebras que forman la doble hélice del ADN, de tal forma que, para obtener una copia idéntica de la secuencia codificante, la ARN-polimerasa tiene que sintetizar una secuencia complementaria a la hebra que no tiene sentido en el ADN. Por esta razón tienen que existir marcas en el genoma que permitan a la polimerasa saber dónde y qué hebra comenzar a transcribir. Los sitios a los cuales se pueden asociar la ARN-polimerasa para iniciar el proceso de transcripción se denominan secuencias promotoras. Existen algunas diferencias que conviene discutir sobre la naturaleza de los promotores en procariotas y eucariotas, así como en la maquinaria implicada en su reconocimiento.

Todos los promotores bacterianos comparten una misma característica que consiste en la presencia de dos grupos de nucleótidos denominados cajas, que, aunque no son completamente idénticas en todos los promotores, sí se han podido establecer secuencias consenso, es decir, secuencias que representan el promedio obtenido del estudio de los diferentes promotores encontrados. Las dos secuencias consenso establecidas para los promotores de nuestra bacteria intestinal Escherichia coli son TATAAT y TTGACA, localizadas 10 y 35 nucleótidos antes del lugar donde se inicia la síntesis del ARN, lo que se denomina posiciones -10 y -35. Dependiendo de la secuencia exacta que presentan estas cajas, la unión de la polimerasa al promotor será más o menos eficiente y, por tanto, producirá más o menos ARN. De ahí que se hable de promotores fuertes o débiles. Dentro del complejo ARN-polimerasa, la subunidad σ es la responsable de interaccionar directamente con el promotor y reconocer estas secuencias. De hecho, este factor no está presente cuando la polimerasa transcribe (elongación) y solo participa uniendo al ADN la parte catalítica de la enzima, denominada núcleo de la polimerasa. La unión del núcleo de la polimerasa al ADN es realizada a través de la subunidad β’, lo que permite que la subunidad β realice la síntesis de la cadena. Además, el núcleo de la enzima cuenta con dos subunidades α, iguales entre sí y que permiten al complejo interaccionar con factores reguladores durante el proceso de elongación y de terminación.

En eucariotas existen diferentes tipos de promotores, cada uno de ellos reconocido por uno de los tres tipos de complejos ARN-polimerasa que presentan, y que se conocen como ARN-polimerasas I, II y III. Más del 20 % de todos los lugares de inicio de transcripción en eucariotas contienen la denominada caja TATA, localizada en la posición -30. Esta caja es reconocida por la polimerasa II, que es la responsable de sintetizar los ARNm. Un cambio en cualquiera de las bases que componen la caja produce una disminución drástica de la capacidad de unión de la polimerasa. Esta caja está acompañada normalmente por otras dos secuencias localizadas delante de ella, CCAAT en la posición -40 y una secuencia rica en CG en la posición -110. Hay que señalar que los promotores de la polimerasa II están normalmente asociados a otras secuencias, denominadas reguladoras, que van a condicionar la capacidad de la polimerasa para poder iniciar la transcripción. Este es como veremos más adelante, uno de los puntos principales de la regulación de la expresión génica.

Por su parte, los promotores para la transcripción mediada por la ARN-polimerasa I, especializada en la síntesis de los ARNr (28 S, 20 S, 5,8 S y 5 S), presentan dos secuencias poco definidas. Una que ocupa desde la posición +20 hasta la -45 (ricas en algunas partes en AT y en otras en CG), y otra rica en GC que pueden llegar a la posición -180. Finalmente, la ARN polimerasa III es capaz de reconocer dos tipos de promotores, que se caracterizan por localizarse en la región transcrita del gen. Es decir, más allá de la posición +1. Para conseguir asociarse a estas secuencias, la ARN-polimerasa III necesita de la participación de una proteína que no forma parte del complejo, denominada factor de ensamblaje IIIB (EFIIIB).

La transcripción. Se representa un gen bacteriano, portando en la región promotora las cajas en posiciones -10 y -35. Para obtener una copia de la hebra con sentido (que porta los codones), la ARN-polimerasa tiene que utilizar como molde la hebra antisentido. (M*, metionina de iniciación).

Los diferentes tipos de ARN-polimerasas que presentan las células eucariotas comparten un mismo núcleo catalítico, muy conservado respecto al de las bacterias (las dos subunidades α, la β y la β’). Sobre él, diferentes factores se asocian para dar a cada polimerasa su capacidad concreta de unión al ADN, regulación, etc. De hecho, son estas proteínas diferenciales las responsables de las respectivas sensibilidades que cada una de las ARN-polimerasas presentan a la α-amanitina. Esta compleja molécula es producida por casi todas las especies del género Amanita, entre las que se encuentra la A. muscaria, donde según la mitología eslava viven diminutos seres fantásticos. Este compuesto es capaz de inhibir con mucha eficacia la actividad de la ARN-polimerasa II, y se convierte en un compuesto letal en pequeñas dosis, ya que impide que las células puedan producir proteínas. Una persona de 70 kg de peso normalmente no sobrevive a la ingesta de más de 7 mg del compuesto.

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¿ES POSIBLE LA VIDA SIN ADN?

Todos hemos oído que el ADN es la molécula responsable de contener y transferir la información genética a la descendencia. Sin embargo, esto no fue siempre así. De hecho, hoy creemos que la información genética ya existía antes de que los seres vivos inventaran el ADN. Es importante entender que para poder existir información genética, es decir, la información que permite la creación del ser vivo, hace falta una molécula estable que pueda replicarse y pueda repartirse entre los descendientes. Según varios modelos propuestos, antes de aparecer las células, existían moléculas que podrían ser consideradas formas de vida. Esta vida prebiótica estaría constituida por moléculas de ácidos ribonucleicos (ARN), relativamente grandes y con capacidad de autorreplicarse. Es decir, moléculas capaces de hacer copias de sí mismas o entre ellas. El período de tiempo en el que suponemos que estas moléculas proliferaban en nuestro planeta lo denominamos mundo ARN. La capacidad de las moléculas de ARN para adquirir estructuras globulares en el espacio permite la generación de un centro activo similar al de las enzimas proteicas, y de ahí que estas moléculas de ARN con capacidad catalítica reciban el nombre de ribozimas. La estructura globular que adquieren las moléculas de ARN se consigue gracias a interacciones no covalentes entre las bases nitrogenadas de los ribonucleótidos que forman la cadena, pueden formarse dos puentes de hidrógenos entre el uracilo y la adenina, o tres entre la citosina y la guanina. Este apareamiento de bases dentro de la cadena permite el plegamiento de esta y la formación de una estructura determinada. De forma similar a otras interacciones no covalentes, la estabilidad de estas estructuras está condicionada por las condiciones de temperatura, pH y salinidad del medio en el que se encuentre.

Las ribozimas son moléculas muy interesantes, ya que aparte de realizar una función activa (por ejemplo, polimerizando los ribonucleótidos) contienen la información que permite transmitir y perpetuar en el tiempo esta actividad. La información contenida en estas moléculas de ARN, que viene representada por la secuencia de ribonucleótidos que las constituyen, implica una determinada organización espacial de los grupos químicos presentes en la cadena. Así, de forma similar a lo que ocurre con las proteínas y la secuencia de aminoácidos, dos moléculas de ARN con la misma secuencia de ribonucleótidos adquieren la misma estructura en el espacio, y por tanto presentan la misma actividad. Lo sorprendente en este caso es que la misma entidad molecular que realiza la actividad catalítica es responsable de perpetuar y amplificar la información que contiene. En las células (vida biótica), la actividad catalítica y el contenido de información no coexisten en una misma molécula. Por un lado se encuentra el ADN, donde está la información, y por otro las proteínas que realizan la función. Curiosamente, son moléculas de ARN las responsables de transmitir la información acumulada en el ADN (la secuencia de nucleótidos) hasta el ribosoma, donde se producen las proteínas codificadas en esa información. Es decir, en él es donde se establece la secuencia de aminoácido que dará lugar a la estructura funcional.

Las Ribozimas. A. Diagrama de interacciones intramoleculares en un ARN con actividad catalítica. Obsérvense los apareamientos C-G y A-U. B. Imagen de cristalografía de una ribozima similar a la mostrada en A. Código PDB de la cristalografía: 1HMH.

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ESTÁS FORMADO POR MILES DE BILLONES DE PROTEÍNAS, ¿CÓMO LAS FABRICAS?

Cada una de los miles de millones de proteínas que forman parte de nuestro organismo ha surgido como resultado del proceso de traducción. Y más aún, toda la vida, desde el primer organismo vivo hasta hoy, ha sido dependiente de ello, lo que convierte la traducción en uno de los procesos más importantes biológicamente hablando. En este apartado vamos a estudiar cómo la información que contiene el genoma es transformada en proteínas, focalizando fundamentalmente en el proceso de síntesis de estas. En definitiva, vamos a estudiar el proceso de traducción que ocurre en el ribosoma. A lo largo de la evolución este proceso ha ido sufrido modificaciones, aunque de forma general el mecanismo se ha conservado. Por ello, dependiendo del organismo, o del gen concreto de que se trate, el ribosoma puede traducir un ARNm de diferentes formas. Aquí estudiaremos solo una de ellas, aquella que realizan los organismos eucariotas y que se conoce como modelo del círculo rodante dependiente del CAP.

Como ya comentamos en temas precedentes, la información contenida en el ADN se organiza en genes. La secuencia de nucleótidos de estas regiones del material genético contiene la información que permitirá producir la secuencia de aminoácidos que conforman la proteína para la que el gen codifica. El primer paso para transferir la información que contiene el gen hasta el ribosoma es la formación del ARN mensajero (ARNm) maduro. Mediante el proceso de transcripción y posterior procesamiento (splicing), que se comentó en temas precedentes, se obtiene una molécula de polirribonucleótido caracterizada por presentar en su extremo 5’ una estructura denominada CAP (un grupo de nucleótidos modificados) y una cola de poliadeninas (poli-A) en el extremo 3’. Estas estructuras tienen gran importancia para dar estabilidad y funcionalidad a las moléculas de ARNm. Una vez aparece en el núcleo el ARNm maduro, este interacciona a través de la cola de poli-A con un factor proteico denominado «proteína de unión a poli-A» (conocido por sus siglas en inglés PABP, de poliA binding protein). La interacción de esta proteína asociada al ARNm con ciertos componentes de la membrana nuclear permite la translocación del complejo ARNm-PABP al citoplasma. Existen unos pocos genes en humanos cuyos ARNm maduros no presentan cola de poli A, y utilizan un mecanismo alternativo para alcanzar el citoplasma. Este es el caso de los ARNm de las histonas (proteínas implicadas en el empaquetamiento del ADN), que interaccionan con un factor denominado SLBP (del inglés stem loop binding protein) a través de una estructura en horquilla localizada en la región 3’ no traducida (UTR, del inglés un-translation region) del mensajero y que permite su salida al citoplasma y posterior traducción.

Una vez los ARNm han abandonado el núcleo, la estructura CAP, localizada en el extremo 5’ de la molécula, interacciona con la proteína eiF4E (factor eucariótico de iniciación 4E), que forma parte de un complejo de tres proteínas llamado eiF4F. Otra de las proteínas del complejo, denominada eiF4G, actúa de puente entre eiF4E y la PABP. De esta forma, los dos extremos de la molécula de ARNm se asocian entre sí, generando una estructura en forma de círculo. A parte de conseguir formar la estructura circular, el complejo eiF4F-CAP es capaz de interaccionar con la subunidad pequeña del ribosoma (40S en eucariotas). Esta subunidad está formada por más de treinta proteínas y una molécula de ARN ribosómico (ARNr 18S). La unión de esta subunidad pequeña del ribosoma al ARNm es mediada por otros factores (eiF2 y eiF3), que además permiten que un ARN transferente, denominado iniciador (ARNti), se acompleje a la subunidad pequeña. Una vez unida al CAP, esta subunidad comienza a desplazarse hacia el extremo 3’, ayudada por el factor eiF1/1A, hasta encontrar el denominado codón de inicio (AUG). Es en ese punto del ARNm donde tiene que iniciarse la traducción, es decir, a colocar un aminoácido por cada tres ribonucleótidos (codón) de la secuencia. El codón de inicio es reconocido por el triplete (UAC) localizado en el ARNti, al cual está unido a un aminoácido de metionina (M*). Ahora, mediante la acción del factor eiF5B, se produce el acoplamiento de la subunidad grande del ribosoma (60S en eucariotas), atrapando el ARNm entre las dos subunidades e indicando que va a dar comienzo el proceso de elongación.

La subunidad mayor del ribosoma, formada en eucariotas por casi cincuenta proteínas y tres moléculas de ARNr (5 S, 5,8 S y 28 S), presenta tres orificios, denominados sitios A, P y E, donde los ARNt, asociados a los diferentes aminoácidos, entran y salen del ribosoma. Cada uno de los veinte aminoácidos tiene su propio ARNt, que presenta en su secuencia un triplete de ribonucleótidos característico, y complementario a determinado codón presente en la secuencia del ARNm. Esta especificidad de interacción entre los codones presentes en el ARNm y el triplete complementario, presente en el ARNt, es la causa de que exista un código genético. Al comenzar la fase de elongación, el sitio P está ocupado por el ARNti-metionina y el sitio A se encuentra vacío. Los ARNt unidos a su aminoácido pueden entrar libremente al sitio A (nunca el ARNti), pero solo si el ARNt que entra porta el triplete complementario al codón presente en ese momento en el sitio A se producirá su unión al ribosoma. La entrada al sitio A de los diferentes ARNt unidos a su aminoácido es facilitada por la acción de un factor de elongación (en eucariotas, eEF), conocido por su nombre en bacterias EF-Tu. Una vez dentro, la actividad peptidil transferasa, aportada por el ARNr 28S, induce a la formación de un enlace peptídico entre la metionina localizada en el sitio P con el aminoácido asociado al sitio A. Esto induce el desplazamiento del ribosoma tres nucleótidos hacia el extremo 3’ del mensajero, lo que produce la expulsión del ARNti descargado (sin metionina) a través del sitio E. El ARNt que entró al sitio A se desplaza ahora al sitio P, portando los dos aminoácidos. De esta forma, el sitio A queda nuevamente vacío y muestra un nuevo codón, donde se unirá un nuevo aminoacil-ARNt. Cada vez que se repite este ciclo, un ARNt descargado (sin aminoácido) es expulsado del ribosoma por el sitio E y un ARNt unido a su aminoácido entrará al sitio A, y cederá este aminoácido a la cadena naciente de proteína localizada sobre el ARNt del sitio P.

La secuencia del ARNm codificante para la proteína, que se inicia con el codón de inicio AUG, termina con un codón de stop. Llamamos fase de lectura a la sucesión de tripletes que se encuentran entre estos dos codones. Como resulta evidente, cualquier alteración dentro de esa secuencia puede, muy probablemente, impedir la producción de la proteína codificada. El codón de stop, o de terminación, que se localiza más o menos próximo al poli-A, puede presentar tres variantes (UAA, UAG y UGA), y como su nombre indica, es el responsable de señalizar el lugar donde debe terminar la proteína. Cuando este codón llega al sitio A da comienzo el proceso de finalización de la traducción. No existe ningún ARNt capaz de reconocer estos codones, y solo unos factores proteicos de liberación (FRs) pueden hacerlo. Cuando estos factores entran al sitio A promueven la rotura del enlace éster que mantiene unida la proteína al ARNt, que en ese momento se encuentra en el sitio P. Una vez liberada la proteína se procede a la reacción de posfinalización, que consiste en la disociación del ribosoma en sus dos subunidades y la liberación de ARNm. Gracias a la forma de círculo que adquiere la molécula de ARNm que es traducida, las subunidades liberadas tras el proceso de traducción se encuentran próximas a la estructura CAP del extremo 5’, lo que va a facilitar que puedan volver a iniciar el proceso. Esto, unido al hecho de que varios ribosomas pueden traducir una misma molécula de ARNm, uno detrás de otro, hace que la traducción de estos transcritos sea muy eficiente.

La síntesis de proteínas. Representación de las fases de la traducción.

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NUESTRO ORGANISMO PRODUCE SUSTANCIAS QUE DEGRADAN LA CARNE DE LOS ALIMENTOS DURANTE LA DIGESTIÓN, ¿POR QUÉ NO NOS DEGRADAN A NOSOTROS?

A pesar de la gran funcionalidad aportada por las cadenas polipeptídicas que forman las proteínas de los seres vivos, existen determinadas situaciones en las que las proteínas necesitan ser modificadas para poder realizar correctamente su actividad. Es decir, una vez sintetizada la proteína por el ribosoma, esta necesita sufrir modificaciones químicas en su estructura para funcionar. El conjunto de cambios que sufre una proteína una vez ha terminado su traducción reciben el nombre de modificaciones postraduccionales. Es importante no confundir estas modificaciones con los cofactores o coenzimas, que se asocian a las proteínas para ayudarlas a realizar ciertas reacciones y que serán estudiadas en otro apartado. Existe una gran variedad de modificaciones que pueden sufrir las proteínas, sin embargo, aquí nos centraremos solo en aquellas modificaciones que son permanentes y que permiten la función de la proteína.

Aunque algunas modificaciones que sufren las proteínas no dependen de la actividad de ninguna enzima, como es el caso de las nitrosilaciones mediadas por el peroxinitrito, y que ya fueron comentadas anteriormente, la mayor parte de ellas sí que necesitan ser catalizadas por otras enzimas. Es más, la mayor parte de las modificaciones postraduccionales en las células eucariotas ocurren en el retículo endoplasmático, donde se encuentran las enzimas responsables de realizarlas. Cuando las proteínas que van a ser modificadas han sido traducidas en el ribosoma, la aparición de determinados aminoácidos en la secuencia del péptido naciente produce un bloqueo de la traducción y la migración de todo el complejo (ARN-Ribosoma-péptido naciente) hacia determinados receptores localizados en la membrana del retículo endoplasmático. Una vez ahí, el ribosoma prosigue la traducción de la proteína, pero la inserta al mismo tiempo en el interior del retículo a través de ciertos canales proteicos. La presencia de los ribosomas en esa parte del retículo donde se encuentran los receptores es la causa de que se denomine retículo endoplasmático rugoso, ya que es el aspecto que tiene al ser observado al microscopio electrónico. Aunque son muchos los tipos de modificaciones que pueden sufrir las proteínas dentro del retículo, dos son, a nuestro entender, los más importantes: la adición de azúcares (glicosilación) y la de lípidos (lipidación). En las glicosilaciones, la unión del azúcar a la proteína se realiza mediante la formación de enlaces O-glucosídicos o N-glucosídicos, normalmente a través de las cadenas laterales de aminoácidos de serina y asparagina respectivamente.

Aunque existen algunas proteínas glicosiladas del interior celular, la mayor parte de ellas se localizan en la membrana plasmática o son secretadas al exterior. Los azúcares que son adicionados a las proteínas pueden variar desde pequeñas moléculas de monosacáridos hasta largar cadenas de polisacáridos, y su papel biológico también puede ser variado. De forma general, la presencia de azúcares asociados a una proteína aumenta su solubilidad al aumentar la cantidad de grupos hidroxilo con capacidad de solvatación por las moléculas de agua del entorno. Además, estas estructuras dan rigidez a determinadas partes de las proteínas, lo que puede ser importante cuando la proteína se encuentre, por ejemplo, sometida a la presión de la corriente sanguínea. Por otra parte, las glicosilaciones tienen un papel muy relevante en señalización celular y reconocimiento, ya que los patrones de glicosilación pueden ser muy específicos. De hecho, los grupos sanguíneos AB0 hacen referencia precisamente a las formas que puede presentar la glicosilación de una proteína de la superficie del eritrocito (glóbulo rojo).

Las proteínas pueden ser modificadas por dos tipos de lípidos diferentes: isoprenoides (derivados del isopreno como el farnesil o el geranilgeranil) y ácidos grasos saturados (concretamente el ácido palmítico y el ácido mirístico). Estas modificaciones, que reciben respectivamente el nombre de prenilaciones, palmitoilaciones y miristoilaciones, pueden realizar diferentes funciones en la proteína modificada, aunque la más frecuente es ayudar al anclaje de la proteína a una membrana. Para que pueda producirse la unión del lípido, este ha de sufrir un proceso de activación previo que consiste en la unión de un grupo pirofosfato (dos grupos fosfato) a su estructura. Posteriormente, la energía acumulada en el enlace con el grupo pirofosfato es utilizada para formar el nuevo enlace entre la cadena alifática del lípido y, normalmente, un grupo sulfidrilo (-SH) de una cisteína localizada cerca del extremo C-terminal de la proteína. De esta forma se consiguen enlaces altamente estables que permiten una unión eficiente de la proteína modificada a la membrana.

Existen proteínas cuya actividad resulta muy peligrosa para la célula y por ello son producidas por el ribosoma sin actividad, por lo que necesitan ser modificadas posteriormente para poder realizar su acción biológica. En estos casos, normalmente la proteína no es modificada por la adición de moléculas a su estructura, sino todo lo contrario: su proceso de activación necesita que la cadena polipeptídica sea cortada, y eliminar así parte de la proteína. Este tipo de modificaciones recibe el nombre de roturas proteolíticas y son responsables de controlar procesos tan delicados como el suicidio celular, donde una cascada de proteólisis/activación de diferentes proteínas culminan con la destrucción de la célula. Uno de los casos más característicos de activación proteolítica, en parte por su simplicidad, es la activación de las proteasas pancreáticas. Estas proteínas son producidas por el páncreas y expulsadas al duodeno como respuesta a determinadas hormonas secretadas cuando la comida (quimo) sale del estómago. Las proteasas son enzimas capaces de catalizar la rotura de los enlaces peptídicos y por eso son las responsables de romper las proteínas que ingerimos por la dieta. Si estas proteínas fueran producidas en su forma activa dentro de las células del páncreas, se produciría una destrucción masiva de las proteínas celulares y como consecuencia la muerte por autodigestión. Todas las proteasas pancreáticas son secretadas al duodeno en forma de zimógeno, es decir, una proteína de mayor tamaño que no presenta actividad proteasa. En el lumen del intestino existe una proteína secretada por las células duodenales denominada enteropeptidasa que es capaz de eliminar los últimos seis aminoácidos del extremo N-terminal de uno de los zimógenos llamado tripsinógeno, cuya forma activada recibe el nombre de tripsina. Así la tripsina tiene accesible la entrada a su centro catalítico, lo que le permite comenzar a cortar proteínas, entre ellas el resto de dominios bloqueantes presentes en otros zimógenos, incluido el tripsinógeno. Esto tiene como consecuencia que la presencia unas pocas moléculas de tripsina activada puedan disparar el proceso de activación del resto de proteasas al tiempo que comienza la degradación de las proteínas de la dieta. La gran actividad proteasa presente en el duodeno es contrarrestada para evitar que la pared del intestino sea también digerida. Ello se consigue precisamente mediante una gran cantidad de glicosilaciones en las proteínas de la pared intestinal, que crean una matriz de glúcidos que mantienen a las proteasas alejadas de las proteínas propias. Además, la actividad proteolítica del duodeno no se mantiene constantemente. La gran actividad de las proteasas produce que, cuando ya no hay más proteínas exógenas que degradar, se degraden las unas a las otras. De esta forma se pone freno a esta peligrosa actividad, ya que de lo contrario, aun con la capa protectora de glúcidos, las proteasas terminarían por conseguir degradar las propias proteínas de la pared intestinal.

Modificaciones postraduccionales de proteínas. A. Ejemplos: N-glicosilación de asparaginas (Asp); O-glicosilación de serinas (Ser); lipidación de cisteínas (Cys). B. Modificación proteolítica del tripsinógeno para dar su forma activa (tripsina).

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¿LAS BACTERIAS TIENEN PREFERENCIAS GASTRONÓMICAS?

Las bacterias, a pesar de su pequeño tamaño y la simplicidad de sus formas de vida, esconden sofisticados mecanismos moleculares capaces de realizar procesos sorprendentes. Más allá de las actividades motoras como mover un flagelo, las bacterias son capaces de modular la expresión de sus genes en función de las moléculas que se encuentran en el entorno. En general, el mecanismo de control de la expresión génica que presentan los organismos procariotas se denomina operón transcripcional. Esto consiste en asociar en el genoma aquellos genes cuyos productos (proteínas) son responsables de realizar una actividad común y colocar delante de ellos un interruptor capaz de activar o no la transcripción de esos genes. Aquí veremos el ejemplo mejor estudiado y más característico de operón, que regula la expresión de los genes implicados en el metabolismo de la lactosa y que recibe el nombre de operón lactosa (LAC).

La lactosa es un disacárido formado por una molécula de galactosa y otra de glucosa unidas por un enlace O-glucosídico β(1-4). Debido a su gran tamaño, la lactosa no puede atravesar la membrana de la bacteria y necesita de un transportador específico, denominado β-galactosidasa permeasa, para llegar a su interior. Cuando no hay lactosa en el entorno, hay solo unas pocas de estas proteínas transportadoras en la superficie bacteriana. Sin embargo, la entrada de ciertos niveles del disacárido, debido a que aumenta su concentración en el entorno, dispara un proceso destinado a aprovechar al máximo este tipo de combustible, entre otras formas, aumentando la cantidad de estos transportadores. ¿Cómo consiguen hacer esto las bacterias? En el genoma de Escherichia coli, una de las bacterias presentes en nuestro tracto digestivo, existen tres genes relacionados directamente con el aprovechamiento de la lactosa denominados a, z, e y. Estos genes codifican respectivamente para una acetilasa (enzima implicada en la formación de ésteres acéticos, cuya función concreta en el metabolismo de la lactosa no ha sido identificada), una enzima denominada β-galactosidasa (implicada en la rotura del enlace O-glucosídico de la lactosa y la liberación de los monosacáridos de glucosa y galactosa) y la ya mencionada β-galactosidasa permesa, responsable de permitir la entrada de la lactosa. Estos tres genes se encuentran en tándem dentro del cromosoma, compartiendo un mismo promotor (P). Cuando la RNA-polimerasa se une a esta secuencia promotora, se inicia la transcripción de los tres genes, creándose una única molécula de ARN policistrónico que es procesada y da lugar a las tres proteínas. Sin embargo, unos cientos de nucleótidos delante de estos tres genes asociados hay un gen denominado i, cuya proteína es capaz de asociarse a una secuencia de 35 pares de bases localizada al lado de la secuencia promotora P y denominada región operadora. De esta forma, mientras la proteína permanece unida, la RNA-polimerasa no será capaz de asociarse al ADN y llevar a cabo la transcripción de los genes lac. De ahí que reciba el nombre de proteína represora del operón (R). En condiciones normales, sin lactosa en el medio, la bacteria presenta en su interior pequeñas cantidades de β-galactosidasa. Aunque la reacción más habitual de esta enzima es la rotura del enlace O-glucosídico de la lactosa, en ocasiones produce una modificación del enlace sin llegar a romperlo, formando alolactosa (galactosa y glucosa unidos por enlaces β(1-6)). Esta molécula puede unirse a la proteína represora e impedir su unión al ADN. Al no estar ocupada la región operadora, la ARN-polimerasa puede anclarse al promotor P e iniciar la transcripción. De esta forma la bacteria se asegura que hay lactosa suficiente en el medio como para que le sea rentable el gasto de energía asociado a la expresión de los genes lac, ya que la acumulación de alolactosa suficiente como para permitir su unión al represor solo ocurrirá si hay una cantidad relativamente elevada de lactosa en el medio.

Sin embargo, la inteligencia de las bacterias va más allá. No solo saben discernir, como acabamos de ver, si la cantidad de lactosa en el medio es lo suficientemente elevada como para compensar el gasto energético, sino que además son capaces de escoger otra fuente de carbohidrato que les sea más rentable, por ejemplo los monosacáridos aislados. Como veremos más adelante, el metabolismo basal de casi todos los organismo vivos, incluido E. coli, está relacionado con la glucosa. Es decir, la bacteria está continuamente preparada para la metabolización de la glucosa, y a diferencia de la lactosa, no necesita producir nada nuevo para su aprovechamiento. Por esta causa, en caso de tener a su disposición los dos nutrientes, glucosa y lactosa, la bacteria prefiere usar el primero, esperando a que este se acabe para entonces sintetizar los genes lac y metabolizar el segundo. Para conseguir esta segunda forma de control sobre el operón LAC, la bacteria utiliza un segundo mensajero que actúa como activador del operón y que recibe el nombre de AMP cíclico (AMPc). Este metabolito es producido por una proteína asociada a la cara interna de la membrana denominada adenilato ciclasa, y su actividad responde a las concentraciones de glucosa intracelulares. De esta forma, si hay poca glucosa se produce una activación de la adenilato ciclasa y un aumento de la concentración de AMPc dentro de la bacteria. A ciertas concentraciones, el AMPc es capaz de asociarse con una proteína receptora de AMPc (CRP), y producir un cambio en su estructura, que le otorga gran afinidad por una secuencia localizada unos diez nucleótidos delante del promotor P del operón LAC. La unión del complejo CRP-AMPc a esta secuencia ayuda a la RNA-polimerasa a unirse al promotor e iniciar la transcripción. En el caso de existir glucosa en el medio, la baja actividad de la adenilato ciclasa impide que los niveles de AMPc sean suficientes para actuar sobre CRP, y de esta forma, no facilita la unión de la ARN-polimerasa. De hecho, la presencia del inductor es imprescindible para que haya una expresión normal de los genes lac. De esta forma, solo se producirán las proteínas del operón si no hay otra fuente de glucosa disponible.

Operón LAC. Sistema bacteriano de control de la expresión de los genes implicados en el metabolismo de la lactosa. En presencia de lactosa el represor no puede impedir la transcripción. Siempre que haya glucosa (poco AMPc), la ARN-polimerasa no podrá unirse al promotor.

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LOS GENES DE UN ORGANISMO POSEEN TODA LA INFORMACIÓN NECESARIA PARA QUE ESTE VIVA, ¿CÓMO PUEDEN UTILIZARSE?

Podría pensarse que la región más importante de un gen es aquella que codifica para la proteína, ya que en definitiva la proteína es la responsable de que exista actividad. Sin embargo, no debemos subestimar el papel de otras regiones. Tan importante como disponer de la actividad de una proteína es poder controlar la presencia de esta, ya que de lo contrario no existirá capacidad rápida de adaptación. Es decir, más allá de los procesos lentos de adaptación molecular, derivados de los fenómenos de mutación y selección natural, la vida ha necesitado crear mecanismos para que un individuo pueda adaptarse a los cambios que le ocurran a lo largo de su vida de forma rápida. Estos procesos de control sobre la expresión de la información genética pueden actuar sobre cualquiera de los pasos que llevan a la producción de las proteínas, desde la síntesis del ARNm (transcripción) hasta la síntesis de la propia proteína (traducción). Otros mecanismos de regulación, como los procesos epigenéticos o las modificaciones postraduccionales de la proteína, que ya fueron comentados, son otras formas de regulación de la expresión génica que no veremos aquí.

El primer paso, y el más controlado en casi todos los genes de casi todos los organismos vivos, es el inicio de la transcripción. Existen secuencias adyacentes a la región del gen que es transcrita, denominadas promotoras, donde el complejo ARN-polimerasa tiene que unirse para que empiece la transcripción del gen. Dentro de estas secuencias promotoras pueden existir otras secuencias que permiten modular la unión de la polimerasa. Son las denominadas secuencias reguladoras, que pueden ser tanto para promover como para impedir la acción de la polimerasa en ese gen concreto. La unión de unas proteínas, llamadas de forma genérica factores de transcripción, a estas secuencias actúa como un interruptor que controla la acción de la polimerasa. En definitiva, con el control transcripcional se consigue que exista o no ARNm del gen regulado.

En eucariotas, normalmente, la región codificante de un gen se encuentra dividida en sectores, que reciben el nombre de exones. Mediante el splicing del ARNm inmaduro, estos exones aislados son unificados en una única secuencia continua, lo que es imprescindible para que el ARNm pueda cumplir su misión. El proceso de splicing es controlado en algunos casos para establecer los niveles de una proteína. La presencia de ciertas secuencias, localizadas normalmente en las regiones intrónicas del gen, permite la unión de determinados factores proteicos que pueden afectar, para bien o para mal, el procesamiento del ARN, y de esta forma permitir o no la maduración del ARNm. Existen algunos genes que pueden combinar sus exones de diferentes formas, lo que da lugar a diferentes proteínas. Esta forma de regulación, denominada splicing alternativo, permite aumentar la funcionalidad de un gen. Por ejemplo, si determinado exón de una proteína codifica para un dominio transmembrana, la actividad que realiza esa proteína podrá localizarse en la membrana, o no, dependiendo de si ese exón es incluido o no en el ARNm maduro.

El siguiente punto de control de la expresión génica está relacionado con la capacidad de ARNm maduro de abandonar el núcleo. Bajo determinado estímulo, los ARNm pueden ser retenidos en el núcleo o pueden ser exportados al citoplasma con mayor eficacia. Este control está dirigido por ciertos factores proteicos que modulan la capacidad de interacción entre el ARNm y los componentes de los poros nucleares. Una vez en el citoplasma, los ARNm pueden sufrir varios procesos de regulación antes de llegar al ribosoma, lo que evidentemente afecta a la cantidad total de proteína que puede ser producida. Uno de estos procesos, que representa uno de los puntos más importantes de regulación de la expresión de un gen, es la estabilidad del mensajero. Como ya se comentó en temas precedentes, el ARNm maduro presenta dos estructuras (el CAP en 5’ y la cola de poli A en 3’) que ayudan a mantener la estabilidad de la molécula. Además, en las regiones no traducidas del mensajero (regiones UTRs), pueden existir secuencia reconocidas por factores citoplasmáticos específicos. La unión de estas proteínas a estas regiones puede promover bien la degradación (por la acción de RNAsas) o la estabilización del transcrito (por la unión a proteínas que impiden la acción de las RNAsas). Este mecanismo de regulación es el más importante en organismo donde no existe regulación transcripcional, como es el caso de los protozoos del orden kinetoplástida. Estos primitivos organismos transcriben continuamente todos sus genes y exportan los ARNm producidos al citoplasma. Bajo determinados estímulos se produce la activación del factor proteico responsable de la unión a secuencias específicas localizadas en las regiones UTR, y de esta forma controlan que el transcrito se acumule en el citoplasma (al estabilizarlo) o que desaparezca (degradándolo). Genes funcionalmente relacionados presentan las mimas secuencias en sus regiones UTRs y, de esta forma, un único estímulo promueve el mismo efecto en muchos genes diferentes. Este tipo de control se denomina operón postrasncripcional y es exclusivo de estos organismos.

Regulación de la expresión génica. Se representa el lugar donde se encuentran las secuencias (información genética) responsables de regular la expresión de un hipotético gen eucariótico.

Finalmente, el último punto susceptible de ser controlado para regular la expresión de un gen es la traducción del mensajero. Aunque cualquiera de las fases del proceso de traducción puede ser controlada, el punto más importante de control es el inicio de la traducción. Es decir, controlar la unión del ARNm al ribosoma. Este tipo de regulación es empleada, fundamentalmente, para poder producir una gran cantidad de cierta proteína en poco tiempo. En el citoplasma del ovocito de los anfibios, los más estudiados son del género Xenopus, los cuales se encuentran grandes cantidades de ARNm de las histonas (proteínas implicadas en el empaquetamiento del ADN). Estos mensajeros se encuentran estabilizados, de forma que se produce su degradación al tiempo que se impide su unión al ribosoma por la presencia de ciertos factores proteicos asociados a secuencias específicas de sus regiones UTR. Cuando el ovocito es fecundado, se inicia un rápido proceso de divisiones celulares que permitirá crear numerosas células en poco tiempo. Previo a cada división, el ADN de la célula tiene que replicarse y empaquetarse, por lo que necesita millones de moléculas de histona. En el momento de la fecundación se dispara un proceso que libera los factores responsables de la represión traduccional, deja libres los ARNm de las histonas y permite que puedan unirse al ribosoma. De esta forma, la célula se evita tener que realizar todos los pasos previos para formar una proteína, lo que reduce el tiempo necesario para producir esos millones de proteínas que necesita el ADN producido en cada división.

Como resultado de la coordinación de todos estos mecanismos, la información acumulada en el genoma de los organismos vivos, fruto de miles de millones de años de evolución, puede ser utilizada de forma eficiente. Y gracias a ello la vida ha podido alcanzar la complejidad que hoy observamos.

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¿POR QUÉ CRECEMOS?

Un proceso crítico para toda célula es su división. En el caso de los organismos unicelulares, el proceso permite la formación de un nuevo individuo de la misma especie y, por tanto, la perpetuación directa de su genoma. En los organismos pluricelulares, por su parte, representa el camino para la constitución de los individuos, que, con cierto nivel de desarrollo, podrán reproducirse y perpetuar su genoma. Cómo decide una célula cuándo tiene que dividirse depende de muchos factores, pero de forma simplificada podemos decir que en el caso de los organismos unicelulares el proceso está asociado a unas buenas condiciones ambientales (presencia de glucosa, por ejemplo), y en el caso de los pluricelulares está regulado por la acción hormonal.

El período de tiempo que transcurre entre dos divisiones de una célula se conoce como ciclo celular, y ha sido dividido en 3 etapas: G1, S y G2/M. Tras la división por mitosis cada una de las células hijas se encuentra en la fase G1. Lo más característico en esta fase es que el material genético no está duplicado. Durante este período, la célula almacena los componentes que va a necesitar para poder afrontar el primer reto importante antes de una nueva división: la replicación del genoma. Cuando la célula está replicando su ADN se dice que esta se encuentra en fase S. El tiempo que dura la fase S es variable, puede oscilar entre las dos y las ocho horas dependiendo la célula o las condiciones. Una vez replicado el genoma, y corregidos los posibles errores, la célula entra en la fase G2/M del ciclo celular. Aquí la célula tiene que duplicar las estructuras importantes y preparar a la célula para la división, que tiene lugar al final de esta fase (la mitosis).

Este proceso tiene varias misiones importantes, como garantizar que el genoma se replique solo una vez, no dejar que se transmita con errores y permitir que se reparta correctamente a las células hijas. De forma general podemos decir que existen tres puntos críticos para controlar el ciclo. El primero, y posiblemente el más importante, está situado al principio de la fase S, y es conocido como punto de no retorno, ya que si es traspasado la célula replicará inevitablemente su genoma y tendrá que dividirse (y si no puede, morirá). Los otros dos puntos de control se localizan al principio y al final de la mitosis, uno controla la calidad de la copia del ADN replicado y otro garantiza el correcto reparto de los cromosomas. Para conseguir este control sobre el ciclo celular, las células cuentan con un fino sistema de regulación, muy conservado desde levaduras hasta humanos, mediado por la acción coordinada de dos tipos de proteínas: las llamas ciclinas y las quinasas dependientes de ciclinas (conocidas por sus siglas en inglés; CdK). Existe una ciclina concreta para cada fase del ciclo, y solo está activa en esa fase. Una vez activada la ciclina (normalmente por fosforilación), esta se une a diferentes CdKs específicas que permitirán el avance de esa parte del ciclo celular. Una vez que esa fase ha terminado, el sistema que activa la siguiente fase eliminará las ciclinas activadas de la fase anterior (mediante ubiquitinación). Así el avance del ciclo siempre es unidireccional.

El ciclo celular. Entre cada mitosis (M), la célula pasa por tres fases. Para regular el avance del ciclo, existen tres puntos de control (representados por puntos estrellados). El más importante es el primero de ellos (punto de no retorno).

Desde la formación del zigoto hasta formarse el cuerpo humano adulto, es necesario que se produzcan millones de divisiones. Además, una vez desarrollado, es importante que las células puedan dividirse ocasionalmente para poder reparar los posibles daños del día a día, o en el caso del sistema inmunológico, producir los ejércitos de células que necesita para defenderse. Uno de los responsables de controlar este crecimiento celular es el factor de crecimiento epidérmico (siglas en inglés: EGF). La unión de esta pequeña proteína a su receptor, localizado en la superficie de la célula, induce una cascada de fosforilaciones en su interior, mediadas por unas proteínas conocidas como MAP-quinasas, que llevan a la fosforilación y activación de la ciclina D. Para que se produzca esta activación, otros receptores también han tenido que ser estimulados, como por ejemplo el de insulina, indicando a la célula que hay energía en el organismo (glucosa) para poder afrontar el gasto de la su división. La ciclina D, en combinación con la CdK4/6, es capaz de activar parcialmente la transcripción de algunos genes de expresión en fase S; entre los que se encuentra la ciclina E. El complejo encargado de reprimir la expresión de estos genes de fase S durante la fase G1 presenta una proteína denomina proteína del rinoblastoma (Rb), que es fosforilada por dímero ciclina D-CdK4/6 activado (fosforilado). La fosforilación de Rb produce que el complejo de represión se separe parcialmente del ADN, y así se pueden transcribir algunos genes de fase S, entre ellos la ciclina E. Sin embargo, para superar el punto de no retorno, es imprescindible que Rb sea fosforilada nuevamente. Lo que impide totalmente su unión al ADN y por tanto, permite que se puedan sintetizar todas las proteínas y moléculas necesarias para replicar el genoma. Esta segunda fosforilación de la proteína Rb es mediada por el complejo ciclina E-CdK2, que es activado por una proteína denominada CdC25. Esta proteína actúa como controladora de la calidad del ADN que va a ser replicado. En el caso que CdC25 reciba alguna señal de daño en el ADN (transmitida por la proteínas p53), no se produce la fosforilación/activación de la ciclina E y la proteína Rb permanece unida al ADN. Además, p53 activa otra proteína denominada p21, capaz de destruir el complejo cíclica D-CdK4/6 y ciclina E-CdK2. Por todo ello, un daño en el ADN detiene el avance de la fase S antes del punto de no retorno. En el caso de no ser reparado el daño, el mismo sistema mediado por p53 dispara el proceso de muerte celular programada (apoptosis), y elimina esa célula del organismo.

Como veremos a continuación, este fino control sobre cuando tiene una célula que dividirse, en ocasiones, falla. El resultado es la enfermedad genética más temida y mortífera: el cáncer.

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EVOLUCIÓN Y CÁNCER, ¿QUÉ TIENEN EN COMÚN?

Como acabamos de ver, existe un grupo de proteínas responsables de controlar que el proceso de división celular ocurra en el momento y de la forma adecuada. Estas proteínas pueden ser clasificadas en dos grupos: aquellas que son responsables de frenar el ciclo celular y/o inducir la apoptosis (por ejemplo p53, p21 o Rb) y aquellas que promueven su avance y supervivencia (entre ellos CdK4/6 o CdK2). Toda mutación en el genoma que promueva un bloqueo de la actividad de las primeras o una activación incontrolada de las segundas puede derivar en una pérdida de la capacidad de detener el ciclo celular y, como consecuencia, hacer que la célula portadora de la mutación se divida incontroladamente. En este caso decimos que la célula presenta un fenotipo tumoral, ya que su tendencia es a formar grupos más o menos grandes de células que llamamos tumores.

El cáncer. Una pérdida de la actividad supresora del ciclo celular o un aumento en la actividad proliferativa genera células con fenotipo tumoral.

Los genes que codifican para las proteínas que controlan el ciclo celular reciben el nombre de protooncogenes, mientras que su forma mutada que conduce el fenotipo tumoral se denomina oncogén. Por ejemplo, el gen supresor de tumores p53 es un protooncogén, mientras que su forma mutada no funcional (p53*) se denomina oncogén. Para que una célula adquiera el fenotipo tumoral es necesario que acumule una media de cinco oncogenes distintos en su genoma, ya que, si son menos, la célula normalmente cuenta con caminos alternativos para detener el ciclo y destruirse.

Una vez aparece una célula tumoral, nuestro organismo aún tiene una posibilidad de impedir la formación del tumor. Para ello cuenta en el sistema inmunitario, que a través de los complejos de histocompatibilidad tipo 1 (MHC-I) y de la respuesta citotóxica mediada por los linfocitos T-CD8 es capaz de reconocer estas células y destruirlas. Continuamente este sistema elimina células tumorales de nuestro cuerpo, aunque no sabemos exactamente por qué, en algún momento puede dejar de hacerlo. Cuando todos los mecanismos de control fallan se produce el tumor. Dependiendo de exactamente qué oncogenes son los responsables del fenotipo tumoral, así el tumor presentará mayor o menor agresividad. Si por ejemplo, una célula tumoral presenta una mutación en el gen Rb, que impide completamente la unión de la proteína al ADN y el silenciamiento de los genes de fase S, la velocidad de crecimiento del tumor será mayor que si la mutación afecta solo parcialmente a su capacidad para unirse al ADN.

Teniendo en cuenta la relación directa que hay entre el ciclo celular, el control de calidad del ADN y los mecanismos de suicidio celular, es fácil entender que una célula tumoral, además de crecer incontroladamente, acumule muchos más errores en su genoma que una célula normal. El efecto de hipermutación mostrado por las células tumorales tiene como consecuencia que el genoma de estas células cambie a gran velocidad y, por tanto, cambie las propiedades de estas células al mismo ritmo. Un ejemplo característico de algunos tipos de tumores es la alteración del sistema de adhesión celular. Las células de nuestro organismo se encuentran normalmente unidas unas a otras (como en el tejido epitelial) o a componentes de la matriz extracelular. Este proceso de adhesión es posible gracias a diferentes proteínas de membrana que se unen entre sí (para asociar dos células) o se asocian a diferentes componentes de la matriz. Cuando surgen las células cancerosas, normalmente este sistema de adhesión se encuentra intacto, de tal forma que las células que surgen tras las sucesivas divisiones permanecen unidas. Por eso forman un conglomerado de células: un tumor. Sin embargo, por el efecto de hipermutación, algunas de estas proteínas pueden verse alteradas y perdersu capacidad para mantener a la célula unida a las demás. En este caso, la nueva célula cancerígena abandonará el tumor, viajará por la sangre o los vasos linfáticos hasta otras regiones del organismo y diseminará la infección e imposibilitará la extirpación quirúrgica de la enfermedad. Este proceso de diseminación del tumor recibe el nombre de metástasis.

La capacidad de mutar y cambiar el genoma rápidamente también da a la célula tumoral, del mismo modo que a toda forma de vida, la capacidad de evolucionar. Es decir, de adaptarse a los cambios en el entorno, y generar variantes genéticas suficientes como para que alguna de ellas sea capaz de sobrevivir y perpetuar su genoma. Teniendo en cuenta el carácter maligno de algunos tumores, esta propiedad de rápida evolución de las células cancerosas tiene consecuencias catastróficas para los pacientes. Si la intervención quirúrgica no es posible por existir posibles metástasis o por encontrarse en un lugar inaccesible, una de las alternativas más efectivas para combatir la enfermedad es la quimioterapia. Esto consiste en administrar fármacos al paciente que actúen sobre las células tumorales específicamente. Para que el fármaco pueda actuar es necesario que entre al interior de la célula cancerosa, donde se unirá a su proteína diana para ejercer el efecto. Si el fármaco necesita de un transportador de membrana para acceder, que es lo más frecuente, alguna de las células que forman el tumor puede presentarlo alterado, e impedir que la droga acceda y la mate. Como consecuencia de la administración del fármaco, muchas de las células del tumor morirán por no presentar la mutación en ese receptor y se observará una disminución en el tamaño del tumor. Sin embargo, aquella o aquellas células que portan la mutación, sobrevivirán, serán seleccionadas y podrán en poco tiempo volver a desarrollar otro tumor.

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¿CUÁL ES LA RAZÓN DE QUE LA EVOLUCIÓN CREE ORGANISMOS CADA VEZ MÁS COMPLEJOS?

Los modelos que hoy manejan los genetistas moleculares no son aún capaces de explicar totalmente cómo, desde simples bacterias, las variaciones en la molécula de ADN han permitido crear organismos tan complejos como nosotros. No obstante, a grandes rasgos, sí son capaces de explicar por qué cada vez la vida presenta un mayor nivel de complejidad y con ello, cómo esta ha sido capaz de crear la gran diversidad de organismos que colonizan la práctica totalidad de la superficie del planeta.

La clave para entender la dinámica evolutiva de los seres vivos radica en conocer la universalidad del código genético y la versatilidad de la molécula de ADN. Gracias a que todos los organismos vivos compartimos el mismo genoma, la información genética puede ser transferida de unos a otros. De esta forma, un organismo puede adquirir y utilizar la información inventada por otro. Este es el caso de las islas de patogenicidad comentadas anteriormente, en la que ciertos genes que permiten a determinada especie de bacteria poder infectar son transferidos a otra que adquiere la misma capacidad. Por otro lado, hay que tener en cuenta la versatilidad de la molécula de ADN. La facilidad de alterar la información contenida en el material genético, sin impedir con ello que sea funcional, permite que la información que es adquirida pueda ser perfeccionada, o modificada para ser empleada para otra cosa. Un ejemplo sencillo es el caso de las fimbrias que presentan algunas enterobacterias. Ciertos plásmidos presentan la secuencia tra, que permite que se forme el pelo sexual: una estructura proteica con forma de pelo que crece desde la membrana de la bacteria y se asocia específicamente a cierto receptor de la membrana de otra bacteria. Una vez unida a su receptor, el pelo sexual se retrotrae para aproximar las bacterias y permitir la transmisión del plásmido entre ellas (la conjugación). En algunas bacterias, como E. coli o Salmonella, este plásmido ha sufrido un proceso de cambio (mutaciones puntuales), lo que ha alterado la secuencia de aminoácidos de las proteínas codificadas, y ha permitido que hoy día el pelo (la fimbria) se asocie a receptores de las células intestinales de los mamíferos donde viven.

Aunque estos procesos de transferencia y manipulación de la información genética ayudan a explicar la adquisición de nuevas funciones celulares, para alcanzar determinado nivel de complejidad la vida necesitó ampliar notablemente la cantidad total de información o, por lo menos, la cantidad de espacio disponible para esta información. Por muy bueno que sea un programa informático, si el disco duro no tiene espacio suficiente para almacenar los datos que necesita para funcionar, el ordenador nunca podrá utilizarlo. Hoy creemos que unos de los mayores responsables de ampliar el tamaño de los genomas y de la información que contiene han sido los procesos de duplicación génica. Estos procesos, que ya fueron comentados en el contexto de las mutaciones, suelen ocurrir durante la recombinación. Uno de los ejemplos más característicos de cómo los fenómenos de duplicación ayudan a la adquisición de complejidad es el caso de los genes de la hemoglobina.

La hemoglobina es una proteína que ha sido esencial para que los animales hayan podido aumentar de tamaño, ya que gracias a ella el oxígeno puede ser distribuido dentro del organismo. La forma más primitiva de hemoglobina que se conoce es un polipéptido de unos 150 aminoácidos, que se encuentra en los gusanos, los insectos y algunos peces primitivos. Hace aproximadamente 500 millones de años, durante la expansión de los peces superiores (osteíctios), alguno de ellos duplicó el gen de la hemoglobina. Una vez duplicado, cada una de las copias acumuló diferentes mutaciones, dando lugar a las dos subunidades (α y β) que conforman la molécula de hemoglobina en muchos vertebrados. Mediante nuevas duplicaciones y modificaciones de estos dos nuevos genes, los vertebrados terminaron por generar una batería de diferentes subunidades de hemoglobina, cada una de ellas especializa en una función concreta. Así, el ser humano cuenta con varias copias de la subunidad α en el cromosoma 16, y al menos cinco variantes de la subunidad β en el cromosoma 11. Todas ellas conservan un gran parecido con la hemoglobina ancestral de los gusanos y tienen exactamente la misma función.

El origen de las familias génicas. Se representa la evolución de la familia de las globinas. Mediante mecanismos de duplicación se generan copias en los genomas que acumulan mutaciones de forma independiente. En la parte inferior se representan los genes de globina que actualmente posee la especie humana.

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¿QUÉ ES UN RELOJ MOLECULAR?

Uno de los retos más complejos e importantes a los que se han enfrentado los biólogos es desentrañar el proceso general de la evolución. Es decir, poder realizar un esquema en el que se represente cómo, desde un ancestro común, han aparecido los diferentes reinos, familias, géneros y especies que habitan y han habitado el planeta. Mucho antes de la publicación en 1859 de El origen de las especies del naturalista británico Charles R. Darwin, diferentes investigadores ya habían intentado clasificar los organismos vivos. Por ejemplo, son famosos los trabajos del sueco Carl N. Linneo (en torno a 1750), que creó un método taxonómico para clasificar las plantas que ha sido utilizado durante siglos. Este método, como muchos otros posteriores, está basado en la similitud de rasgos fenotípicos entre individuos y asume que cuanto más semejantes son, más cercano es su parentesco. Posteriormente, con el desarrollo de la geología, la paleontología, y muy especialmente la datación radiológica (a través de la cuantificación de ciertos isótopos radiactivos), se comenzó a dar temporalidad a los diferentes ancestros extintos y de esa forma se establecieron a grandes rasgos los tiempos de la evolución. Sin embargo, no será hasta las aportaciones del genio estadounidense Linus Pauling, a mediados de los años sesenta del siglo pasado, cuando la biología molecular entrase para dar un impulso casi definitivo a la resolución de este rompecabezas histórico.

Pauling, con ayuda entre otros del austriaco Emile Zuckerkandl, tras analizar la tasa de variación en la secuencia de aminoácidos de la hemoglobina en diferentes especies de vertebrados, llegó a la conclusión de que existía una relación entre la variación que presentaba la secuencia de una proteína conservada en dos especies y el tiempo transcurrido desde que ambas especies se separaron de su ancestro común. Si asumimos que la aparición de mutaciones en los genomas ocurre a velocidad constante, Pauling estableció la hipótesis de que puede ser establecido el momento de aparición de las especies a través del estudio de variación de sus moléculas. A las moléculas que permitían realizar estos análisis (proteínas en su caso) las llamó reloj molecular.

Aunque se asume como cierta la hipótesis del profesor Pauling, hoy sabemos que algunas de las suposiciones que le permitieron establecer la teoría no fueron del todo correctas. Al estudiar la tasa de variación sobre la secuencia de las proteínas, se subestima el número real de variaciones causadas por el paso del tiempo en los genomas. Teniendo en cuenta el carácter degenerado del código genético, puede mutarse un nucleótido de un codón (especialmente el último) sin producirse cambio en el aminoácido de la proteína para la que codifica. Estos cambios en el genoma se conocen como mutaciones silenciosas. Por tanto, parece razonable que el reloj que debe ser observado para ver la hora de aparición de una especie es el ADN.

Por otro lado, hoy sabemos que no todos los genes acumulan mutaciones con la misma velocidad. Dependiendo de la restricción impuesta por la bioquímica de la proteína codificada, su secuencia de aminoácidos podrá aceptar más o menos cambios. Existen algunas actividades enzimáticas que necesitan una estructura y composición química muy específica, y un mínimo cambio en algún aminoácido de la secuencia puede hacer perder la función a toda la proteína, y quizá la vida del individuo, por lo que esa mutación no es conservada (mutación letal). En el lado opuesto está el caso del fibrinógeno, una proteína implicada en el proceso de coagulación sanguínea en vertebrados. Para ser activada esta proteína sufre un proceso de proteólisis por el que se elimina un fragmento de unos cuatrocientos aminoácidos de la proteína. Se ha demostrado que la secuencia de aminoácidos que componen esa parte de la proteína deleccionada no presenta ninguna restricción, es decir, que cualquier alteración de la secuencia de aminoácidos permite que la proteína sea activada y realice su función con normalidad. Como resulta fácil de suponer, si en este caso se ha calculado una variación de un aminoácido cada doscientos mil años, en cualquier otro gen la variación debe ser menor.

Pero entonces ¿cuál es el gen que tiene que ser utilizado como reloj molecular? Actualmente, nadie ha dado una respuesta universal a esta pregunta. Las grandes diferencias que existen a nivel molecular entre los procariotas y los eucariotas hacen imposible encontrar un gen o secuencia genética suficientemente conservada como para poderlas comparar eficazmente en todos los organismos. Pensemos en la síntesis de proteínas, un proceso altamente conservado en toda la evolución y que muchos de los actores moleculares implicados realizan funciones homólogas. Cuando se analizan las secuencias codificantes para estos genes, observamos que han variado considerablemente de tamaño. Algunos se han divido, otros fusionado, lo que hace imposible la comparación lineal de las secuencias. En este sentido, hoy día se analizan genes específicos para ciertos grupos de organismos. Los genes de la hemoglobina son buenos relojes para establecer tiempos de aparición de vertebrados. Pero evidentemente no puede usarse para estudiar organismos más antiguos, ya que no presentan este gen.

Árboles filogenéticos. Se representa la variación de nucleótidos en una hipotética secuencia ancestral (en la parte superior). La mutación asociada a cada variación (rama del árbol) está representada por un color. Obsérvese como la conservación de ciertas mutaciones permite establecer un orden cronológico a la evolución de la secuencia.

Una aproximación muy empleada para poder estudiar los genomas en su conjunto, evitando tener que escoger un gen en particular, es establecer el porcentaje de citosinas y guaninas (%C+G) que presenta. Aunque esto solo es práctico al estudiar organismos con genomas pequeños, este método permite establecer con gran exactitud el orden de aparición de muchos microorganismos. El problema de la aplicación de este método a organismos complejos es la falta de homogeneidad del porcentaje de citosina y guanina a lo largo del genoma, al existir mayor porcentaje en las regiones codificantes (exones) que en el resto. Por ello, para su aplicación a organismos con genomas grandes no se utiliza este porcentaje de todo el ADN que contienen, sino el de ciertos genes implicados en realizar una función altamente conservada, en particular los ARN ribosómicos que participan en la síntesis de proteínas.

Gracias a todas estas técnicas, hoy día disponemos de un esquema muy completo de la aparición de las especies. Estos esquemas que representan la historia evolutiva se denominan árboles filogenéticos. Y aunque quedan muchos huecos por llenar, el avance en las técnicas de secuenciación y computación de datos permiten desvelar parentescos cada vez más ocultos e inesperados.

BIOENERGÉTICA Y METABOLISMO

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¿SE PUEDE VIVIR SIN ENERGÍA?

Desde un punto de vista termodinámico, los organismos vivos son sistemas abiertos, ya que intercambian materia y energía con el entorno. Gracias a esta propiedad, la vida puede existir. Según los principios de la termodinámica, los sistemas tienden espontáneamente a aumentar el desorden, parámetro que es cuantificado a través de la entropía (S). Según estos principios, el aumento de la entropía de un sistema solo puede ser paliado a través de la administración, desde el entorno, de energía al sistema, lo cual solo puede ocurrir cuando el sistema no es cerrado. Un ejemplo visual de este principio podría ser lo que ocurre cuando se añade al agua unas gotas de aceite. Como las moléculas de agua no pueden interaccionar con los lípidos, estas tienden a ordenarse espontáneamente alrededor de las cadenas alifáticas de los lipidos y minimizan el contacto con ellos. Si imaginamos cinco moléculas de ácido graso aisladas, es decir, cada una de ellas rodeadas de moléculas de agua ordenadas, es fácil entender que si se juntan las moléculas de grasa unas con otras, el número total de moléculas de agua que están en contacto con los lípidos disminuye. Al disminuir el número de moléculas ordenadas, aumenta la entropía del sistema y el sistema tiende a juntar esas moléculas de grasa. Esto explica por qué las gotas de aceite adicionadas al agua terminan por juntarse en una única gota. Podríamos explicar este fenómeno de forma simplificada utilizando el ejemplo del orden en una habitación, si no gastamos energía en mantenerla ordenada, esta cada vez presentará un mayor desorden, lo que aumenta la entropía.

Esta espontaneidad de los procesos entrópicamente favorables ha condicionado la vida a muchos niveles, más allá de la formación de bicapas lipídicas para formar las membranas biológicas. El orden que necesitan mantener los sistemas vivos ha de ser sostenido a base de energía suministrada del exterior, bien en forma de radiación electromagnética (de fotones), bien en forma de molécula rica en energía (con enlaces de alta energía o abundante en electrones). Un caso paradigmático en relación con el orden en los organismos vivos son los polímeros. Uno de los procesos más costosos para la célula, energéticamente hablando, es la unión de monómeros para producir polímeros. Desde un punto de vista termodinámico, los monómeros sueltos por el citoplasma, antes de ser polimerizados, tienen un nivel mucho mayor de desorden que una vez han sido unidos a la cadena de polímero. Pero además del aumento del orden del sistema, asociado a la falta de libertad de movimiento de los monómeros por su asociación a una cadena que los limita, algunos polímeros necesitan reducir aún más la entropía, es decir, necesitan mayor orden. Este es el caso del ADN. En la replicación del material genético es necesario que el polímero que se forma presente una secuencia específica, ya que de eso depende conservar la información que contiene. Es decir, no vale con colocar los nucleótidos al azar, sino que tienen que seguir un orden determinado. Es aquí donde la célula gasta tanta energía, intentando conseguir un alto grado de orden para conseguir hacer una copia lo más fiel posible de su material genético.

No obstante, existen otras causas que obligan a las célula (a algunas de ellas al menos) a realizar importantes gastos de energía, y no necesariamente derivadas directamente del mantenimiento de la entropía. Con el fin de poder transmitir el material genético a la siguiente generación y de esa forma conservar la información que han replicado con tanto coste, muchos organismos se ven obligados a desplazarse bien para obtener los nutrientes que necesita o bien para el apareamiento. Desde algunas bacterias hasta los humanos, muchos organismos tienen que consumir energía para conseguir oponerse al rozamiento o a su peso y conseguir desplazarse. Es decir, adquirir energía cinética (Ec = ½ · m · v2). En estos casos, la energía de que dispone la célula puede ser transformada en energía mecánica a través de diferentes sistemas. Unos de los más simples son los flagelos de bacterias Gram-negativas, los cuales actúan como las aspas de los barcos, y permiten a los microorganismos que las portan realizar auténticas acrobacias. Pero sin duda la forma más compleja y costosa de desplazamiento es a través del empleo de músculos. Este sistema necesita de la acción coordinada de millones de fibras musculares formadas por miles de filamentos formados por miles de copias de las proteínas actina y miosina. Para producir la contracción del músculo, además del gasto neurológico, la célula muscular tiene que gastar una gran cantidad de energía, parte para polimerizar (ordenar) los filamentos de actina y miosina y parte para activar el posterior desplazamiento de los filamentos (la contracción). Lo sorprendente es que tanto el flagelo de la bacteria como cualquiera de los músculos de nuestro cuerpo utilizan la misma fuente energía: la almacenada en los electrones que forman un enlace fosfodiéster de un nucleótido trifosfato. Este enlace representa la principal fuente de energía utiliza por todos los organismos vivos para poder vivir.

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¿EXISTEN MOLÉCULAS CAPACES DE ACELERAR LAS REACCIONES QUÍMICAS?

Para poder darse el fenómeno de la vida y que pueda existir la gran variedad de moléculas y estructuras macromoleculares que la caracterizan, han de darse millares de reacciones químicas más o menos complejas. Existen multitud de tipos distintos de reacciones, pero de forma general podemos decir que en toda ellas hay unas moléculas llamadas reactivos que, tras un proceso de intercambio de átomos y/o electrones entre ellas, dan lugar a nuevas moléculas que llamamos productos de la reacción. Como ya se explicó en preguntas precedentes, la energía asociada a una molécula está determinada por el nivel energético de los electrones localizados en los orbitales de enlace, que mantienen unidos los átomos. Teniendo en cuenta que durante las reacciones químicas se rompen enlaces y se crean otros nuevos, el contenido energético de los reactivos puede verse alterado en los productos. Aquellas reacciones cuyos productos contienen más energía que los reactivos se dice que son endotérmicas, es decir, el sistema necesita un aporte de energía global para que la reacción pueda ocurrir. Por su parte, cuando los reactivos son los que presentan más energía que los productos (esto se denomina reacción exotérmica), un desprendimiento de energía. La combustión de un hidrocarburo es un buen ejemplo de este último tipo de reacción.

Otro parámetro importante para entender las reacciones químicas es el de espontaneidad. En ocasiones caemos en el error de pensar que si una reacción es exotérmica (libera energía), la reacción es espontánea, y no es así. Volvamos nuevamente a la combustión de un hidrocarburo, por ejemplo el metano (CH4), cuya reacción puede representarse así:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + Energía (calor)

Si la reacción entre el metano y el oxígeno (O2) fuera espontánea a temperatura ambiente, en el momento en el que se pusieran en contacto los dos compuestos se produciría la combustión, y todos sabemos que, por suerte, no es así. Necesitamos una llama o una chispa para poder iniciar la reacción, ¿pero por qué? Para que el proceso de combustión tenga lugar, los átomos implicados en la reacción han de colisionar con determinada velocidad (energía cinética) para que los electrones puedan cambiar de orbital de enlace. También la dirección en la que se produce la colisión es esencial para que pueda producirse el nuevo enlace. De esta forma, al acercar la cerilla a la mezcla de CH4 y O2, se produce el aporte energético necesario para que ocurran choques efectivos entre ellos, y alcancen un estado de transición a partir del cual la reacción se precipita inevitablemente (espontáneamente) hacia la formación de los productos. Esa energía que necesita ser aportada a una reacción para poder alcanzar el estado de transición es denominada energía de activación. De esta forma, el curso de una reacción química puede representarse como una montaña rusa cuyo recorrido se inicia con una ascensión desde la energía de los reactivos hasta la altura correspondiente a la forma de transición. Una vez la vagoneta alcance esta cima se precipitará hacia los productos, y la energía final podrá ser mayor o menor que la de los reactivos.

Energía de activación. Se representan la energía asociada al proceso de combustión del metano (CH4). Para alcanzar el estado de transición es necesaria cierta energía de activación (ΔEa). Un catalizar produce el efecto indicado con la línea discontinua, disminuye la energía necesaria para alcanzar el estado transición y, por tanto, acelera la reacción.

Un catalizador es una molécula capaz de hacer que esa energía de activación se vea reducida y, por tanto, que la velocidad a la que ocurre la reacción se vea acelerada. Los catalizadores no son reactivos de la reacción, sino que actúan sobre los reactivos para que alcancen un estado de transición menos energético. Es importante resaltar que los catalizadores no pueden influir sobre el equilibrio de las reacciones y, por tanto, no pueden alterar la espontaneidad termodinámica de los proceso. Sin embargo, en ocasiones, ocurren reacciones que no son espontáneas y que pueden ser catalizadas. En estos casos, el problema termodinámico se soluciona al acoplar a esa reacción otra altamente espontánea. Otra ventaja de los catalizadores es que, tras el proceso de catálisis, la molécula catalizadora no se ve alterada, de tal forma que puede actuar en una reacción detrás de otra. Aunque existen diferentes catalizadores, muchos de ellos empleados por los humanos en la industria química, los más sofisticados y eficaces que conocemos son los que ha inventadola vida: las enzimas.

A pesar de existir algunos ácidos nucleicos con actividad catalítica, fundamentalmente moléculas de ARN, que reciben el nombre de ribozimas, los mejores catalizadores son las enzimas proteicas. La gran capacidad de estas macromoléculas para adquirir casi ilimitadas estructuras en el espacio permite colocar gran variedad de grupos químicos en una determinada configuración espacial. El lugar de la enzima donde se encuentran los grupos químicos responsables de realizar la catálisis se denomina centro activo y al reactivo que llega al centro activo de una enzima se le conoce como ligando o sustrato de la enzima. Existe una alta especificidad de cada enzima para realizar una determinada acción sobre un ligando concreto, especificidad que viene dada por la estructura espacial del centro activo y la región próxima a este, al que podemos llamar canal de entrada al centro activo. Una de las grandes ventajas que presentan las enzimas como mediadores de las reacciones químicas es que resulta relativamente fácil para la célula controlar su función, pudiendo activarlas o inhibirlas. Esto lo consigue al inducir cambios en la estructura de la proteína que dejan accesible o bloquean el canal de entrada o alguno de los grupos del centro activo.

Los mecanismos de acción de las enzimas permiten acelerar miles o millones de veces determinados procesos químicos. La glucosa (C6H12O6), por ejemplo, es un hidrato de carbono cuyos electrones contienen una gran cantidad de energía. De forma similar a lo que ocurre con el metano: para liberar esa energía, la glucosa puede reaccionar con el oxígeno para descomponerse en CO2 y agua. Sin embargo, a temperatura ambiente necesitaríamos miles de años para que un gramo de glucosa se descompusiera, ya que esta reacción presenta una elevada energía de activación. Sin embargo, los organismos vivos son capaces de realizar esta descomposición y aprovechar la energía liberada en pocos segundos. Para ello cuentan con una batería de enzimas, cada una de las cuales realiza una pequeña modificación de la molécula con muy baja energía de activación. La acción coordinada de varias enzimas recibe el nombre de ruta metabólica y en este caso ruta de la glucólisis. Como después veremos es uno de los mecanismos de obtención de energía más empleados por los organismos vivos.

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¿PARA QUÉ SE HACE LA PRUEBA DEL TALÓN A LOS RECIÉN NACIDOS?

Para que un organismo vivo pueda existir tiene que ser capaz de producir las estructuras moleculares que lo constituyen, así como realizar las actividades que le permiten perpetuarse. La bacteria más simple está formada por millones de moléculas diferentes. Algunas de ellas son responsables de crear sus estructuras, como los fosfolípidos que forman su membrana o las proteínas que forman su flagelo. Otras moléculas, por su parte, son responsables de producir la energía que la célula necesita, por ejemplo, para poder replicar su material genético o poder desplazarse. Todas estas moléculas son producidas como resultado de multitud de reacciones químicas. El conjunto de todas las reacciones químicas que tienen lugar en la célula y que tienen como objetivo la creación de las moléculas o la energía que necesita para vivir se denomina metabolismo, y los compuestos químicos que participan, metabolitos. Los miles de reacciones químicas que componen el metabolismo celular están divididas en diferentes rutas.

Una ruta metabólica es una serie de reacciones químicas que se suceden de forma coordinada para obtener o degradar una determinada molécula o tipo de molécula. Partiendo de un metabolito se producen una serie de modificaciones sobre él, de forma que el producto generado en una reacción es el reactivo de la siguiente, y genera reacciones en cadena hasta obtener un producto final. Las reacciones químicas que tienen lugar en los organismos vivos son catalizadas por las enzimas, proteínas que aceleran la velocidad de las reacciones químicas. De esta forma, una ruta metabólica está controlada por las enzimas responsables de catalizar las reacciones de la ruta. Además, hay que tener en cuenta que diferentes rutas metabólicas pueden confluir en una misma ruta y que una ruta puede verse ramificada para crear diferentes productos.

El conjunto de reacciones que tiene como resultado la creación de nuevas moléculas, invirtiendo energía en tal fin, recibe el nombre de anabolismo o ruta anabólica. Por su parte, el catabolismo es el conjunto de reacciones que tienen como resultado la degradación de moléculas y la obtención de la energía química desprendida de dicha degradación. Algunas rutas, dependiendo de las necesidades celulares, pueden actuar como anabólicas o como catabólicas. Es decir, en función de la dirección de avance de las reacciones, el producto final que se obtiene serán moléculas (anabólico) o energía (catabólico). Por ejemplo, la glucosa es degradada por multitud de organismos a través de un conjunto de reacciones catabólicas que se conocen como glucólisis. Resultado de esta serie de reacciones, la glucosa es transformada en piruvato y energía en forma de ATP y poder reductor (NADH). Cuando las necesidades energéticas de la célula están saciadas, esta misma ruta puede funcionar de forma anabólica y transformar el piruvato en glucosa, ruta denominada gluconeogénesis. En este caso, las reacciones necesitarán energía para producir la glucosa.

Como es fácil de suponer, la actividad de estas rutas tiene que estar condicionada por las necesidades materiales y energéticas de la célula, para lo que existen varios mecanismos de control. Mediante la regulación de la actividad de las enzimas, como después veremos, o modulando la cantidad de ciertas enzimas a través de los mecanismos de control de expresión génica estudiados en el bloque anterior, se puede controlar la capacidad total de la ruta para generar sus productos. Estas reacciones controladas normalmente se caracterizan por necesitar de varios reactivos, que suelen ser comunes a varias rutas. Estas reacciones se conocen como encrucijadas metabólicas y tiene una gran relevancia en el control del metabolismo general de las células. De hecho, existen rutas metabólicas que actúan como encrucijadas, estas reciben el nombre de ciclos. Son rutas circulares, es decir, la acción química que realizan sobre cierto metabolito termina por volverlo a generar. Este es el caso del ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Esta ruta metabólica está constituida por un total de nueve reacciones, que comienzan con la reacción entre una molécula de acetil-coenzima A (acetil-CoA) y una de oxalacetato para formar citrato. Tras una serie de reacciones, el citrato se transforma en oxalacetato nuevamente y puede volver a reaccionar con otra molécula de acetil-CoA. Diferentes rutas catabólicas tienen como producto final algunos de los metabolitos del ciclo de Krebs, como ocurre con la degradación de muchos aminoácidos que son transformados en metabolitos de este ciclo. Por el contrario, algunos de los metabolitos del ciclo también pueden ser precursores de otras rutas metabólicas. La coordinación de estas rutas de degradación y producción de compuestos celulares, que terminan o se inician en el ciclo de Krebs, tienen gran relevancia bioenergética, lo que hace de este ciclo uno de los puntos más importantes del metabolismo de las células, y por eso necesita un apartado especial. Otra forma muy eficaz de controlar la actividad de las rutas metabólicas es denominada retroinhibición o inhibición feedback. Normalmente, el producto final de una ruta metabólica tiene la capacidad de interaccionar con alguna de las enzimas de la ruta, e inducir a una inhibición de estas y detener la acción de la ruta. Este mecanismo permite detener la obtención del producto cuando este se encuentra en determinada concentración en el citoplasma e impide de esta forma su acumulación excesiva.

Rutas metabólicas. Representación esquemática de varias rutas metabólicas ficticias. Cada flecha representa una actividad enzimática. También se representa un caso de inhibición del compuesto b sobre la enzima que cataliza la reacción de A a B.

Existen algunos individuos que presentan alteraciones en sus rutas metabólicas, lo que puede producir las denominadas enfermedades metabólicas. Estas enfermedades están producidas bien por una disminución de la cantidad de enzima, bien como consecuencia de una disminución en su actividad catalítica, normalmente por defectos en los genes que codifican para estas enzimas. Como resultado de una alteración metabólica se pueden producir dos tipos de efectos nocivos para el organismo: una disminución de un metabolito importante o la acumulación de algún compuesto que puede ser tóxico a determinadas concentraciones. Un ejemplo de este tipo de enfermedades es la fenilcetonuria o PKU. Esta enfermedad está relacionada con un mal funcionamiento de la ruta de degradación (catabólica) del aminoácido fenilalanina, lo que deriva en una acumulación de este aminoácido en el organismo. Un exceso de fenilalanina produce graves daños al sistema nervioso central, lo que se traduce en un deterioro neuronal, retraso mental y muerte en la niñez. Hoy día, a los dos o tres días del nacimiento se realiza una prueba al neonato para ver los niveles de este aminoácido y otros metabolitos en su sangre y de esta forma poder diagnosticar la PKU y otras enfermedades metabólicas (prueba del talón). Una vez diagnosticada la PKU, el niño evitará ingerir fenilalanina por la dieta y podrá tener una vida normal.

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¿UNA SOBREDOSIS DE VITAMINAS PUEDE PERJUDICAR LA SALUD?

La gran variedad de estructuras que pueden adquirir las cadenas polipeptídicas de las proteínas permite colocar grupos químicos específicos en determinadas posiciones del espacio, y de esta forma la vida consigue formar centros catalíticos para realizar los procesos químicos necesarios para perpetuarse. A pesar de la gran variedad de grupos químicos aportados por los aminoácidos que forman la cadena polipeptídica, existen algunas reacciones que requieren de la presencia de átomos o enlaces no presentes en los aminoácidos. Este problema se ha solucionado con la utilización, por parte de las proteínas responsables de realizar esas actividades, de moléculas accesorias. La forma en la que estas moléculas ayudan a las proteínas es muy variada, pero a grandes rasgos podríamos diferenciar dos: por un lado están las moléculas unidas a las proteínas que realizan una función estructural (pasivas), como podría ser la unión de una cadena de lípido para permitir el anclaje de una proteína a la membrana. Esta unión ocurre mediante modificaciones postraduccionales de las proteínas y no serán tratadas ahora. Por otra parte están las moléculas que participan directamente en el proceso físico-químico de una actividad enzimática, las denominamos coenzimas o cofactores, y en ellas pondremos el foco de atención en este apartado.

Algunos átomos metálicos (no presentes en los aminoácidos) son utilizados con bastante frecuencia por algunas proteínas que reciben el nombre de metaloproteínas. La interacción del metal con la proteína se puede producir bien a través de enlaces de coordinación con las cadenas laterales de algunos aminoácidos, como ocurre con el átomo de Zinc (Zn) asociado a la enzima alcohol deshidrogenasa, o bien mediante su asociación a un grupo prostático, como el caso del hierro (Fe) al grupo hemo. Estos elementos, que son necesarios para la realización de los procesos catalizados por enzimas, se denominan metales esenciales. Entre ellos cabría destacar el Fe, el cobre (Cu), el Zn, el manganeso (Mn), cobalto (Co), níquel (Ni), molibdeno (Mo), vanadio (Va) y el selenio (Se).

Las coenzimas son siempre moléculas orgánicas relativamente complejas. Su participación en la reacción catalítica de la enzima puede ser a modo de sustrato o como cofactor. En el primer caso, la coenzima entra y sale de la proteína para llevar o traer los reactivos generados o necesarios en la reacción. Este es el caso, por ejemplo, de la participación del dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD) en la eliminación del alcohol por el hígado. Los hepatocitos contienen una enzima denominada alcohol deshidrogenasa, capaz de oxidar el etanol para formar acetaldehido. Los dos electrones arrancados del etanol son cedidos al NAD+ (forma oxidada del NAD), dando lugar a la forma reducida de este compuesto (NADH). El NADH sale del centro activo de la enzima para donar los electrones robados al etanol a otra molécula, y de esa forma poder volver a la enzima y participar en la oxidación de más moléculas de alcohol. En otras reacciones, el NAD también puede actuar como cofactor. Es decir, permanece asociado permanentemente a la enzima y actúa mediante ciclos de óxido-reducción de esa forma no necesita abandonar la enzima para recuperar su poder oxidante.

Para obtener estas moléculas, los organismos vivos han desarrollado diferentes rutas metabólicas, capaces de transformar una molécula precursora en la coenzima. Llamamos vitaminas a aquellas moléculas que necesitamos ingerir por la dieta y que dan lugar a coenzimas esenciales para la vida. Las avitaminosis son las enfermedades causadas por las carencias de estas moléculas. Por ejemplo, el NAD está presente en todos los organismos vivos, y todos necesitamos producirlo para poder vivir. El ser humano utiliza como precursor para sintetizar NAD una molécula denominada niacina, más comúnmente denominada vitamina B3, y que se encuentra fundamentalmente en la carne, el pescado, la leche y los huevos. En regiones pobres latinoamericanas, donde existe una dieta basada casi exclusivamente en el maíz, la carencia prolongada de este compuesto es frecuente, y puede llegar a causar la muerte a través de una serie de síntomas que se conocen como pelagra. Algo similar ocurre con dietas basadas exclusivamente en arroz, aunque en este caso se produce una carencia en tiamina (vitamina B1). Mediante la pirofosforilación de la tiamina (unión de dos fosfatos), nuestras células obtienen la coenzima denominada pirofosfato de tiamina (TPP). El TPP ayuda a unas enzimas llamadas descarboxilasas para que puedan catalizar la eliminación de átomos de carbono de una molécula orgánica. Esto resulta esencial, por ejemplo, para poder degradar las grasas y obtener energía de ellas. La carencia de tiamina en la dieta tiene como consecuencia una serie de síntomas que de forma genérica se conocen como beriberi: un conjunto de enfermedades endémicas en algunas poblaciones aisladas de Asia, las cuales afectan fundamentalmente al sistema nervioso y cardiovascular.

Algunas veces, es directamente la coenzima la que necesitamos ingerir, ya que no contamos con ruta metabólica capaz de sintetizarla a partir de algún intermediario metabólico propio. Este es el caso del ácido ascórbico o vitamina C, cuya deficiencia causa el escorbuto. Una de las funciones más importantes que realiza esta coenzima en nuestro organismo es ayudar a una proteína llamada procolágeno prolina hidroxilasa. Esta enzima adiciona un grupo hidroxilo (-OH) a las cadenas laterales de los aminoácidos de prolina que forman las proteínas de procolágeno, lo que permite la correcta formación de las fibras definitivas de colágeno. Como estas fibras son las responsables de dar consistencia al tejido conjuntivo (aquel que sirve de soporte a los demás tejidos), una deficiencia en la ingesta de vitamina C produce un debilitamiento de la estructura del tejido. De ahí que uno de los síntomas de esta carencia sea la caída de los dientes del paciente, ya que sus encías son incapaces de soportar la presión sobre las piezas dentales que sostiene.

Las vitaminas. Ejemplo de algunas vitaminas liposolubles (A), e hidrosolubles (B). La vitamina B12 es la más compleja de todas las vitaminas conocidas, y solo es producida por algunas bacterias.

Aunque las avitaminosis son la forma más común en la que se manifiestan problemas relacionados con las vitaminas, existen algunas patologías relacionadas con un exceso de estas moléculas en la dieta. Son las conocidas como hipervitaminosis. La relativamente alta reactividad de las moléculas cofactoras hace que su acumulación en el interior de la célula pueda comprometer algunas funciones. Dentro de la gran variedad de vitaminas que necesitamos, podemos diferenciar dos grandes grupos según su capacidad para atravesar las membranas celulares o no. Las vitaminas liposolubles presentan una estructura altamente apolar y se disuelven fácilmente en las membranas, lo que les permite atravesarlas libremente. Esta facilidad para entrar en las células es un arma de doble filo, ya que por un lado la célula no necesita gastar energía para introducirla, pero al mismo tiempo no puede controlar su entrada y, por tanto, suponen un riesgo cuando se ingieren en exceso. Además, pueden quedar disueltas en el interior de los adipocitos, las células responsables de almacenar las grasas, y de esta forma acumularse en cantidades importantes. A este grupo pertenecen las vitaminas A, D, E y K. Por su parte, las vitaminas hidrosolubles necesitan mecanismos activos de entrada a las células, mediados por proteínas transportadoras específicas y en ocasiones gasto de energía. Las vitaminas C y todas las vitaminas del complejo B (B1-B12) son hidrosolubles, y su exceso es normalmente eliminado por la orina. Aun así, un abuso de estas vitaminas también puede llegar a causar algunos problemas, fundamentalmente gástricos y renales.

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¿ POR QUÉ MATAN LOS VENENOS?

Como ya vimos en apartados anteriores, los seres vivos han tenido que desarrollar multitud de proteínas distintas capaces de hacer frente al reto de catalizar las miles de reacciones diferentes que ocurren en las células. No todas las enzimas presentan la misma capacidad catalítica, lo que se traduce en diferencias en la velocidad con la que pueden formar productos. Para poder entender cómo se produce la catálisis enzimática y poder establecer parámetros cuantificables de la actividad de una enzima, comenzaremos por la ecuación general que representa una reacción enzimática.

Reacciones enzimáticas. Ecuación general de las reacciones químicas catalizadas por enzimas. E: enzima; S: sustrato; ES: complejo enzima-sustrato; P: producto; K: constante.

En primer lugar se tiene que producir la entrada del sustrato (S) en el centro activo de la enzima (E). Una vez aquí, se forma un estado de transición de la reacción en la que el sustrato permanece unido a la enzima y forma el complejo enzima-sustrato (ES). Finalmente, la inestabilidad de este complejo deriva en la separación de la enzima y del producto generado (E + P). Tal como se ha representado en la ecuación anterior, existe un equilibrio entre la cantidad de sustrato libre y unido a la enzima, este equilibrio viene determinado por una constante de disociación del complejo enzima-sustrato (Ks), esta constante se define por la siguiente ecuación:

Ks = ([E] · [S]) / ([ES])

Como toda constante de equilibrio de una reacción química, esta se establece por el cociente de la concentración de productos ([E] · [S]) entre la concentración de reactivos ([ES]). O lo que es lo mismo, entre la constante de formación de E + S, que denominamos k-1 y la constante de formación del complejo ES (k1). Por otro lado, la constante de formación del producto se denomina K2.

Según el modelo de estado estacionario propuesto por los británicos G.E. Briggs y J. B. S. Haldane en 1925, la capacidad catalítica de una enzima se tiene que estudiar en los primeros momentos de la reacción, cuando la concentración de sustrato en la reacción es aún lo suficientemente alta como para que este pueda ocupar el centro catalítico inmediatamente después de ser desalojado por el producto. De esta forma, en el estado estacionario de una reacción enzimática, la velocidad de formación y destrucción del complejo ES es la misma:

k1· [E] · [S] = k-1· [ES] + k2 · [ES] y por tanto [ES] = (k1/(k-1 + k2)) · [E] · [S]

Basándose en esta expresión, y si se tiene en cuenta que la concentración de enzima total presente en una reacción puede definirse como la suma de la enzima libre más la unida a sustrato ([E]t = [E] + [ES]), los científicos Leonor Michaelis y Maud Menten fueron capaces de establecer la primera función que define la velocidad para una reacción enzimática:

V = (k2 · [E]t · [S]) / (Km + [S])

La afinidad de una enzima por su sustrato viene definida por una constante que hoy se conoce como constante de Michaelis-Menten (Km). Cuanto mayor valor tenga la Km de una enzima por cierto sustrato, menor afinidad presentará la enzima por este y menor será la velocidad de la reacción. Pero, además, es fácil deducir que si la concentración de sustrato [S] es lo suficientemente grande, siempre habrá sustrato unido a enzima, haciendo despreciable el valor de Km Es decir, Km + [S] = [S]. Así se obtiene otro parámetro importante de las enzimas, que es la velocidad máxima a la que puede actuar:

Vmax = k2 · [E]t; y por tanto, V = (Vmax·[S])/(Km+[S])

Estos parámetros cinéticos que permiten caracterizar matemáticamente las reacciones catalizadas por enzimas (Km y Vmax) junto con otros que no podemos definir aquí por falta de espacio como la constante catalítica (Kcat) han permitido definir muy bien el modo en el que las enzimas participan en las reacciones bioquímicas.

Uno de los aspectos más relevantes de la participación de las enzimas en la vida celular, y más allá de la propia reacción que catalizan, es la capacidad que presentan de controlar su actividad. Y aunque son muchos los metabolitos que pueden actuar como moduladores de la actividad enzimática, de forma general podemos definirlos como activadores o inhibidores. En este apartado nos centraremos en los segundos.

Los inhibidores actúan fundamentalmente mediante tres mecanismos. Existen moléculas que pueden ser muy parecidas al sustrato y consiguen ocupar el centro activo del enzima de forma reversible, es decir, durante un tiempo determinado. De esta forma, el sustrato no consigue acceder con facilidad y no puede ser modificado para formar el producto, lo que a todos los efectos supone una inhibición parcial de la actividad de la enzima. Estas moléculas reciben el nombre de inhibidores competitivos, ya que reducen la formación de producto por la competición por el centro activo de la enzima con el sustrato. En este caso se observa un aumento aparente de la Km de la enzima. Es decir, la enzima aparenta perder afinidad por el sustrato. Sin embargo, si aumentamos lo suficiente la cantidad de sustrato, este ganará la competición e impedirá que el inhibidor pueda entrar al centro activo. Por tanto, la Vmax de la reacción se mantendrá. Algunas moléculas inhibidoras, una vez dentro del centro activo, se unen covalentemente a este o inducen a una modificación covalente de alguno de los residuos químicos allí presentes. En este caso hablamos de inhibidores suicidas o irreversibles, ya que la actividad catalítica de la enzima está comprometida sin capacidad de reparación. Finalmente, existe un tercer tipo de inhibición denominada no-competitiva. En este caso, la enzima presenta un segundo bolsillo, alejado del centro activo y denominado centro alostérico de la enzima. La unión del inhibidor al centro alostérico produce un cambio conformacional de la proteína que altera la estructura tridimensional del centro activo que impide su actividad catalítica. Es importante remarcar que la unión de estos inhibidores al sitio alostérico de la enzima ocurre de forma no covalente y reversible, de tal forma que su cinética de unión a la enzima puede compararse con la del sustrato a su centro activo. El efecto de la presencia de inhibidores alostéricos sobre los parámetros del enzima son algo más complejos, pero en general podemos decir que tanto la Km se ve aumentada como disminuida la Vmax.

Inhibidores enzimáticos. Representación gráfica de la velocidad de una reacción enzimática respecto de la concentración de sustrato sin inhibidor (línea continua) y con inhibidor (línea discontinua). Se indica el efecto sobre la constante de Michaelis-Menten (Km) y la Vmax de un inhibidor competitivo y otro alostérico.

Las sustancias tóxicas y los venenos son moléculas que son capaces de inhibir la actividad de cierta enzima por algunos de los mecanismos que acabamos de explicar. Como resulta evidente, aquellos cuya forma de inhibición es irreversible representan un mayor peligro. El ion cianuro, por ejemplo, representa un potente inhibidor de enzimas que presentan iones metálicos en su centro activo, con especial afinidad por las proteínas transportadoras de electrones de la cadena respiratoria. El pequeño tamaño del ion permite su entrada hasta el centro activo de las enzimas, donde se acompleja de forma irreversible a los átomos de Fe, Cu, o Zn que allí se encuentren, lo que causa la muerte del individuo que lo ingiere por incapacidad de producir energía en la cadena respiratoria. Otros venenos presentan estructuras más complejas, análogas frecuentemente, a la estructura del sustrato en su estado de transición. Este es el caso, por ejemplo, del gas sarín, tristemente famoso por su empleo en diferentes conflictos bélicos. Esta molécula actúa como inhibidor suicida de muchas enzimas que presentan aminoácidos de serina en su centro activo. Entre ellas la acetilcolinesterasa, que, como más tarde estudiaremos, es una proteína fundamental para el funcionamiento del sistema nervioso. La entrada del compuesto al centro activo de la enzima induce a su unión covalente a la serina allí presente, lo que inhibe su acción y causa la muerte por parálisis neuromuscular.

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¿POR QUÉ NOS ASFIXIAMOS AL HIPERVENTILAR?

Como hemos visto en la pregunta anterior, las células han desarrollado diferentes mecanismos para poder controlar la actividad de una enzima a través de su inhibición. Lo que resulta esencial para el correcto funcionamiento del metabolismo celular. Sin embargo, la actividad de una enzima también puede verse aumentada por diferentes caminos, y con ello completar las posibilidades de control enzimático.

La posibilidad de que una enzima y su sustrato se encuentren en una disolución y pueda producirse la reacción depende en gran medida de la velocidad de desplazamiento de ambos. Por tanto, a mayor temperatura, mayor velocidad de las partículas y mayor posibilidad de encuentro entre ambas. Dentro de un rango, el aumento de la temperatura produce un aumento de la actividad enzimática, aunque si se excede cierta temperatura, se pone en peligro la integridad de la estructura de la enzima (proceso de desnaturalización discutido en el bloque II). Cuando sufrimos una infección, el organismo necesita producir un gran número de sustancias de defensa. Un aumento de la temperatura (la fiebre) permite aumentar la actividad enzimática de forma generalizada.

El modo más frecuente por el que las células aumentan la actividad de una enzima es a través de la interacción con moléculas alostéricas. Del mismo modo que ocurría con los inhibidores no competitivos, hay moléculas que interaccionan con la enzima a través de un sitio alostérico. Promueven un cambio conformacional en su centro catalítico. Pero en este caso, ese cambio mejora la afinidad de la enzima por el sustrato, lo que implica una disminución aparente de la Km de la enzima. La forma más eficiente que tienen las enzimas para mejorar su función alostérica se produce cuando actúan varias juntas en un único complejo multienzimático. Como ya explicamos, una enzima es una proteína, normalmente formada por una única cadena polipeptídica que adquiere cierta estructura terciaria en el espacio. En los complejos multienzimáticos, varias de estas enzimas se asocian, lo que permite mejorar su actividad. Cada una de las proteínas que forman el complejo recibe el nombre de subunidad, y pueden ser iguales o diferentes entre sí. Uno de los ejemplos más conocidos y característicos del control enzimático asociado a estos multímeros de proteínas es el caso de la hemoglobina de la sangre.

En el interior de los glóbulos rojos existe un complejo multienzimático denominado hemoglobina. En los seres humanos adultos está formado por cuatro subunidades globulares, dos llamadas α y dos β, formadas mayoritariamente por α-hélices. Tanto la subunidad α como la β tienen la misma función, y portan en su centro activo un átomo de hierro en su forma reducida (Fe2+) que se encuentra coordinado a seis átomos diferentes. Está unido a los cuatro átomos de nitrógeno de los anillos porfirínicos del grupo hemo, que actúa como coenzima. Además, el átomo de hierro también se fija directamente a la enzima a través de otro enlace de coordinación formado con la histidina de la posición 93. En ausencia de oxígeno, el sexto enlace de coordinación se produce con una molécula de agua del medio. Cuando entra una molécula de oxígeno al centro activo, desplaza a la molécula de agua, que queda asociada al hierro. Además, otra histidina localizada también en el centro activo (posición 64), es capaz de acomplejarse al otro extremo de la molécula de oxígeno, por lo que queda atrapado en el interior de la enzima. Aunque el hueco destinado a albergar la molécula de oxígeno es altamente específico, existen otras moléculas que son capaces de acceder y asociarse al sexto enlace del hierro. El monóxido de carbono (CO), por ejemplo, es una molécula mimética del O2, que presenta una estructura y distribución electrónica muy parecida. Sin embargo, el enlace de coordinación entre el CO y el hierro es mucho más fuerte, ya que los electrones del átomo de carbono son más fáciles de desplazar al enlace. Al ser inhalado, el CO es disuelto en la sangre de los capilares que rodean los alveolos, donde se une a las moléculas de hemoglobina, e impiden la unión del O2 que pueda estar presente. Pero, además, como la unión es prácticamente irreversible, cada vez quedan menos moléculas de hemoglobina libres, lo que se traduce en la incapacidad de transportar eficazmente el oxígeno y por tanto en asfixia.

La unión del oxígeno al hierro implica un desplazamiento de algunos aminoácidos presentes en el bolsillo, lo que deriva en un cambio conformacional de toda la proteína. Esta conformación se denomina forma oxidada (OXI o forma R), en contraposición con la forma no oxidada que presenta la subunidad que no tiene oxígeno unido (forma DESOXI o forma T). Cuando una de las subunidades del tetrámero une oxígeno y adquiere la conformación OXI, las subunidades adyacentes que no han unido aún oxígeno, adquieren una conformación que aumenta notablemente su capacidad de unir oxígeno. Cuando una segunda subunidad atrapa el oxígeno, aumenta aún más la afinidad en las subunidades que aún no han unido. Estos cambios en la conformación de las subunidades, que modulan la actividad de todo el complejo, reciben el nombre de alostéricos. Cuando la hemoglobina se encuentra en los alveolos, el cambio alostérico a la conformación OXI, inducido por la entrada de algunas moléculas de oxígeno, produce que en pocos milisegundos todos sus centros de unión estén ocupados por el oxígeno, diciéndose que la proteína está saturada de sustrato. Sin embargo, una vez abandona los pulmones, ¿cómo sabe dónde ha de soltar ese oxígeno?

Efecto alostérico en la hemoglobina. En los alveolos, la unión de una molécula de O2 a una subunidad de hemoglobina hace aumentar la afinidad de las subunidades adyacentes, que adquieren la conformación OXI. En los tejidos, la bajada del pH y la unión del ion bicarbonato al extremo N-terminal de las subunidades de hemoglobina cooperan para liberar el O2 e inducir la conformación DESOXI.

Aunque hay más, dos son fundamentalmente los estímulos que de forma coordinada permiten a la hemoglobina soltar las moléculas de oxígeno que porta: un entorno a pH ácido y una elevada concentración de CO2. El proceso de oxidación de la materia orgánica para obtener energía y que necesita del aporte de oxígeno para realizarse está mediado fundamentalmente por reacciones de descarboxilación que implican la liberación de CO2. De esta forma, el lugar donde hace falta oxígeno es donde más se produce CO2. Cuando la concentración de este gas aumenta en la sangre que baña un tejido, este reacciona con el agua mediante una enzima muy abundante en los glóbulos rojos llamada tradicionalmente anhidrasa carbónica para formar ácido carbónico (H2CO3), que se encuentra en equilibrio con su forma desprotonada de ion bicarbonato (HCO3-) y aumenta la concentración de protones (H+) y baja el pH. El ion bicarbonato viaja por la sangre hasta los alveolos, donde se descompone en CO2 y H2O. Además, este transporte del bicarbonato por la sangre es facilitado por su reacción con los grupos amino terminales (-NH3+) de las cadenas polipeptídicas α y β de la hemoglobina, formando un grupo carbamato (-NH-COO-). Esto desestabiliza la enzima por intromisión de una carga negativa donde existía una positiva, y promueve que adquiera su configuración DESOXI. Como fruto de esta reacción de carbamación, también se produce liberación de protones, lo que ayuda a disminuir aún más el pH en ese lugar. Esta disminución del pH produce un cambio de cargas en determinados grupos químicos de los aminoácidos que forman la hemoglobina, y por consiguiente su estructura se ve alterada, refuerza la conformación DESOXI y pierde totalmente su afinidad por el oxígeno. Cuando la hemoglobina vuelve al alveolo, la alta saturación de oxígeno induce a la rápida oxidación del grupo carbamato a su forma CO2 y es exhalado. Esta capacidad del pH de alterar la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno se conoce como efecto Bohr.

Un efecto curioso, relacionado con esta capacidad de modulación alostérica que presenta la hemoglobina, es el derivado del proceso de hiperventilación. Mediante el cual se acelera la exhalación y se favorece una eliminación excesiva del CO2. Como consecuencia del bajo nivel de CO2 en los tejidos y del alto pH derivado, la hemoglobina no puede adquirir la configuración DESOXI y el oxígeno no puede ser liberado, lo que produce, al contrario de lo que se podría pensar, la asfixia momentánea (desmayo). En esos casos, la situación se normaliza al respirar dentro de una bolsa, ya que así recuperamos el CO2 expulsado que, en cierta medida, necesitamos.

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¿SE PUEDE VIVIR DE LAS PIEDRAS?

Hace unos 3750 millones de años, el planeta Tierra era muy diferente al de hoy día, fundamentalmente por la ausencia de vida. Era un planeta inerte, en cuya superficie abundaba el agua y un gran número de moléculas reducidas, es decir, moléculas abundantes en electrones ricos en energía. Como el óxido de hierro (II) (FeO), que abundaba en los océanos de aquel tiempo y que debía darles un color verde muy diferente al actual. De las dorsales oceánicas y de los volcanes de la superficie emanaban grandes cantidades de gases como amoniaco (NH3) o ácido sulfhídrico (H2S). Todas estas moléculas tienen electrones que ocupan capas altas dentro de la corteza de determinado enlace y pueden descender a capas menos energéticas de otro. Las reacciones en las que hay intercambio de electrones entre moléculas se denominan de oxidorreducción (redox), y se caracterizan por presentar un reactivo que dona el electrón (agente reductor) y otro que lo acepta (agente oxidante). Tras el proceso de intercambio, de aquel que ha recibido el electrón se dice que se ha reducido, y de aquel que lo ha perdido de dice que se ha oxidado.

Cuando en una reacción redox el electrón pasa de un nivel energético superior a uno inferior, se desprende energía, y si por el contrario el electrón asciende a niveles superiores, se necesita un aporte externo de energía para que la reacción pueda ocurrir. Aprovechar la energía almacenada en los electrones presentes en las moléculas de la tierra primitiva, fue la clave de la aparición de las primeras formas de vida complejas, las primeras bacterias. Estos organismos, denominados quimiolitotrofos, son capaces de extraer energía desde los minerales, como por ejemplo el FeO. En esta molécula, el hierro dona dos electrones al enlace, lo que se representa como Fe2+ (ya que el átomo está parcialmente carente de dos cargas negativas). En determinadas circunstancias, un tercer electrón del átomo de hierro puede ser donado para generar una forma más oxidada del elemento (Fe3+; forma compuestos como por ejemplo el óxido de hierro (III), Fe2O3). Las primeras bacterias desarrollaron una serie de complejos multiproteicos, localizados en la membrana plasmática, capaces de captar ese electrón donado por el hierro y cederlo de un complejo a otro, por lo que reciben el nombre de cadena transportadora de electrones. Así, en cada uno de los saltos, el electrón pierde parte de la energía que tenía hasta que el último complejo de la cadena dona el electrón a una molécula soluble que recibe el nombre de aceptor final. La energía liberada por el salto del electrón a un orbital de menor energía, localizado en el centro activo de cada complejo, induce a un fuerte cambio conformacional que se traduce en la translocación de un protón (H+) desde el interior de la bacteria hacia el exterior. De esta forma, mientras está activa la cadena, se produce una acumulación importante de cargas positivas a un lado de la membrana, lo que supone la acumulación de energía potencial eléctrica. Es decir, el aumento de la diferencia de potencial a ambos lados de la membrana hace que la entrada de H+ al interior celular sea energéticamente favorable, de forma similar al agua acumulada en los embalses que al ser liberada es capaz de transformar la energía potencial, gravitatoria en ese caso, en el movimiento de las palas de una dinamo. Así, el segundo gran invento que tuvieron que desarrollar nuestros antepasados más antiguos para conseguir obtener energía del embalse de protones fue la dinamo.

Esta dinamo, denominada H+-ATPasa, consiste en un gran complejo formado por más de una decena de proteínas, organizadas en tres regiones bien diferenciadas. Varias de estas proteínas se agrupan para formar un canal a través de la membrana, y es a través de ese canal por donde los protones entran a favor de gradiente. Los protones que recorren el canal llegan a una parte del complejo denominada tallo. Aquí, el choque de los protones acelerados inducen a que estas proteínas giren y actúen como las palas de la dinamo. Finalmente, en la parte del complejo más expuesta al interior celular se encuentra la región catalítica, es decir, aquella responsable de transformar la energía del movimiento del tallo en energía química, concretamente en adenosín trifosfato (ATP). El movimiento inducido en esta región ayuda a la formación de un enlace anhidro ácido entre un grupo de fosfato inorgánico (PO43-) y una molécula de adenosín difosfato (ADP). La energía acumulada en los electrones de ese enlace es utilizada en prácticamente todas las reacciones químicas celulares que necesitan un aporte energético, y por ello el ATP es considerado la moneda energética de la célula.

Sin embargo, la cantidad de materia reducida accesible a estos primeros organismos fue desapareciendo de tal forma que la vida tuvo que encontrar rápidamente otra fuente alternativa de electrones de alta energía, y qué mejor idea que usar la luz del Sol. Las primeras bacterias que aprendieron a usar esta fuente de energía habían desarrollado previamente una serie de moléculas que les protegieron de la radiación ultravioleta, que, como ya fue tratado, afecta gravemente a la integridad del ADN. Estas moléculas, llamadas pigmentos, tienen la peculiaridad de poder absorber la energía asociada a las radiaciones electromagnéticas de determinadas longitudes de onda. Esto ocurre gracias a la excitación de un electrón de su estructura, que salta de la molécula y busca orbitales más energéticos. La asociación de esos pigmentos a un complejo proteico asociado a la membrana, llamado genéricamente como fotosistema, permite donar el electrón energizado por la luz a una cadena transportadora de electrones, asociada a su vez a una H+-ATPasa. Sin embargo, el pigmento oxidado por acción de la radiación pierde su capacidad de donar más electrones. Para recuperar ese electrón donado por el pigmento a la cadena transportadora, estos organismos continúan empleando los electrones de compuestos inorgánicos reducidos, como el H2S. De ahí que se denominen organismos fotolitotrofos.

Sistemas de obtención de energía. La fuente de energía necesaria para acumular protones (H+) puede proceder de la materia inorgánica reducida (quimiolitotrofos), energía solar (fotoautótrofos) o materia orgánica (quimiorganotrofos).

Hace algo más de 2 500 millones de años, algunas de estas bacterias desarrollaron el que ha sido posiblemente uno de los mayores ingenios de la vida: un complejo proteico capaz de transferir electrones de las moléculas de agua al pigmento. El complejo rompedor del agua, como puede ser llamado, cataliza la siguiente reacción:

2 · H2O → 4 · H+ + O2↑

Este complejo fue el responsable de la aparición en nuestro planeta del oxígeno molecular (O2), y con ello convirtió a estos organismos en responsables del mayor cataclismo atmosférico de la Tierra hasta la fecha. Los estromatolitos, conglomerados de miles de millones de bacterias que realizan la fotosíntesis oxigénica, colonizaron las zonas poco profundas de los océanos, e inundaron el mar de oxígeno. El gran poder oxidante de este gas acabó por eliminar gran parte del material reducido de la corteza, y con ello exterminó a la inmensa mayoría de organismos que existían hasta ese momento. Sin embargo, este colapso de las formas de vida anaeróbicas, es decir, que viven en ausencia de oxígeno, derivó en la expansión de otras formas de vida (aeróbicas), además de terminar de dar al mar su precioso color azul por la eliminación de todo el FeO. La gran abundancia de luz y agua en la superficie del planeta permitió la rápida acumulación de ingentes cantidades de materia orgánica reducida, de organismos fotoautrótofos, una gran cantidad de jugosa, sabrosa y nutritiva materia orgánica. Así que no es de extrañar que, como consecuencia de esta abundancia, no tardaran en aparecer formas de vida que aprendieron a aprovechar la energía acumulada en los electrones de estas moléculas reducidas para donar a su cadena transportadora. En efecto, los organismos quimioorganotrofos son aquellos que obtienen la energía al oxidar la materia orgánica mediante diferentes reacciones químicas en cadena (rutas metabólicas). Determinados compuestos ricos en electrones son obtenidos de estas reacciones, como el NADH o el FADH2. Estas moléculas donan su poder reductor a la cadena transportadora de electrones, cuyo aceptor final, por su alto carácter oxidante y relativa abundancia, pasó a ser el O2. La acción oxidante de estos organismos reductores agota la energía acumulada en la materia orgánica y la transforma nuevamente en materia inorgánica completamente oxidada. Esta materia inorgánica volverá a ser empleada por los fotoautótrofos para ser enriquecida de electrones. De esta forma, la vida establece un ciclo que permitirá mantener la fuente de materia y energía mientras la radiación solar continúe llegando a la Tierra.

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¿LAS PLANTAS Y LOS ANIMALES COMEN LO MISMO?

Toda la actividad de los organismos vivos está gobernada por las proteínas. Estas sorprendentes nanomáquinas pueden realizar infinidad de funciones diferentes, desde replicar el genoma hasta mover un músculo. Aunque algunas proteínas no necesitan gastar energía para realizar su función, muchas otras catalizan reacciones endotérmicas que sí necesitan un aporte energético externo. Las células almacenan la energía que estas proteínas necesitan en forma de enlaces químicos. Aunque todos los enlaces presentes en la materia orgánica tienen cierto nivel energético, existen algunos enlaces especialmente ricos en energía, y por ello son usados por los organismos vivos como almacén energético. La energía liberada por la rotura de estos enlaces y la caída de los electrones que los forman a orbitales menos energéticos pueden ser aprovechadas por las proteínas para realizar ese tipo de reacciones endotérmicas. Entre los enlaces más energéticos empleados por la célula, está el enlace anhidro (formado por la eliminación de agua) de los grupos fosfato (PO43-). Estos enlaces son característicos de unas moléculas denominadas nucleótidos trifosfato que, como ya se comentó anteriormente, son responsables de mantener y transportar la energía dentro de la célula. Estas moléculas se caracterizan por presentar tres enlaces anhidroácidos (denominados α, β y γ) que mantienen asociados tres grupos fosfato al azúcar del nucleótido. En las células, los enlaces que más frecuentemente son hidrolizados en los procesos de intercambio energético son el β y el γ. A pesar de que la hidrólisis del enlace β es más energética (45,6 kJ/mol), es la formación/hidrólisis del enlace γ el que presenta mayor relevancia bioquímica. De hecho, la hidrólisis del enlace γ del trifosfato de adenosina (adenosín trifosfato, ATP) es el máximo responsable de los requerimientos energéticos celulares de todos los organismos vivos conocidos, dando como producto (adenosín difosfato) ADP, fosfato inorgánico (Pi) y 30,5 kJ/mol de energía.

La energía del enlace que une un grupo fosfato a una molécula depende de la naturaleza del átomo enlazado y del contexto químico de este, es decir, de los enlaces que forma el átomo al que se enlaza. Así, cuando un grupo fosfato está unido a una molécula orgánica a través de un carbono y se producen alteraciones en los enlaces próximos a este último, la energía del enlace del fosfato puede verse alterada. Cuando la energía almacenada en este enlace es superior que la del enlace anhidro ácido γ, ciertas enzimas son capaces de aprovechar esta energía para transferir el fosfato al ADP y formar una molécula de ATP. Este es el caso, por ejemplo, del enlace que forma el grupo fosfato en el fosfoenolpiruvato (PEP). La formación de este compuesto, portador de un enlace de alta energía (61,2 kJ/mol), se consigue mediante una serie de reacciones químicas sobre el 3-fosfoglicerato, donde el fosfato presenta mucha menos energía de enlace. La piruvato kinasa es una enzima capaz de transferir el fosfato desde el PEP a una molécula de ADP, y de esta forma almacenar esta energía hasta que el enlace γ formado sea hidrolizado por otra enzima. El proceso por el que las moléculas donan grupos fosfatos al ADP para formar ATP se denomina fosforilación a nivel de sustrato, y posiblemente representa la forma más extendida entre los organismos vivos de obtener energía. Sin embargo, no la más eficaz.

Fosforilación a nivel de sustrato. La deshidratación del 2-fosfoglicerato produce un aumento de la energía del enlace fosfato. Este fosfato rico en energía es cedido a una molécula de ADP para formar ATP y piruvato.

Hoy creemos que la aparición de las primeras formas de vida compleja, las primeras bacterias, está ligada al desarrollo de la maquinaria molecular capaz de realizar la fosforilación oxidativa para obtener ATP, un método de obtención de energía mucho más eficaz que la fosforilación a nivel de sustrato. Este método representó tal éxito que prácticamente todas las formas de vida lo han adoptado como principal modo de obtención de energía celular. Aunque entre los organismos existen algunas diferencias en los componentes moleculares implicados en la fosforilación oxidativa, muchos de los metabolitos y complejos proteicos están conservados en la evolución. Este proceso de obtención de ATP puede resumirse en tres pasos. Todo comienza con la obtención de poder reductor. Es decir, obtener determinados metabolitos que portan electrones ricos en energía. En algunas reacciones metabólicas, los productos sufren un proceso de oxidación que conlleva la transferencia de electrones a otra molécula. Una de estas moléculas, responsable de captar los electrones extraídos de compuestos reducidos, se denomina nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+, forma oxidada del NAD) y realiza esta función en todos los organismo vivos conocidos. En la segunda fase de la fosforilación oxidativa, los electrones contenidos en el NADH (forma reducida del NAD) u otros metabolitos cargados de electrones (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato, NADPH o flavín adenín dinucleótido, FADH2) son transferidos a un grupo de complejos multiproteicos, localizados siempre en una membrana, denominados cadena transportadora de electrones, que en el caso de las células eucariotas se localiza en la membrana de las mitocondrias. Los electrones donados a un componente de la cadena son transferidos de un complejo a otro hasta un aceptor final que en la mayoría de los casos será el oxígeno (O2), aunque los organismos anaerobios utilizan otras moléculas, como derivados de hierro oxidado (Fe3+). Durante el recorrido, los electrones saltan a orbitales de enlace cada vez menos energético, y cada complejo aprovecha la energía liberada para translocar protones (H+) de un lado al otro de la membrana en contra de gradiente. Los protones almacenados en un lado son liberados a través de otro complejo multiproteico denominado H+-ATPasa. Este complejo es capaz de aprovechar la energía de salida de cuatro protones para inducir la formación de un enlace γ entre un fosfato inorgánico y el ADP.

Es importante remarcar que la fosforilación oxidativa es el principal método de obtención de ATP en todas las células eucariotas aeróbicas, es decir, que viven en presencia de oxígeno. Incluidas claro está las plantas. La célula vegetal puede realizar dos procesos de fosforilación oxidativa diferentes. Utiliza para ello dos cadenas transportadoras de electrones y dos H+-ATPasas diferentes. Un sistema está localizado en la membrana del tilacoide (pequeñas vesículas dentro del cloroplasto, orgánulo exclusivo de las células vegetales), donde se realiza la fotosíntesis. Aquí, la energía aportada por la luz permite excitar un electrón de la clorofila y pasarlo a la cadena transportadora. El ATP y el poder reductor producido es empleado para crear materia orgánica reducida, concretamente azúcares. Estos azúcares abandonan el cloroplasto y parte de ellos, en el citoplasma, son metabolizados para obtener poder reductor. El NADH y otros metabolitos reducidos son transportados al interior de la mitocondria, donde tiene lugar la segunda fosforilación oxidativa. De esta forma, animales y plantas utilizan el mismo combustible para obtener la energía, la materia orgánica reducida, fundamentalmente azúcares. Y por eso decimos que animales y plantas son organotrofos (heterótrofos y autótrofos respectivamente).

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¿CÓMO LA LUZ ALIMENTA A LAS PLANTAS?

Hace miles de millones de años, los organismos vivos desarrollaron un mecanismo fascinante, capaz de transferir la energía asociada a la radiación electromagnética procedente del Sol al enlace rico en energía del ATP. Este proceso, que se denomina fotoxidación, de forma general ha sido conservado desde estos primeros organismos fotosintéticos hasta nuestras plantas actuales. Aunque hay algunas diferencias en los componentes implicados, por falta de espacio, aquí nos vamos a concentrar en la forma de fotosíntesis más extendida hoy día en el planeta, que es la que ocurre en las plantas y las algas verdes.

Cuando la luz incide sobre los cloroplastos se produce la excitación de los fotosistemas que allí se encuentran. Los fotosistemas son complejos asociados a la membrana del tilacoide, formados por pigmentos asociados a proteínas y a la membrana (unas cincuenta moléculas de caroteno y unas doscientas de clorofila a o b). Estos pigmentos forman el denominado complejo antena, ya que son los primeros en captar la energía solar. Los pigmentos son moléculas que presentan en su estructura dobles enlaces conjugados, donde se encuentran los electrones susceptibles de ser excitados por la luz (en orbitales de enlace tipo π). Al incidir fotones con suficiente energía en uno de los pigmentos del complejo antena, sus electrones son excitados, y alcanzan niveles energéticos superiores. La caída del electrón a su estado basal va acompañada de una liberación de energía que es capaz de inducir la excitación de un electrón presente en otra molécula de pigmento adyacente en el complejo. Esta forma de aprovechar la energía desprendida de la caída de un electrón para inducir la excitación de otro recibe el nombre de transferencia por resonancia, en contraposición con la transferencia electrónica, en la que el electrón excitado salta a otra molécula e induce a la oxidación del pigmento. Los pigmentos del complejo antena transfieren la energía de los fotones por resonancia hasta alcanzar una molécula de clorofila que se encuentra en el denominado centro de reacción del fotosistema. En el fotosistema II, esta clorofila recibe el nombre de P680, ya que es capaz de ser excitada cuando el complejo antena es expuesto a radiaciones de hasta 680 nm. Por su parte, el fotosistema I es sensible hasta los 700 nm. A diferencia de los otros pigmentos del fotosistema, cuando los electrones de esta clorofila del centro de reacción son excitados, saltan mediante transferencia electrónica a una molécula localizada en la membrana. Como consecuencia de la pérdida de este electrón, la clorofila queda oxidada e incapacitada para donar más electrones, lo que obligaría a reponer la molécula para que el sistema pudiera continuar operando. Sin embargo, estos organismos son capaces de extraer electrones del agua a través de una compleja estructura formada por cuatro iones de magnesio (Mg2+) localizada en el complejo rompedor del agua y donarlos a la clorofila P680, localizada en el fotosistema II. Como resultado de esta reacción conocida como fotolisis del agua, se produce la translocación de dos protones al interior del tilacoide y se forma oxígeno (O2), por lo que este tipo de fotosíntesis recibe el sobrenombre de oxigénica. Algunos microorganismos anaerobios, como las bacterias purpúreas o las algas verdes del azufre, utilizan donadores de electrones distintos del agua, concretamente ácido sulfhídrico (H2S), y no producen oxígeno (fotosíntesis anoxigénica).

La clorofila del centro de reacción P680 dona los electrones a una molécula localizada en la membrana, llamada feofitina a, que a su vez los cede a las plastoquinonas (a y b). Todas estas moléculas están asociadas a proteínas de este fotosistema II. La plastoquinona b es sustrato de un complejo de proteínas y cofactores denominado citocromo b6f, que realiza dos funciones. Por un lado, dona los electrones procedentes del fotosistema II a una proteína soluble en el interior del tilacoide, acomplejada a un átomo de cobre (Cu), llamada plastocianina. Por otro lado, por cada electrón que dona a la plastocianina, introduce dos protones (H+) en el tilacoide. Cuando los fotones de una radiación de hasta 700 nm inciden sobre el complejo antena del fotosistema I, las dos moléculas de clorofila P700, localizadas en su centro de reacción, sufren un proceso de fotoxidación similar al que ocurre en el fotosistema II, donando los electrones excitados mediante varias moléculas intermediarias a una proteína de la membrana denominada ferredoxina. Para recuperar la capacidad reductora de las clorofilas del centro de reacción P700, la plastocianina dona los electrones recibidos del fotosistema II, lo que permite que esta proteína quede oxidada y pueda volver a recibir electrones desde el complejo citocromo b6f. Los electrones recibidos por la ferredoxina son donados a una molécula de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP+) que queda reducida a su forma NADPH. Esta molécula es la responsable de custodiar y transportar esos electrones ricos energía, que podrán ser utilizados para realizar diferentes reacciones de oxidorreducción, fundamentalmente participando en la fijación de CO2 atmosférico.

El proceso de fijación de CO2, que permite la creación de materia orgánica además del poder reductor aportado por el NADPH, necesita gran cantidad de energía, concretamente en forma de ATP. Este ATP es producido por un complejo enzimático denominado H+-ATP-sintetasa, que realiza una reacción que se denomina de forma genérica como fosforilación oxidativa, o en este caso fotofosforilación. Este complejo es capaz de aprovechar los protones almacenados en el interior del tilacoide para producir ATP a partir de ADP y fósforo inorgánico (Pi).

Los fotosistemas. En la imagen se representa el recorrido de los electrones a través de los fotosistemas I y II. La plastocianina, proteína soluble, transfiere los electrones hasta el fotosistema I, donde se sintetiza el poder reductor NADPH. Además, los protones acumulados en el interior del tilacoide, por acción del complejo citocromo b6f, son empleados por la H+-ATPasa para producir la energía química necesaria.

El conjunto de reacciones químicas responsables de fijar el CO2 y formar materia orgánica recibe el nombre de ciclo de Calvin-Benson (en honor a sus descubridores). Estas reacciones tienen lugar en el estroma de los cloroplastos, donde se encuentra el complejo enzimático responsable de catalizarlas, denominado ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa-oxigenasa (RuBisCO). La RuBisCO es la proteína con capacidad catalítica más abundante en el planeta. La reacción se inicia con el proceso de fijación de una molécula de CO2 a una lisina del centro activo en forma de grupo carboxilo (-COO-), que rápidamente es cedido a una molécula de cinco carbonos denominada ribulosa-1,5-bifosfato. Como resultado se obtiene un compuesto inestable de seis carbonos que se rompe y forma dos moléculas de 3-fosfoglicerato (3-PG). Mediante la hidrólisis de una molécula de ATP, el 3-PG es fosforilado en el carbono 1, forma el 1,3 difosfoglicerato (1,3-dPG). A continuación se produce la fase de reducción del carbono incorporado mediante el gasto del NADPH obtenido por el fotosistema I. Esta reducción del 1,3-dPG da como resultado gliceraldehido-3-fosfato (G3P), y se libera un fosfato inorgánico. Dos moléculas de G3P se asocian para formar fructosa-6-fosfato, que a través de la acción de las enzimas fosfohexosa isomerasa y hexokinasa se transforma en glucosa. Parte de las moléculas de G3P que no son empleadas en la formación de la glucosa mediante una serie de reacciones intermediarias dan como resultado ribulosa-5-fosfato. La adición de un fosfato obtenido de la hidrólisis de una molécula de ATP permite la formación nuevamente de la ribulosa-1,5-bifosfato. De esta forma, se regenera el primer metabolito del ciclo y permite que pueda fijarse una nueva molécula de CO2.

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AL COMER UN CARAMELO, ¿CÓMO EXTRAEMOS LA ENERGÍA QUE CONTIENE?

Los hidratos de carbono suponen la fuente fundamental de energía para la inmensa mayoría de los organismos vivos del planeta. En especial la -D-glucosa ha sido escogida entre los demás como combustible predilecto de las células. De hecho, hace miles de millones de años, los primeros organismos vivos desarrollaron una serie de reacciones para conseguir extraer energía de la glucosa, y hoy día, aunque con pequeñas variaciones, son utilizadas por nuestras propias células. Esta serie de diez reacciones se conoce como ruta metabólica de la glucólisis. La antigüedad de esta ruta catabólica hace que ocupe una posición central en el entramado metabólico general de prácticamente todos los organismos vivos, ya que a partir de ella, de sus metabolitos intermediarios y sus productos la evolución ha generado diferentes ramificaciones, ha aprendido a aprovechar al máximo las propiedades bioenergéticas de esta preciada molécula.

La glucosa es una molécula muy soluble en agua por el alto número de grupos hidroxilos (-OH) que presenta. Además, la ausencia de cargas en su estructura y su pequeño tamaño hacen relativamente fácil su entrada en la célula, proceso que ya fue estudiado con anterioridad. Por la naturaleza de este transporte (sin gasto de energía), la glucosa necesita estar en mayor concentración en el exterior que en el interior celular para poder entrar, ya que, de lo contrario, el transportador expulsaría la hexosa hacia el exterior. Para garantizar que en el interior celular no se acumula la glucosa, rápidamente es fosforilada en su carbono 6 por una enzima llamada hexoquinasa. Esta enzima es capaz de pasar un grupo fosfato desde una molécula de ATP hasta la glucosa. Normalmente, esta enzima presenta un bajo valor de Km que, como ya explicamos, significa que presenta mucha afinidad por el sustrato. De esta forma, aunque sean muy pocas las moléculas de glucosa que entren a la célula, estas son fosforiladas por la quinasa. Esto impide que esta nueva molécula, denominada glucosa-6-fosfato (G6P), pueda abandonar la célula, debido a la ausencia de transportadores para ella. Una vez garantizado que la glucosa no podrá huir, la G6P es transformada en su isómero fructosa-6-fosfato (F6P) mediante una reacción catalizada por la fosfoglucoisomerasa. Este cambio en el grupo carbonilo del azúcar promueve que sea menos costoso, energéticamente hablando, unir otro grupo fosfato a la molécula, concretamente en el carbono 1. Esta reacción, que requiere del gasto de otra molécula de ATP, es catalizada por la enzima denominada fosfofructoquinasa 1 (PFK-1), para dar como producto fructosa-1,6-bisfosfato (FBP). La PFK-1 es la máxima responsable de controlar toda la ruta de la glucólisis, y por tanto, del control de todo el metabolismo de carbohidratos de la célula. Está formada por varias subunidades, las cuales pueden variar de unos tipos celulares a otros. En el músculo de los mamíferos, un tejido altamente glucolítico, puede encontrarse en forma de homodímero o de homotetrámero (dos o cuatro subunidades iguales), de tal forma que puede aumentar su eficacia por el efecto alostérico entre sus subunidades. Existen tres compuestos activadores de la PKF-1, el más potente de ellos es la fructosa 2,6 bifosfato (F26P), un derivado de la F6P cuya síntesis puede ser regulada hormonalmente. Por su parte, entre los inhibidores más potentes para la enzima está el ATP. Aunque es uno de los sustratos de la reacción que cataliza, la enzima presenta un bolsillo alejado del centro activo donde puede también unirse el ATP, aunque con mucha menos afinidad. La unión del ATP a este segundo bolsillo, que solo ocurre cuando se encuentra en altas concentraciones, induce a un cambio conformacional en la proteína, reduciendo su afinidad por la F6P. De esta forma, a altas concentraciones de ATP dentro de la célula se produce una parada de la ruta de la glucólisis exactamente en este punto. Se acumulan los metabolitos precedentes, los cuales necesitan, como acabamos de ver, ATP para ser formados. A partir de este punto, la ruta procede a recuperar, y con creces, la energía invertida en la formación de la FBP, y por tanto parece lógico que sea la reacción catalizada por la PFK-1 la responsable de estancar el flujo de la ruta en caso de no necesitar ATP.

La FBP, que solo se forma si la célula necesita ATP, es fragmentada en dos triosas fosfato por acción de la enzima conocida como aldolasa. Una de las triosas obtenidas, (dihidroxiacetona fosfato, DHAP) es transformada en la otra (gliceraldehido-3-fosfato, G3P) por acción de una isomerasa. G3P es la molécula que continúa la ruta en lo que se denomina fase de generación de energía de la glucólisis. El G3P es sustrato de la enzima G3P-deshidrogenasa (GPDH), que es capaz de unirle un fósforo inorgánico (PO43-) para formar un grupo acil-fosfato en la molécula, que pasa a denominarse 1,3-bisfosfoglicerato (BPG). Para poder realizar esta reacción, la GDPH utiliza como coenzima un NAD+, necesario para poder recoger los electrones liberados por la oxidación del G3P. Ahora, por la acción de la fosfoglicerato quinasa (PGK), ese grupo fosfato salta a una molécula de ADP, y produce la primera fosforilación a nivel de sustrato de la ruta. Hay que recordar que la FBP fue fragmentada y que, por tanto, los dos ATP gastados en su obtención son aquí recuperados, ya que dos moléculas de BPG pueden ser utilizadas y producir dos de ATP. Tras la pérdida del fosfato, catalizada por la PGK, se obtiene 3-fosfoglicerato (3PG). A continuación, se suceden dos reacciones, catalizadas secuencialmente por las enzimas fosfoglicerato mutasa (isomerización) y enolasa (deshidratación). Gracias a las modificaciones sobre el 3PG, estas enzimas forman un compuesto altamente energético denominado fosfoenolpiruvato (PEP), donde el grupo fosfato queda unido a la molécula por un enlace de alta energía que va a ser aprovechado por la piruvato quinasa (PK) para realizar la segunda fosforilación a nivel de sustrato y obtener ATP. Recordemos nuevamente que por cada glucosa que entró en la ruta, dos moléculas de PEP pueden ser catabolizadas, obteniéndose un ATP por cada una de ellas. La PK es una proteína multimérica que, de forma similar a la PFK-I, es inhibida por ATP, representa el segundo punto importante de control de la ruta. Con la eliminación del fosfato del PEP, se obtiene el piruvato, que pone fin al proceso.

La glucólisis. Las diez reacciones que componen esta ruta catabólica pueden dividirse en dos fases: de inversión de energía (fondo claro) y de generación de energía (fondo oscuro). Obsérvese que a partir de la rotura del FBP, la estequiometría de la ruta hay que multiplicarla por dos. Se indican los dos pasos con regulación más importante de la ruta (R).

El balance global del proceso de la glucólisis puede ser resumido con la siguiente ecuación:

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

Este primitivo método de obtención de energía genera un compuesto que aún conserva gran parte de la energía que contenía la glucosa: el piruvato. Como veremos en los siguientes apartados, esta molécula tiene un papel muy importante en el metabolismo energético, para lo que existen diferentes rutas capaces de exprimir casi totalmente toda su energía. A pesar de la poca eficiencia energética de esta ruta, sin estas diez reacciones nuestras células serían incapaces de obtener energía de un caramelo.

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¿A QUÉ SE DEBE QUE EL PAN TENGA MIGA?

Como acabamos de ver, la descomposición de la glucosa por la ruta de la glucólisis permite a los organismos vivos obtener energía en forma de ATP. Concretamente dos moléculas por cada glucosa que entra en la ruta. Sin embargo, para que la glucólisis pueda funcionar y aportar la energía vital que la célula necesita, tiene que haber suficiente NAD+ como para poder recibir los electrones procedentes del gliceraldehido-3-fosfato (G3P). En definitiva, se necesita mantener oxidado el interior celular para que la glucólisis no se detenga. Las células han desarrollado diferentes mecanismos que permiten reciclar el NAD+, y ceden los electrones que porta su forma reducida (NADH) a otra molécula.

NADH + X → NAD+ + X-

El método seguido por las células para donar esos electrones depende en gran medida de un único factor: la presencia o no de oxígeno (O2). Los organismos denominados aerobios estrictos, aquellos que solo pueden vivir en presencia de oxígeno, donan los equivalentes de reducción del NADH a una cadena transportadora de electrones, o sea, a una proteína localizada en una membrana. Sin embargo, en aquellos organismos capaces de vivir sin oxígeno (aerobios facultativos o anaerobios) el NADH dona los electrones directamente a otros metabolitos solubles en el citoplasma. Aquí nos vamos a centrar en explicar cómo son estas reacciones de recuperación del NAD+ por metabolitos solubles, que llamamos de forma genérica fermentaciones. Y dejaremos para más adelante el proceso que ocurre en presencia de oxígeno.

La estrategia general para mantener los niveles de NAD+, y activa la glucólisis, consiste en añadir más reacciones al final de la ruta, que consuman el NADH obtenido previamente. Así, el piruvato, producto final de la glucólisis, se convierte en un metabolito clave, ya que, en la mayoría de los casos, sobre él actuarán las enzimas responsables de la fermentación. La forma más simple de fermentación es la que realizan las bacterias del género Lactobacillus. Esta fermentación, que como después veremos también ocurre en nuestro cuerpo, produce la reducción del grupo carbonilo (-CO-) del piruvato para formar lactato (forma ionizada del ácido láctico). La reacción es catalizada por una enzima llamada lactato deshidrogenesa, que transfiere los electrones desde una molécula de NADH al piruvato. Como consecuencia, se reestablece el NAD+ necesario para que otra molécula de G3P pueda degradarse hasta lactato, manteniendo así la ruta activa mientras haya glucosa.

Como consecuencia del metabolismo de estas bacterias, se produce una acumulación de ácido láctico en su entorno, y por tanto una bajada importante del pH, que puede descender por debajo de 4. Pocos organismos son capaces de vivir con tanta acidez, y por eso precisamente el cuerpo humano ha aprendido a utilizar estas bacterias para protegerse. Es el caso de L. acidophilus, que forma la flora vaginal. La presencia de esta bacteria es importante para evitar que otras bacterias u hongos puedan colonizarla y producir infecciones vaginales. Curiosamente, esta misma bacteria que nuestro cuerpo utiliza como microbicida es la que empleamos para hacer el yogur. La leche, al ser rica en glucosa (en forma de lactosa), es un banquete difícil de mejorar para estas bacterias. Al acidificar el medio, las proteínas que contiene la leche sufren un proceso de desnaturalización que, como ya fue explicado, lleva a la precipitación masiva de todas ellas. El conglomerado de todas las proteínas precipitadas de la leche, su grasa y las L. acidophilus que fermentaron la lactosa son lo que llamamos yogur.

Otra forma de fermentación, algo más compleja pero también muy presente en nuestro día a día, es la alcohólica. En este caso, el proceso se inicia con la eliminación del grupo carboxilo (-COO-) del piruvato en forma de CO2 mediante la acción de la piruvato descarboxilasa. Como resultado se obtiene acetaldehído, un compuesto tóxico que rápidamente es reducido para formar etanol (alcohol común). Esta segunda reacción es llevada a cabo por la alcohol deshidrogenasa. Esta enzima oxida una molécula de NADH, pasa sus electrones al grupo aldehído del sustrato y, por tanto, permite recuperar el NAD+ necesario para que la glucólisis no se detenga. El mejor ejemplo de este tipo de fermentación es el que realizan las levaduras, y concretamente Saccharomyces cerevisiae. Este hongo unicelular es utilizado por el ser humano desde hace milenios, tanto para obtener bebidas alcohólicas como para dar miga al pan.

Cuando se prepara la masa del pan, se pone en contacto la levadura con los azúcares presentes en la harina de trigo (almidón triturado). Si la temperatura no es muy baja (la temperatura óptima de crecimiento de las levaduras está entre los 20 y 30 ˚C), las levaduras comenzarán a fermentar, transforman la glucosa en etanol y CO2, que se acumularán dentro de la masa. Cuando posteriormente la masa fermentada es introducida en el horno, el alcohol se evapora, el gas se expande y forma en el interior del pan burbujas más o menos grandes: la miga.

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SIN OXÍGENO NO PODEMOS VIVIR, PERO ¿PARA QUÉ SIRVE?

A medida que la evolución ha aumentado la complejidad de las células, estas cada vez han necesitado de mecanismos más eficaces para obtener energía. Como hemos visto en el apartado anterior, a través del catabolismo de una molécula de glucosa, los organismos anaeróbicos como las bacterias Lactobacillus consiguen obtener dos moléculas de ATP y dos de lactato. Sin embargo, estas moléculas de lactato aún conservan gran parte de la energía contenida en la glucosa. Como ahora veremos, las células más modernas han podido exprimir completamente estas moléculas, al ser capaces de aprovechar mucho más la energía de que disponen. Pero ¿por qué los organismos más antiguos no fueron capaces de aprovecharla? La razón se encuentra en el entorno en el que estos organismos inventaron la ruta de la glucólisis. En aquel tiempo la biosfera era marcadamente reducida, es decir, la mayor parte de las moléculas portaban muchos electrones ricos en energía. En estas circunstancias, los organismos no disponían con facilidad de moléculas que fueran capaces de aceptar los electrones relativamente pobres en energía presentes en algunos metabolitos (como el lactato), y por consiguiente no podían aprovechar la energía asociada a la caída de los electrones. Todo esto cambió con la aparición de la fotosíntesis oxigénica, que inundó de oxígeno (O2) la superficie del planeta. El O2 es una molécula que tiene una gran facilidad para capturar electrones, de ahí que sea un agente altamente oxidante y un buen comburente. Como prácticamente cualquier molécula orgánica presenta electrones susceptibles de saltar al O2 liberando energía, todas ellas son susceptibles de arder (combustionar) en su presencia. En estas nuevas condiciones ambientales, los organismos que sobrevivieron a la gran oxidación pudieron donar los electrones desde esos metabolitos, hasta ahora de desecho, al oxígeno, y con ello aprovechar mucho más eficazmente la energía de que disponían.

El proceso por el cual las células obtienen energía de la oxidación total de la materia orgánica se denomina respiración celular, y fue inventado por los antecesores de nuestras mitocondrias. De ahí que en eucariotas sea donde ocurre todo el proceso. La respiración celular, como toda fosforilación oxidativa, puede ser dividida en tres etapas: primero tiene que producirse la descarboxilación completa del compuesto, es decir, descomponer el metabolito a CO2 y guardar los electrones sobrantes en moléculas específicas. Cuando la glucosa es degradada a piruvato en presencia de oxígeno (glucólisis aeróbica), este último es incorporado a la mitocondria, donde un complejo multienzimático denominado piruvato deshidrogenasa arranca y oxida uno de los tres carbonos de la molécula. Como resultado se obtiene una molécula de CO2 y un compuesto de dos carbonos que es unido en forma de grupo acetilo (H3C-CO-) a una coenzima del complejo, denominada coenzima A (CoA), para formar acetil-CoA. Los electrones obtenidos de esta reacción de descarboxilación son almacenados en la molécula de NADH. En la matriz mitocondrial, el acetil-CoA dona los dos carbonos procedentes del piruvato a una molécula denominada oxalacetato. Este compuesto, el oxalacetato, forma parte de un ciclo metabólico denominado ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs, que representa la encrucijada metabólica más importante de las células eucariotas. Mediante una serie de ocho reacciones consecutivas, los dos carbonos donados por el acetil-CoA al oxalacetato son oxidados completamente para formar otras dos moléculas de CO2 y una de ATP, quedando el oxalacetato regenerado para poder volver a iniciar el ciclo. Además, los electrones arrancados de las moléculas durante el proceso permiten a la célula obtener tres moléculas de NADH y una de FADH2.

En la segunda fase de la respiración, estos intermediarios ceden sus equivalentes de reducción a unas proteínas localizadas en la membrana interna mitocondrial, que reciben el nombre de cadena transportadora de electrones. Está formada por cinco complejos nombrados del I al V y dos proteínas accesorias que ayudan a la transferencia de los electrones a lo largo de la cadena, la coenzima Q (que media entre los complejos I y II y el complejo III) y el citocromo C (que transfiere electrones del complejo III al IV). Los electrones procedentes del NADH son transferidos al complejo I, mientras que el FADH2 los dona al complejo II. Mediante sucesivas transferencias electrónicas de unos componentes de la cadena a otros, se reduce la energía de esos electrones hasta que finalmente el complejo IV (citocromo oxidasa) los dona al O2 para formar H2O. Los complejos respiratorios I, III y IV son capaces de acoplar la energía liberada por la caída del electrón al pasar a la translocación de protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. La acumulación de protones en el espacio intermembrana produce un gradiente electroquímico capaz de generar una fuerza electromotriz.

El ciclo de Krebs. Representación de las ocho reacciones que conforman el ciclo de Krebs. Se muestra el nombre de los metabolitos de la ruta, así como la energía (ATP) y poder reductor (NADH y FADH2) que se obtiene.

En la última fase del proceso de respiración celular esta fuerza electromotriz es empleada para hacer que el complejo V pueda sintetizar ATP. El complejo V o H+-ATPasa, que describimos anteriormente, es capaz de utilizar la energía de regreso a la matriz mitocondrial de cuatro protones a favor de gradiente para crear un enlace de alta energía entre un fósforo inorgánico y un ADP.

Teniendo en cuenta el proceso de respiración que ocurre en la mitocondria, desde una molécula de glucosa se obtiene un total de 10 NADH y 2 FADH2. Al donar estos electrones a la cadena transportadora mitocondrial hasta el oxígeno, la célula obtiene 34 moléculas de ATP que junto con las dos del proceso de glucólisis, hacen un total de 36 enlaces de alta energía, lo que está muy lejos de los dos que obtiene el Lactobacillus al utilizar la misma materia prima.

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¿ES VERDAD QUE RESPIRAR NOS HACE ENVEJECER?

La aparición de la fosforilación oxidativa como sistema para obtener energía a partir de la materia reducida (respiración) sin duda ha supuesto uno de los hitos más importantes en la evolución de los organismos vivos. Sin embargo, la transferencia de electrones entre moléculas puede dar como resultado moléculas aberrantes, que resultan ser tóxicas para el organismo. Estos errores ocurren fundamentalmente cuando existen muchos intermediarios encargados de transportar los electrones, como es el caso de la cadena transportadora de electrones. El complejo IV (citocromo oxidasa), por ejemplo, recibe cuatro electrones de uno en uno desde el citocromo C y los transfiere por pares al O2, reduciéndolo a dos moléculas de H2O. Como el transporte de electrones no es totalmente eficiente (se calcula que un 1 % de los electrones que recorren la cadena transportadora se pierden en el camino), en ocasiones se produce una pérdida de la estequiometría de oxidorreducción, produciendo una reducción solo parcial del oxígeno. Esto genera moléculas altamente inestables (reactivas) que reciben el nombre de especies reactivas de oxígeno (ROS son sus siglas en inglés). Tres son las formas que puede adquirir el O2 cuando es reducido con menos de cuatro electrones: cuando recibe solo un electrón se forma el radical superóxido (O2·-), cuando recibe dos se transforma en peróxido de hidrógeno (agua oxigenada: H2O2) y cuando recibe tres se forma el radical hidroxilo (OH·).

La toxicidad de cada una de estas moléculas está causada por diferentes mecanismos. Por ejemplo, el radical superóxido, en sí mismo, no es tóxico. Sin embargo, puede reaccionar muy fácilmente con otros radicales libres que pueden estar presentes en la célula, como el óxido nítrico (NO). Como ya vimos, esta reacción produce peroxinitrito (OONO-), una molécula capaz de alterar la estructura de las proteínas. Aunque todas estas especies tienen mucha facilidad para interaccionar con otras moléculas, el radical hidroxilo es especialmente peligroso. Daña las membranas celulares debido a la oxidación de los ácidos grasos que la componen, lo que desata un proceso en cadena denominado peroxidación lipídica, que puede llegar a afectar a amplias zonas de la membrana. Además, es capaz de producir diferentes modificaciones sobre las bases nitrogenadas del ADN, siendo uno de los agentes mutagénicos endógenos más importantes.

Aunque la cadena respiratoria mitocondrial es la mayor fuente de ROS en las células, las herramientas para defenderse de estas moléculas surgieron mucho antes que ella. Cuando los organismos con fotosíntesis oxigénica inundaron el planeta con O2, junto a él aparecieron sus especies reactivas, ya que el entorno altamente reducido favorecía el salto de electrones al oxígeno de forma espontánea. Solo aquellos organismos que disponían en ese momento de las moléculas apropiadas consiguieron sobrevivir. Podemos decir que dos son las estrategias seguidas por los organismos aeróbicos para defenderse de estas peligrosas moléculas: bien usando pequeños compuestos orgánicos, bien empleando actividades enzimáticas; en ambos casos se consigue reducir completamente a H2O u oxidarlas nuevamente a O2.

Posiblemente, el compuesto orgánico más importante en todas las células para controlar la presencia de radicales libres en el citoplasma sea el glutatión. Esta molécula, formada por la unión de tres aminoácidos (glutamato-cisteína-glicina), es capaz de donar un equivalente de reducción (un electrón y un protón) al radical de oxígeno. Esto lo consigue gracias a la oxidación del grupo tiol (-SH) presente en la cisteina. La alta inestabilidad del grupo tiol oxidado (-S·) se elimina mediante la unión a otra molécula de glutatión inestable, y da la forma oxidada del compuesto (-S-S-), denominada disulfuro de glutatión. Las células disponen de una enzima denominada glutatión reductasa, responsable de mantener elevados los niveles del glutatión reducido, mediante la cesión de dos equivalentes de reducción procedentes de una molécula de NADPH a las moléculas de glutatión que puedan estar oxidadas.

Otras moléculas muy interesantes son aquellas que protegen las membranas celulares del efecto de peroxidación lipídica comentado anteriormente. El tocoferol, la forma más común de vitamina E en nuestro organismo, o los β-carotenos (derivados de la vitamina A), son moléculas liposolubles que se encuentran disueltas en las membranas, y actúan como cortafuegos cuando aparecen radicales libres en los ácidos grasos del entorno.

Para proteger el exterior celular del daño oxidativo, que podría acarrear alteraciones de los receptores o canales, las células secretan ácido ascórbico (vitamina C), que se oxida fácilmente a ácido dehidroascórbico, cede electrones a los radicales libres y los neutraliza.

El glutatión. A. Estructura de la forma reducida del glutatión. El círculo señala el grupo sulfhídrico responsable de donar el equivalente de reducción. B. Ciclo de óxidorreducción del glutatión, para el que utilizamos como ejemplo de ROS el peróxido de hidrógeno (H2O2).

Entre las actividades enzimáticas encargadas de proteger el interior celular del estrés oxidativo, la más importante es la superóxido dismutasa (SOD). Esta enzima utiliza como sustrato dos radicales iguales, que inducen a la oxidación de uno y la reducción del otro:

O2·- + O2·- + 2H+ → H2O2 + O2

El peróxido de hidrógeno generado es neutralizado por la acción de otra proteína muy abundante tanto en el citoplasma como en las mitocondrias denominada catalasa. Esta proteína, que porta un grupo hemo, es capaz de formar dos moléculas de agua y una de oxígeno a partir de dos moléculas de H2O2. Otra familia de proteínas, también implicadas en la eliminación del agua oxigenada, son denominadas peroxidasas. Por ejemplo, en los eritrocitos hay una proteína denominada glutatión peroxidasa que utiliza el glutatión para eliminar esta molécula y formar H2O.

A pesar de todos estos mecanismos de defensa, parte de estos tóxicos que son producidos en la cadena respiratoria consiguen alterar nuestras células (en un día normal podemos producir en torno a 0,15 moles de ROS), y por tanto hacen que el tiempo no pase en balde para ellas.

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¿QUÉ LES PASA A LOS DIABÉTICOS CON EL AZÚCAR?

La importancia que el metabolismo de los hidratos de carbono tiene para la supervivencia de los organismos vivos se pone especialmente de manifiesto en los más complejos, como los animales y las plantas superiores. Mientras que en los organismos unicelulares la célula puede hacer un uso más o menos egoísta de los azúcares de que dispone, los millones de células que componen un organismo complejo necesitan distribuir muy finamente su combustible. Cada tipo de célula, dependiendo del momento, puede tener sus propias necesidades de glucosa. Aunque cada célula dispone de su propio mecanismo de control metabólico, como los vistos hasta ahora, la evolución ha tenido que crear sistemas para coordinar la utilización de la glucosa por las diferentes células del organismo. Estos sistemas que permiten controlar de forma coordinada una función en diferentes células se denominan endocrinos y se caracterizan por estar mediados por hormonas. Aunque las hormonas participan en multitud de acciones vitales para los animales y las plantas, aquí nos centraremos en estudiar cómo las hormonas insulina y glucagón controlan la utilización de la glucosa en las células de nuestro cuerpo.

La insulina es una proteína relativamente pequeña formada por dos cadenas de veintiún y treinta aminoácidos unidas entre sí por puentes disulfuro. El páncreas es el órgano encargado de su producción, concretamente las células β de su parte glandular (islotes de Langerhans). Esta proteína es sintetizada en forma de proinsulina que, tras un proceso de proteólisis, pierde su parte central. Los dos extremos, unidos por sus cisteínas, se asocian para dar la forma activa (insulina). Cuando se produce un aumento de la concentración de glucosa o aminoácidos en la sangre, las células β secretan millones de moléculas de insulina al torrente sanguíneo, lo que las permite actuar en muchas células.

Efecto de la insulina. La unión de la insulina a su receptor induce a la activación del dominio tirosina quinasa, que fosforila diferentes proteínas diana. Estas proteínas modulan el metabolismo de la glucosa en hígado, músculo y tejido adiposo. Ocurre la translocación a la membrana de los transportadores de glucosa GLUT-4.

No todas las células del organismo son moduladas por insulina, sino fundamentalmente las que forman el hígado, el músculo y el tejido adiposo. Estas células presentan en superficie un receptor específico para la insulina, perteneciente a la familia de receptores tirosina kinasa. Los miembros de esta familia de proteínas de membrana se caracterizan por presentar un dominio citoplasmático que, una vez activado, puede promover la fosforilación de ciertas proteínas diana en residuos de tirosina específicos. En el caso concreto de la insulina, su receptor está formado por cuatro cadenas asociadas entre sí por varios puentes disulfuro, y quedan dos dominios catalíticos en la cara citoplasmática. Tras la unión de la insulina al dominio extracelular, se produce un cambio conformacional en la proteína que induce a la activación del dominio quinasa, lo que dispara una cascada de fosforilaciones dentro de la célula. Una de las primeras consecuencias es la translocación a la membrana de unos transportadores específicos para la glucosa denominados GLUT-4, que se encontraban previamente almacenados en vesículas del interior. De esta forma, se intenta eliminar lo antes posible el exceso de glucosa en la sangre, ya que en altas concentraciones (por encima de 10 mM) produce daños, fundamentalmente al sistema nervioso central y a los riñones. Además, en el músculo y principalmente en el hígado, se produce una activación de la síntesis de glucógeno y la degradación de glucosa. También se activa la síntesis de ácidos grasos y triglicéridos en hígado y tejido adiposo, inhibiéndose casi completamente la degradación de las grasas. En general, podemos considerar que la insulina dispara una respuesta destinada a eliminar de la circulación los altos niveles de glucosa y avisa a las células de que ha llegado la hora de comer azúcar y reponer las reservas.

A medida que bajan los niveles de glucosa en sangre, el páncreas libera menor cantidad de insulina hasta detener su secreción cuando la concentración de glucosa se encuentra en torno a 5 mM. Si la concentración continúa bajando, las células α, también del páncreas, comienzan a secretar glucagón. La síntesis y secreción de esta hormona responde a un control mediado por la propia insulina. El órgano diana del glucagón es fundamentalmente el hígado, donde se expresa un receptor específico de membrana acoplado a proteína G. La unión del glucagón a este receptor activa la adenilato ciclasa, que produce grandes cantidades de AMPc (un segundo mensajero) a partir de ATP. Este aumento del AMPc intracelular permite la activación de la proteína kinasa A (PKA), responsable de modular por fosforilación determinadas proteínas. Entre las proteínas fosforiladas por PKA se encuentran la glucógeno sintetasa I y la fosforilasa b, inhibiendo la primera y activando la segunda. Esto deriva en una degradación de glucógeno, lo que permite liberar azúcar a la sangre. Por otra parte, PKA fosforila la piruvato quinasa (PK), inhibe el paso a piruvato y permite la acumulación de fosfoenolpiruvato suficiente como para iniciarse la síntesis de glucosa (gluconeogénesis), que podrá ser expulsada a la sangre.

Cuando una persona es diagnosticada de diabética quiere decir que presenta algún problema en este cuadro de control que permite regular los niveles de glucosa en sangre. Así, puede haber variedad de tipos de diabéticos, cada uno de ellos presenta una deficiencia concreta en el control de la glucemia. Los casos más comunes de diabetes están relacionados con problemas en el control mediado por insulina. Esta enfermedad se conoce de forma genérica como diabetes mellitus. Hay dos formas bien diferenciadas de esta enfermedad: una de ellas es conocida como dependiente de la insulina y está relacionada con una incapacidad, por parte del páncreas, de producir la hormona. Es normalmente congénita (por tener codificado en el genoma una insulina defectuosa) o causada por la infección de algún virus o por alguna enfermedad autoinmune. Este último es el caso de la diabetes mellitus tipo I, en el que una respuesta autoinmunitaria destruye las células β del páncreas del propio individuo. Al no existir producción de insulina tras la ingesta, los niveles de glucosa en sangre permanecen elevados por mucho tiempo. El exceso de glucosa tiene que ser expulsado a través del riñón en un proceso que implica la pérdida de gran cantidad de agua y energía. El gran contenido de azúcares en la orina explica por qué diabetes mellitus en latín significa literalmente ʿorina dulce como la mielʾ.

Además del daño causado sobre ciertos órganos y tejidos por la acumulación de la glucosa, la incapacidad de las células para captarla hace que pasen hambre, ralentiza el crecimiento y evita la acumulación de grasa. El músculo se ve obligado a catabolizar proteínas, liberando alanina (Ala) a la sangre. Por su parte, el tejido adiposo degrada triglicéridos, liberando ácidos grasos. Los aminoácidos en el hígado son transformados en glucosa, que entra inmediatamente a la glucólisis. El Acetil-CoA generado de la degradación de la glucosa, junto con el producido de la degradación de los ácidos grasos procedentes del tejido adiposo, induce a la formación de cuerpos cetónicos en el hígado. Estos compuestos son bastante volátiles, y son expulsados en parte por la respiración, dando un olor fuerte y dulzón al aliento de estas personas.

Para compensar la deficiencia de estos pacientes, solo es necesario introducir en su organismo insulina después de las comidas y de esa forma solucionar el problema. Más difícil de tratar es el caso de la diabetes resistente a la insulina, donde el defecto se encuentra en el receptor de la hormona por una mutación en la secuencia codificante para el dominio de reconocimiento o el catalítico. Aunque los síntomas son los mismos que los anteriores, por la incapacidad de las células de captar la glucosa circulante, la administración de insulina no tiene efectos, lo que obliga al paciente a controlar al máximo el consumo de azúcares en la dieta.

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¿POR QUÉ HACER EJERCICIO AYUDA A PERDER PESO?

Aunque el catabolismo de la glucosa a través de la glucólisis ocupa un papel central en el metabolismo celular, otras rutas catabólicas han sido seleccionadas por su alto rendimiento energético. Es el caso de la β-oxidación de los ácidos grasos que trataremos ahora. Aunque aquí nos centraremos en la β-oxidación mitocondrial, hay que recordar que en los peroxisomas (orgánulos presentes en todas las células animales) se produce otra versión muy parecida de esta ruta.

Para poder comenzar el proceso de degradación de un ácido graso y aprovechar la energía que contiene, el primer paso es conseguir llevarlo hasta el interior de una mitocondria, donde se localizan las enzimas responsables de catalizar las diferentes reacciones catabólicas. Los ácidos grasos que se encuentran en el citoplasma de una célula, ya sea por degradación de grasas o por incorporación desde la sangre, son incapaces de atravesar las dos membranas que rodean la mitocondria, para lo que necesitan ser activados previamente mediante su unión a una molécula de coenzima A (CoA), y gastar ATP en el proceso. Una vez activado, el acil-CoA puede atravesar la membrana externa mitocondrial gracias a la presencia de canales específicos. En el espacio intermembrana actúa un sistema denominado lanzadera CoA-carnitina, que va a permitir introducir el acil-CoA al interior.

Una vez en la matriz mitocondrial se va a proceder a oxidar el ácido graso mediante la β-oxidación. Este proceso ocurre de forma cíclica, eliminando en cada vuelta dos carbonos de la cadena alifática del acil-CoA, que pasan a formar acetil-CoA. Químicamente, las cuatro reacciones de cada ciclo permiten la oxidación del segundo carbono de la cadena alifática (carbono β, de ahí el nombre de la ruta), obteniendo equivalentes de reducción en forma de una molécula de FADH2 y otra de NADH. De esta forma, para un ácido graso de dieciséis carbonos como el palmitato (componente mayoritario del aceite de palma), su β-oxidación produce ocho moléculas de acetil-CoA, siete de FADH2 y siete de NADH, necesitando gastar dos moléculas de ATP para su activación. En el caso de estar activo el catabolismo aeróbico, mediado por el ciclo de Krebs que ya vimos anteriormente, el acetil-CoA es descarboxilado para generar otras cinco moléculas de NADH y otra más de FADH2. La cesión de los electrones presentes en las moléculas de NADH y FADH2 a la cadena respitaroria mitocondrial produce un total de 129 moléculas de ATP. Lo que supone ocho ATP por carbono del lípido frente a los seis de la glucosa.

Lanzadera de acil-CoA / carnitina. En la figura se muestra el mecanismo utilizado por las células para introducir al acil-CoA (ácido graso activado) al interior de la mitocondria, donde tiene lugar la β-oxidación.

Aunque la mayor parte de los ácidos grasos tienen un número par de carbonos, algunos pueden presentar un número impar, como el ácido margárico (diecisiete carbonos). En estos casos, en el último ciclo de la β-oxidación se genera un compuesto de tres carbonos asociado a la coenzima A, el propionil-CoA. Este compuesto puede ser transformado, con gasto de un ATP, en succinil-CoA (uno de los intermediarios del ciclo de Krebs) y de esta forma ser oxidado o empleado para sintetizar otras biomoléculas. Por ejemplo, a través del propionil-CoA es el único modo en el que nuestras células pueden sintetizar glucosa a partir de un ácido graso.

Otra excepción que hay que comentar es la presencia de insaturaciones en la cadena alifática del ácido graso. Recordemos que una insaturación es un doble enlace entre dos carbonos de la cadena alifática. Para catabolizar estos ácidos grasos, muy abundantes en la dieta, la β-oxidación necesita de otras proteínas accesorias encargadas de eliminar estas anomalías de la cadena. La presencia de insaturaciones en los ácidos grasos hace reducir su contenido energético, ya que los carbonos unidos por dobles enlaces están más oxidados que cuando se asocian por enlaces simples. De esta forma, por cada insaturación que presenta la cadena, el sistema obtiene una molécula menos de FADH2 y, como consecuencia, en torno a dos moléculas de ATP menos.

Aunque el músculo es un tejido altamente glucolítico, es decir, suele obtener la energía del catabolismo de azúcares, en ocasiones utiliza los ácidos grasos como fuente de ATP. Si se realiza un ejercicio durante largo rato, el músculo agota las reservas de glucógeno que fueron formadas tras la última ingesta. Si ya no hay azúcar en la sangre porque las reservas de glucógeno del hígado también se han acabado, la presencia de las hormonas glucagón y adrenalina disparan la degradación de grasas en el tejido adiposo. Los ácidos grasos liberados a la sangre pueden ser recogidos por el músculo y catabolizados a través de la β-oxidación y la respiración celular. De esta forma, el ejercicio físico resulta una forma relativamente rápida de activar la degradación de grasas, y por eso ayuda a perder peso.

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¿A QUÉ PUEDEN DEBERSE LAS TRANSAMINASAS ALTAS EN SANGRE?

La importancia que las proteínas tienen para la vida es indiscutible. Gracias a la variedad de grupos químicos presentes en los aminoácidos, la célula consigue dar funcionalidad a toda su información genética. Sin embargo, entre la infinidad de funciones que presentan las proteínas no está la de reservorio energético. Es decir, no existen proteínas o aminoácidos que se acumulen específicamente para guardar energía, entre otras cosas por lo poco rentable que resultaría. Esto quiere decir que, si ingerimos más aminoácidos en la dieta de aquellos que necesitamos para la producción de nuestras proteínas, estos tienen que ser eliminados directamente. Aunque una pequeña parte de los aminoácidos que ingerimos pueden ser secretados por la orina, la mayoría son degradados por las células. Recordemos que en ocasiones algunas de estas rutas de degradación pueden ser defectuosas y producir la acumulación de cierto aminoácido, lo que puede acarrear importantes problemas fisiológicos, como es el caso de la fenilcetonuria que ya fue comentado.

Las proteínas que son ingeridas por la dieta son degradadas en el intestino, son los aminoácidos los que llegan libres a la sangre. En la superficie de las células existen transportadores específicos para aminoácidos con características semejantes que permiten su entrada mediante mecanismos de cotransporte con el ion sodio (Na+). En el citoplasma celular existe una reserva de aminoácidos más o menos constante, con lo que hay un equilibrio entre su utilización para la traducción (síntesis) de proteínas y su degradación. Con una dieta normal, entre un 10 y un 15 % de la energía que obtienen nuestras células procede del catabolismo de los aminoácidos, el resto es aportado por los ácidos grasos y los azúcares.

La primera gran diferencia entre los aminoácidos y los azúcares o los ácidos grasos, cuyo catabolismo hemos estudiado en los apartados anteriores, es la presencia del grupo α-amino (-NH2) en la molécula. Normalmente, este grupo químico es el primero que es eliminado cuando los aminoácidos comienzan su degradación, mediante una reacción denominada transaminación. Esta reacción es catalizada por las transaminasas o aminotransferasas, y consiste en la cesión del grupo amino desde el aminoácido a una molécula de α-cetoglutarato, uno de los metabolitos del ciclo de Krebs. Como resultado se obtiene el aminoácido glutamato, que es rápidamente oxidado por la enzima glutamato deshidrogenasa para formar nuevamente α-cetoglutarato, NADH y amoniaco (NH3).

Una vez eliminado el grupo amino, el resto de la cadena carbonatada del aminoácido, que recibe el nombre de α-cetoácido (R-CO-COO-), puede seguir una ruta de degradación u otra dependiendo de su estructura molecular. En general, todos ellos terminan por ser descarboxilados completamente y entran, por un camino u otro, en el ciclo de Krebs. Hay que tener en cuenta que estos α-cetoácidos, además de poder ser degradados o empleados en sintetizar aminoácidos, también pueden ser precursores para sintetizar otras biomoléculas. Es decir, en determinadas condiciones metabólicas en las que existe un excedente energético, los α-cetoácidos pueden entrar a diferentes rutas anabólicas. Aquellos aminoácidos que pueden ser transformados en glucosa se denominan glucogénicos (como la alanina o la serina) y aquellos que pueden formar ácidos grasos se llaman cetogénicos (como la leucina o la lisina). Algunos pueden ser empleados para la síntesis de ambos, como la fenilalanina o la tirosina. De esta forma, los aminoácidos pueden ser transformados en moléculas que sí pueden ser almacenadas eficazmente como reservas de energía.

Las transaminasas. Mediante la acción de las transaminasas el grupo amino de los aminoácidos (AA) es donado al α-cetoglutarato para formar glutamato. Mediante la oxidación del glutamato se libera el amoniaco que será eliminado en forma de urea.

Las transaminasas son especialmente abundantes en tejidos donde la síntesis de proteínas es muy activa, como en el músculo esquelético, el corazón o el hígado. Cuando se produce un daño en estos tejidos y la muerte de parte de las células, estas enzimas son liberadas al torrente sanguíneo. Unos niveles elevados de transaminasas en la sangre se relacionan con un daño en alguno de estos tejidos, pueden indicar que ha ocurrido, por ejemplo, un infarto de miocardio o un problema hepático.

El CO2 producido por cualquiera de los procesos de descarboxilación estudiados aquí, como ya vimos, es eliminado de nuestro cuerpo gracias a la formación de ácido carbónico y su unión a la hemoglobina. Sin embargo, la eliminación del amoniaco producido por la desaminación de los aminoácidos ha supuesto un reto importante para los organismos vivos, fundamentalmente para los terrestres. El NH3 es un compuesto que en cierta concentración puede ser muy tóxico para las células, ya que con relativa facilidad puede reaccionar con otros grupos químicos presentes en su interior así como aumentar el pH de la disolución en la que se encuentra (por la posibilidad de atrapar protones mediante la formación de enlaces de coordinación y formar el ion amonio: NH4+). Al ser una molécula polar es muy soluble en agua, de tal forma que a los animales acuáticos no les supone ningún problema deshacerse de él, ya que pueden usar toda el agua que necesiten para lavar su amoniaco. Sin embargo, cuando los animales salieron a la superficie terrestre necesitaron buscar un método para poder eliminar ese amoniaco sin necesitar gastar las ingentes cantidades de agua que usaban sus antepasados marinos. De esta forma, los insectos, los reptiles y los pájaros presentan una ruta metabólica destinada a unir cuatro nitrógenos, procedentes de los aminoácidos o las bases nitrogenadas, en una molécula de ácido úrico (C5H4N4O3). El ácido úrico es muy poco soluble, por lo que tiende a precipitar y formar pequeños cristales que pueden ser secretados por las heces, evitando de esta forma necesitar apenas agua para su eliminación.

En el hígado de los animales superiores, por su parte, existe una compleja ruta que permite eliminar dos grupos amino en una pequeña molécula llamada urea (CON2H4), de ahí que la ruta se denomina ciclo de la urea. Esta molécula es muy soluble en agua, además de no ser ionizable, lo que hace que su acumulación no afecte al pH. Esto permite que se pueda acumular en altas concentraciones sin precipitar y por tanto en volúmenes pequeños de agua se puede eliminar mucha urea: así surge la orina. Curiosamente, este método de eliminación del amoniaco en forma de urea es común en todos los mamíferos conocidos a excepción de los perros dálmatas, que utilizan exclusivamente el ácido úrico (que en mamíferos es el producto de la degradación de bases púricas), por lo que sufren frecuentemente problemas derivados de la precipitación del compuesto, bien en la vejiga o bien en los peores casos en las nefronas.

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¿CÓMO SE PRODUCEN LAS AGUJETAS?

El músculo es uno de los tejidos más importantes para la vida de los animales. Gracias a que el corazón comienza a bombear la sangre en momentos muy iniciales del desarrollo embrionario, el feto puede aumentar de tamaño y conseguir llevar los nutrientes a todas las células, y de esta forma permitir que se desarrollen otros tejidos y órganos, incluido el cerebro, que se formará mucho tiempo después. Además, sin la acción muscular del animal sería incapaz de conseguir alimento o reproducirse.

Existen tres tipos distintos de tejidos musculares y, aunque sin duda el cardiaco es el más importante para conservar la vida, es el músculo esquelético el que más energía consume. El músculo esquelético es el responsable de dar movimiento al esqueleto y con ello al cuerpo del animal. Como ya vimos en temas precedentes, la contracción muscular es un proceso energéticamente muy costoso. Por un lado, la célula muscular tiene que gastar ATP para permitir el desplazamiento de cada una de las moléculas de miosina-II sobre la actina; por otro, para coordinar la contracción necesita acumular grandes cantidades de calcio en el retículo sarcoplásmico, para lo que utiliza más ATP a fin de hacer funcionar las bombas iónicas en contra de gradiente. Toda esta cantidad de energía se consigue gracias a los procesos de catabolismo que acabamos de estudiar. Sin embargo, dependiendo del estado concreto en el que pueda encontrarse el músculo y de las condiciones metabólicas generales del organismo, unos compuestos u otros serán utilizados como fuente de energía.

En situación de reposo la célula muscular utiliza fundamentalmente la β-oxidación de ácidos grasos como fuente de energía y, si es posible, acumula glucosa en forma de glucógeno. Además, las mitocondrias de las fibras musculares son capaces de producir un compuesto altamente energético llamado creatina fosfato. Este compuesto es expulsado al citoplasma, donde es conservado hasta necesitar su energía. Cuando comienzan las contracciones musculares, la primera energía que se utiliza es la que acumulan estas moléculas de creatina fosfato. Mediante la hidrólisis del enlace de alta energía que porta, puede formar directamente un ATP a partir de ADP. Este combustible dura solo unos pocos segundos en situación de esfuerzo. A medida que se prolonga el tiempo de actividad, las células musculares comienzan a descomponer sus reservas de glucógeno, catabolizando la glucosa a través de la glucólisis y la respiración mitocondrial. Esta reserva de glucosa intracelular puede durar más de dos horas antes de ser consumida completamente. En el caso de no existir un aporte adicional de azúcares, procedentes del hígado o de la dieta, el músculo comenzará a utilizar los ácidos grasos liberados por el tejido adiposo en respuesta al glucagón y a la adrenalina. En ocasiones, si las reservas de glucógeno acaban demasiado rápido, sin dar tiempo a estas hormonas a actuar, el músculo sufre una brusca parada, y es incapaz de contraerse. Esto se conoce vulgarmente como pájara y puede ocurrir cuando se realiza un sobreesfuerzo durante un ejercicio prolongado sin tener las reservas de glucógeno lo suficientemente llenas. A pesar de este caso poco habitual, es muy difícil que el músculo no disponga de biomoléculas para funcionar, ya que además de glucosa y ácidos grasos puede utilizar aminoácidos o cuerpos cetónicos. Esto ocurre en casos excepcionales, como al realizar ejercicio intenso en ayunas o en situaciones de ayuno prolongado.

A pesar de que los compuestos que puede catabolizar el músculo son muy variados y abundantes en situaciones normales, en ocasiones, la alta intensidad del ejercicio puede hacer que las rutas catabólicas encargadas de su degradación no den abasto. Lo más normal es que este agotamiento por incapacidad de catabolizar suficientemente rápido se dé como consecuencia de una deficiencia en el aporte de oxígeno al músculo.

Como ya estudiamos, todo el proceso de respiración celular es dependiente del oxígeno, ya que todos los electrones arrancados del catabolismo, fundamentalmente en el ciclo de Krebs, terminan por llegar a él. Aunque nuestras reservas de glucógeno estén intactas, si comenzamos un ejercicio lo suficientemente intenso, nuestros pulmones y corazón no serán capaces de aportar a los músculos que están siendo ejercitados la cantidad de oxígeno que necesitan para que la cadena transportadora funcione a la velocidad que debería. En estas condiciones, las moléculas de NADH y FADH2 no pueden donar sus electrones a la cadena respiratoria y se reducen rápidamente los niveles de NAD+ y FAD+. Esto produce una parada técnica del ciclo de Krebs, acumulándose acetil-CoA en la mitocondria. Tanto el NADH como el acetil-CoA son potentes inhibidores alostéricos de la piruvato deshidrogenasa (PDH). Así, la deficiencia en oxígeno hace «revivir» a la célula un pasado lejano en el que la fermentación era la única manera de conseguir energía en forma de ATP. En efecto, nuestras células presentan la misma enzima que Lactobacillus: la lactato deshidrogenasa, de tal forma que la acumulación de piruvato, por la incapacidad de acción de la PDH, deriva en la formación de ácido láctico. Mucha gente cree que la formación de este ácido en el músculo, incluso su precipitación en forma de cristales, es la causa de que existan las agujetas después de realizar un ejercicio intenso. Sin embargo, nada más lejos de la realidad.

El ciclo de Cori. El lactato producido en situación de hipoxia muscular es secretado a la sangre, de donde es recogido por el hígado. Mediante la gluconeogénesis el hígado produce glucosa que es liberada a la sangre; lo que permite que el musculo pueda volver a utilizarla.

El ácido láctico, que es tamponado en primera instancia por diferentes sales y proteínas presentes en el tejido, es transportado por la sangre hasta el hígado, impide así su acumulación en el músculo o la sangre, y por supuesto su precipitación en forma de cristales, que solo ocurriría a altísimas concentraciones y que nos causaría la muerte casi instantáneamente. Una vez en el hígado, el lactato es transformado nuevamente en piruvato, desde donde puede transformarse en glucosa por la ruta de la gluconeogénesis. Esa glucosa es liberada nuevamente al torrente sanguíneo para ser utilizada por otras células que, en caso de continuar la hipoxia, vuelven a transformarlo en lactato. Este proceso de reciclado de la glucosa que realiza el hígado a partir del lactato se conoce como ciclo de Cori.

Pero entonces ¿por qué a veces nos duelen los músculos después de realizar ejercicio intenso? Todo parece indicar que la causa puede estar relacionada con la alteración de las fibras que forman los sarcómeros. Estas microrroturas musculares producen pequeñas inflamaciones con producción de prostaglandinas y, por consiguiente, dolor.

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¿EN QUÉ SE PARECE EL HÍGADO A UNA PATATA?

Después del sistema nervioso central y el músculo, el tejido más importante para los vertebrados es el hepático. Sus funciones son muchas, y posiblemente aún no conocemos todas, pero sin duda la importancia fisiológica del hígado deriva de la sorprendente maquinaria bioquímica de la que dispone. En este apartado revisaremos brevemente los mecanismos moleculares que hacen del hígado un órgano vital, ya que sin él apenas podemos vivir unos minutos.

La función hepática posiblemente más importante, conservada en todos los vertebrados, es la destoxificación. El hígado actúa como una depuradora para el organismo, limpia la sangre que recibe a través de la vena porta y la arteria hepática. La vena porta recoge toda la sangre procedente del tubo digestivo (pobre en oxígeno y rica en nutrientes), mientras que la arteria hepática es responsable de traer al hígado la sangre rica en oxígeno procedente de los pulmones. La sangre limpia de los posibles tóxicos ingeridos o inhalados sale del hígado a través de la vena hepática para distribuirse por todo el organismo.

Dentro de los hepatocitos existen diferentes moléculas y rutas metabólicas que van a permitir modificar o eliminar directamente las sustancias tóxicas que recibe. Es el caso ya comentado de las enzimas responsables del ciclo de la urea, que eliminan el amoniaco producido por el catabolismo de los aminoácidos. Otro producto de desecho muy abundante y eliminado por el hígado es la bilirrubina. Esta sustancia amarillenta e insoluble se forma como resultado del catabolismo del grupo hemo, que aunque está presente en diferentes tipos de proteínas, la más abundante con mucha diferencia es la hemoglobina de los glóbulos rojos. Estas células, al carecer de núcleo, son incapaces de volver a sintetizar la hemoglobina una vez que ha perdido su actividad. Por eso, tras un período de aproximadamente ciento veinte días, los eritrocitos son destruidos en el bazo y liberan gran cantidad de grupos hemos. Mediante una serie de reacciones que ocurren en el bazo, el anillo tetrapirrólico del grupo hemo es abierto y modificado para formar la bilirrubina. Esta molécula es liberada al torrente sanguíneo, donde viaja unida a la albúmina hasta el hígado. Una vez en el hepatocito, una enzima denominada glucosil-transferasa une dos moléculas de ácido glucurónico a la bilirrubina, formando diglucurónido de bulirrubina. Este compuesto, mucho más soluble que la bilirrubina, es secretado al intestino a través de la bilis. Si este mecanismo de eliminación de bilirrubina se ve afectado, se produce una acumulación de esta molécula en el organismo. Como consecuencia, la esclerótica del ojo (parte blanca) y la piel del paciente adquieren un color amarillento. Este síntoma es conocido como ictericia e indica que existe un problema en el metabolismo hepático. Una solución que se emplea en recién nacidos, que frecuentemente pueden presentar cuadros de ictericia, es exponerles a la luz. De esta forma se consigue alterar parte de la estructura de la molécula por cambios en su estructura electrónica, haciéndose algo más soluble y permitiendo su eliminación por la orina.

Otras proteínas con un papel central en la eliminación hepática de compuestos tóxicos son los citocromos P450. Estas proteínas, que presentan un grupo hemo como cofactor, están asociadas al retículo endoplasmático, y son capaces de hidroxilar (unir grupos hidroxilo: -OH) a una gran variedad de compuestos, muchos de ellos exógenos, mediante la siguiente reacción:

XH + O2 + 2 H+ + 2 e- → XOH + H2O

La hidroxilación aumenta notablemente la solubilidad de las moléculas, de tal forma que, además de poder reducir la toxicidad del compuesto por la modificación, favorece su eliminación a través de la orina. Así, estas proteínas nos protegen, por ejemplo, de ciertos derivados del benceno, como el benzopireno, uno de los componentes cancerígenos del tabaco. Esta propiedad de alteración de moléculas mediadas por los citocromos es utilizada por los farmacéuticos, para hacer que ciertos medicamentos sean activados específicamente en el hígado. Es el caso de algunos barbitúricos como el fenobarbital. Cabe comentar que los citocromos presentes en el hígado de los gatos y los perros no son capaces de metabolizar el paracetamol, por lo que les resulta tóxico en concentraciones relativamente pequeñas.

El hígado, además, es responsable de sintetizar gran variedad de proteínas y moléculas que van a permitir al organismo realizar funciones muy diferentes. A través del metabolismo del colesterol, por ejemplo, es capaz de crear una batería de compuestos denominados sales biliares, que son secretadas al intestino y permiten la solubilización de las grasas del alimento. También es el responsable de sintetizar gran cantidad de proteínas plasmáticas, como las proteínas del complemento o la albúmina. Esta última, además de ser capaz de transportar una gran variedad de moléculas insolubles, como la bilirrubina que acabamos de comentar o los ácidos grasos libres, puede unir compuestos tóxicos o medicamentos presentes en la sangre. La albúmina es con diferencia la proteína más abundante en el plasma sanguíneo, por lo que también sus niveles ayudan a establecer la presión osmótica de la sangre.

Otra función fundamental que realiza el hígado es actuar como soporte del metabolismo general del organismo. Es el máximo responsable de saciar las necesidades energéticas de los demás tejidos cuando el alimento escasea o las condiciones metabólicas no son las adecuadas. Como ya comentamos, los hepatocitos ayudan al músculo mediante el ciclo de Cori, haciendo que el lactato formado en el músculo en situación anaeróbica sea transformado en glucosa por el hígado, que lo liberará a la sangre para alimentar al músculo. O el ciclo de Cahill que permite transformar la alanina en glucosa y, de esta manera, incluso sin ingerir alimento el cerebro puede comer azúcares.

Dentro de los hepatocitos existe una reserva energética en forma de glucógeno muy similar a la que presentan los tubérculos como la patata. Esta macromolécula es una larga cadena de glucosas unidas mediante enlaces α1→4 que presenta ramificaciones con enlaces α1→6. En el hígado existen enzimas capaces tanto de formarlo como de degradarlo, dependiendo de las necesidades de glucosa que tenga el organismo. Los tejidos más dependientes de glucosa son los que forman, además del propio hígado, el músculo, los riñones, el sistema nervioso central, la sangre (glóbulos rojos) y los testículos. Si los niveles de glucosa en sangre descienden por debajo de un límite (en torno a 5 mM), se dice que existe una situación de hipoglucemia, que conlleva a la secreción de glucagón por el páncreas. Esta hormona estimula al hígado para degradar sus reservas de glucógeno y poder liberar a la sangre la glucosa. Los hepatocitos son de las pocas células que presentan una defosfatasa capaz de eliminar el fosfato de la glucosa 6-fosfato (G6P), permitiendo así que la glucosa pueda salir y llegar a las células que lo necesitan.

La función hepática. En la figura se indican las principales funciones que realiza el hígado.

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¿POR QUÉ EL ALCOHOL EMBORRACHA?

El etanol es una molécula que se encuentra con relativa frecuencia en la naturaleza. Prácticamente cualquier líquido que contenga azúcares y esté poco oxigenado será fermentado por levaduras y bacterias para producir etanol. Aunque no es una molécula excesivamente tóxica, a partir de ciertas concentraciones resulta incompatible con la vida. De hecho, las propias levaduras son incapaces de sobrevivir por encima de un 15-20 % (v/v) de alcohol y por este motivo, las bebidas fermentadas rara vez superan estas graduaciones. El ser humano, mediante la destilación, es capaz de concentrar mucho más el etanol, para conseguir bebidas que llamamos destiladas, cuya graduación alcohólica puede superar los 80˚. Por otra parte, y de la misma forma que ocurre con el lactato, el etanol es una molécula rica en energía y muchos organismos, desde bacterias a humanos, han aprendido a aprovechar esta energía a través de su descarboxilación completa. Sin embargo, en la vida de los seres humanos actuales, este compuesto está mucho más presente de los que en principio la evolución esperaba, por lo que no disponemos de herramientas lo suficientemente eficaces como para paliar los efectos derivados de la presencia de este compuesto en tan altas dosis.

Todas las células de nuestro cuerpo presentan una enzima muy conservada desde las bacterias llamada alcohol deshidrogenasa (ADH). Aunque la enzima presenta variaciones en su secuencia de aminoácidos de unos tejidos a otros, todas ellas realizan la misma actividad, y por ello reciben el nombre de isoformas o isoenzimas. La forma más activa y la primera responsable de metabolizar el etanol que ingerimos es la isoforma hepática. El alcohol ingerido es absorbido por el estómago y el intestino, de donde pasa directamente al sistema portal venoso que llega directamente al hígado. Aquí, mediante una reacción de oxidación, la ADH transforma el etanol en acetaldehído, donando los electrones extraídos del grupo alcohol (-OH) a una molécula de NAD+:

Etanol + NAD+ → acetaldehído + NADH + H+

El acetaldehído es un compuesto mucho más tóxico que el etanol capaz de modificar muchas proteínas e incluso puede producir daños al ADN y, por tanto, ser cancerígeno. El acetaldehído es oxidado dentro de la mitocondria por la enzima acetaldehído deshidrogenasa (ACDH) para formar acetato (forma ionizada del ácido acético) gastando otra molécula de NAD+. El acetato, posteriormente, puede ser activado en forma de acetil-CoA y entrar al ciclo de Krebs para oxidar completamente al acetato o puede ser utilizado para la síntesis de ácidos grasos o colesterol. Estas dos reacciones, catalizadas por la ADH y la ACDH, son realizadas por las bacterias del género Acetobacter, responsables de producir vinagre a partir de bebidas alcohólicas como el vino o la sidra.

Metabolismo del etanol. El etanol es eliminado mediante dos reacciones de oxidación seriadas, realizadas por las enzimas alcohol deshidrogenasa (ADH) y la acetaldehído deshidrogenasa (ACDH).

Cuando la cantidad de alcohol que llega al hepatocito es pequeña, supongamos por ingerir una fruta parcialmente fermentada, estas enzimas consiguen eliminar rápidamente ese alcohol sin mayores problemas. Sin embargo, si se ingiere una dosis de alcohol lo suficientemente elevada, este sistema puede llegar a producir un estado de coma (coma etílico), que en ocasiones deriva en la muerte del individuo.

La primera consecuencia de la entrada masiva de alcohol al hígado es una depleción en los niveles de NAD+. Como ya estudiamos en apartados precedentes, la ruta de glucólisis necesita del NAD+ para poder funcionar, por lo que se detiene. Además, este mismo mecanismo inhibe la síntesis de glucosa a través de la reducción de los niveles de oxalacetato, de tal forma que el hígado pierde la capacidad de mantener la glucemia en sangre. Como el sistema nervioso central necesita de glucosa para funcionar, el estado de hipoglucemia produce una disminución de su actividad. Entre las zonas del cerebro que primero se ven afectadas por la falta de glucosa están las responsables de controlar la temperatura corporal. Este efecto puede producir una disminución de hasta 2 ˚C en la temperatura del cuerpo. Pero entonces ¿por qué las personas en estado de embriaguez suelen experimentar calor?, o ¿por qué se dice que para entrar en calor es bueno tomar una copita de coñac?

Hasta ahora, solo hemos explicado el efecto derivado de la reducción drástica del poder oxidante (del NAD+) en el hepatocito. Sin embargo, más grave es el efecto derivado de la acumulación del acetaldehido por la incapacidad de la ACDH de oxidar este peligroso tóxico lo suficientemente deprisa. Uno de los efectos visibles de su acumulación es la vasodilatación del sistema circulatorio periférico (la piel). Esto produce el enrojecimiento característico de las mejillas y de la oreja, así como la sensación de calor, aunque, como acabamos de explicar, el cuerpo se enfría, en parte por llevar el calor a la superficie donde se disipa con mayor facilidad. Existen ciertos alelos de la ACDH, muy extendidos en poblaciones asiáticas, cuya enzima presenta muy baja actividad, siendo muy poco eficiente en la oxidación del acetaldehído. Esto hace a estas personas especialmente sensibles al alcohol.

Cuando se ingiere alcohol muy concentrado, normalmente por el consumo de bebidas destiladas, el hígado es incapaz de frenarlo y, por tanto, llega al resto del cuerpo. El efecto que el etanol produce en otras células que expresan la ADH es muy similar al que genera en el hepatocito. Sin embargo, las consecuencias pueden ser aún más drásticas, sobre todo por su efecto en las neuronas. Como estas células son esencialmente glucolíticas (viven de la glucólisis), una parada de esta ruta por la bajada en los niveles de NAD+ produce un importante ralentizamiento en su actividad, pudiendo llegar a causar un estado de coma o la muerte. Este extremo suele producirse en individuos no adultos, niños y adolescentes, los cuales presentan un hígado notablemente más pequeño e incapaz de metabolizar las altas cantidades de alcohol que la inconsciencia de esas edades les puede hacer beber.

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¿ES POSIBLE EVITAR LA RESACA?

Los efectos metabólicos del consumo excesivo de alcohol se extienden en el tiempo mucho más de lo que nos gustaría. En gran parte, eso es debido a los mecanismos comentados en el apartado anterior y de cómo estos afectan al metabolismo general del organismo.

Las enzimas responsables de eliminar el alcohol necesitan reducir el NAD+ para formar acetato, así se obtiene el NADH. Esta molécula tiene que ceder sus equivalentes de reducción a la cadena transportadora de electrones de la mitocondria para volver a convertirse en NAD+ y poder oxidar otra molécula de etanol. Cuando la cantidad de alcohol ingerida es elevada, se produce una hiperactivación de la cadena respiratoria, por lo que necesita transferir muchos electrones desde las moléculas de NADH al oxígeno. Este fenómeno tiene varias consecuencias importantes.

Por un lado, al acelerarse el transporte de electrones, se aumenta la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), que, como ya se explicó, son moléculas altamente tóxicas que modifican proteínas y alteran el ADN. Los daños causados por estas moléculas actúan a largo plazo y aceleran el envejecimiento celular al promover mutaciones que pueden derivar en distintos tipos de tumores hepáticos.

Además, la saturación de la cadena respiratoria ralentiza el proceso de reciclaje del NAD+, y alarga el tiempo que el alcohol circula por la sangre (que dependiendo de la cantidad ingerida pueden ser de muchas horas). Durante este tiempo, la acumulación del acetil-CoA (forma activada del acetato), al no poder ser oxidado en el ciclo de Krebs, es empleado en la síntesis de lípidos en el hígado. De esta forma, gran parte del poder calórico del alcohol es transformado en grasa.

La reducción de una molécula de oxígeno en la cadena respiratoria produce dos de agua por la cesión de cuatro electrones y cuatro protones desde el complejo IV. De esta forma, por cada molécula de etanol que es metabolizada a acetato, la cadena respiratoria produce dos de agua que serán expulsadas a la sangre. Esto, unido al efecto diurético del propio alcohol, durante el proceso de destoxificación se produce una importante cantidad de orina, lo que causa cierto grado de deshidratación y falta de sodio (Na+).

La alteración del metabolismo glucolítico de las neuronas (comentado en el apartado anterior) junto con la deshidratación y acumulación de especies tóxicas (acetaldehído y ROS fundamentalmente) se traduce en sensación de malestar muchas horas después de haber realizado la ingesta de alcohol. Este estado es popularmente conocido como resaca. Sin embargo, en ocasiones, estos síntomas son especialmente agudos, pueden causar mareos, vómitos y fuertes dolores de cabeza. En estos casos se ha producido una intoxicación por otra molécula, además del etanol, relativamente frecuente en bebidas mal destiladas: el metanol (CH4O).

Efectos metabólicos del consumo de alcohol. Resumen de los principales efectos que tiene el metabolismo del alcohol a nivel hepático.

Esta pequeña molécula también es metabolizada por la alcohol deshidrogenasa (ADH), formando uno de los compuestos más tóxicos: el formaldehído. Esta molécula, que en pequeñas concentraciones está presente de forma normal en el organismo, cuando se acumula es capaz de modificar multitud de proteínas y ácidos nucleicos. El formaldehído hace especialmente daño al hígado y al sistema nervioso central, destruye literalmente las neuronas por alteración de las proteínas de su interior. Para tener una idea de la alta toxicidad de esta molécula, solo hace falta decir que la ingesta de 10 ml de metanol puede dejar ciega a una persona de forma irreversible, y con 30 ml se puede producir la muerte. Pero si el metanol es ingerido al mismo tiempo que el etanol, ¿por qué los efectos de esta sustancia en el organismo solo aparecen horas después de la melopea?

La respuesta a esta pregunta está directamente relacionada con la diferente afinidad que presenta la ADH por ambas moléculas, siendo mucho mayor por el etanol que por el metanol. Así, mientras hay moléculas de etanol en el organismo, las moléculas de metanol no pueden ser metabolizadas a formaldehído. Solo cuando la concentración de etanol es muy baja, la ADH comienza a oxidar el metanol, y ahí comienzan los síntomas del envenenamiento. Por este motivo, cuando la resaca es causada por una intoxicación metílica, el consumo de fermentos alcohólicos alivia parcialmente los síntomas, aunque, evidentemente, se agrava la deshidratación, así como el daño neuronal y hepático.

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SI LOS MICHELINES SON DE GRASA, ¿CÓMO PUEDE ENGORDAR EL AZÚCAR?

Los lípidos son moléculas que cumplen funciones muy importantes en los organismos vivos. Gracias a las peculiaridades de sus estructuras químicas (discutidas en el bloque II), estas biomoléculas pueden realizar gran cantidad de funciones. Dentro de los lípidos, las grasas (triacilglicéridos) representan la forma fundamental de almacenamiento de energía en la mayoría de los animales. La capacidad de almacenamiento de glucosa es limitada y poco eficiente comparada con la compactación y poder calórico de las grasas. Sin embargo, es curioso que a pesar de ser buenas moléculas para guardar energía, la base fundamental de la nutrición de los animales sean los azúcares. Aquí vamos a estudiar el metabolismo de las grasas e intentaremos descubrir cómo la glucosa que comemos es transformada en grasa a través de un proceso llamado lipogénesis que ocurre en el hígado.

Los triacilglicéridos, o simplemente triglicéridos, son moléculas relativamente grandes, formadas por la unión de tres ácidos grasos a una molécula de glicerol. La unión de los ácidos grasos se produce a través de la formación de enlaces ester (-CO-O-), producto de la reacción entre el grupo carboxilo (-COOH) del ácido graso y el grupo alcohol (-OH) del glicerol, desprendiéndose una molécula de agua. En nuestro organismo esta reacción es catalizada por unas enzimas denominadas acil-transferasas. Para manipular los ácidos grasos, estas proteínas utilizan un cofactor llamado coenzima A (CoA). Esta molécula actúa como un brazo accesorio para la proteína que la porta, lo que le permite transportar los ácidos grasos. El asa (parte de unión a la proteína) está formada por una molécula de ADP fosforilada en el carbono 3’. Desde dos fosfatos en posición 5’ se extiende la molécula de ácido pantoténico (la vitamina B5). En el extremo de este brazo se asocia una molécula de β-mercaptoetilamina, que deja en el extremo de la mano un grupo tiol (-SH). Los grupos tiol o sulfidrilos tienen bastantes similitudes con los grupos alcohol o hidroxilo (-OH) y, gracias a eso, la CoA pueden formar enlaces tioéster (-CO-S-) con el ácido graso y transportarlo en la forma que se denomina acil-CoA (o acetil-CoA si es un grupo acetilo (-CO-CH3) el transportado).

La coenzima A. Estructura de la coenzima A que indica sus tres partes. Al grupo sulfhidrilo (-SH, mano) puede unirse a grupos acetilo (acetil-CoA) o a ácidos grasos (acil-CoA).

Los triglicéridos son almacenados en unas células especializadas denominadas adipocitos, que se agrupan debajo de la piel y forman el tejido adiposo. Las grasas acumuladas dentro del adipocito pueden proceder en parte de la dieta o ser sintetizadas de nuevo (de novo) en el hígado. Cuando ingerimos alimentos que contienen grasas, estas son en gran parte hidrolizadas durante el proceso de digestión. El primer paso para poder degradar las grasas del alimento es separarlas. Para ello, el hígado produce y secreta al intestino las sales biliares: moléculas altamente anfipáticas capaces de emulsionar fácilmente las grasas. Posteriormente, la lipasa pancreática procede a la hidrólisis de los enlaces éster, y separa las cadenas de ácido graso del glicerol. Cuando el alimento es absorbido en la mucosa intestinal, menos de un 10 % del total de triglicéridos ingeridos se conservan intactos. Sin embargo, durante el tránsito a través de las células del epitelio intestinal hacia los vasos sanguíneos y linfáticos, la mayor parte de las grasas vuelven formarse utilizando los ácidos grasos y moléculas de glicerol procedentes de la propia dieta. Para evitar los problemas de solubilidad de las grasas, su viaje por la sangre requiere de la utilización de un transporte específico mediado por apolipoproteínas, complejos de proteínas y lípidos descritos anteriormente. En las propias células de la mucosa intestinal se forma uno de los cuatro tipos de complejos lipoproteicos que presenta nuestra sangre llamados quilomicrones. Estas partículas son transportadas por el sistema linfático hasta la sangre, donde impulsada por la circulación llegan a sus tejidos diana: muscular, cardiaco y fundamentalmente el adiposo. Una de las proteínas de la superficie del quilomicrón, denominada apoproteína C-II (apo CII), activa una proteína con actividad apolipasa localizada en la membrana de las células del endotelio que recubre los vasos y es capaz de liberar los ácidos grasos de los triacilglicéridos presentes en los quilomicrones. Una vez liberados, los ácidos grasos pueden entrar al interior del adipocito, donde la acción de la aciltransferasa los une a glicerol y permite su almacenamiento.

Sin embargo, además de los triglicéridos, parte del azúcar ingerido por la dieta aumenta en poco tiempo el volumen de las reservas de grasa de los adipocitos. Como consecuencia de la presencia de insulina, el hígado aumenta su capacidad de captación de glucosa, que es utilizada para reponer las reservas de glucógeno. La glucosa sobrante es degradada por la ruta de la glucólisis llegando a formar acetil-CoA (H3C-CO-CoA), en parte por la activación inducida por la insulina sobre la última enzima de la ruta (piruvato deshidrogenasa). En caso de estar saciadas las necesidades energéticas del hepatocito (célula del hígado), que suele ser lo normal en el momento absortivo (primeras horas tras la ingesta), el acetil-CoA es dirigido a la ruta de síntesis de ácidos grasos. A través de la reacción catalizada por la enzima acetil-CoA carboxilasa (que utiliza como cofactor la biotina, vitamina H o B7), una molécula de bicarbonato (HCO3-) es unida al acetil-CoA, que gana otro carbono, y pasa a denominarse malonil-CoA (-OOC-H2C-CO-CoA). A través de una serie de reacciones cíclicas de adición de grupos malonil (siete reacciones por ciclo) se forma un compuesto de dieciséis átomos de carbono denominado palmitoil-CoA, que tras la liberación de la coenzima se denomina palmitato (ácido palmítico), que representa el ácido graso primario. Todo el proceso de síntesis del palmitato ocurre en el citosol, concretamente en un complejo multiproteico denominado ácido graso sintasa. El palmitato puede sufrir posteriormente modificaciones para formar otros ácidos grasos, lo que ocurre en la mitocondria o en el retículo endoplasmático y que no vamos a definir ahora. De forma global, podemos decir que de ocho moléculas de acetil-CoA (procedentes de la glicolisis de cuatro moléculas de glucosa), el hígado fabrica un palmitato, e invierte la energía de siete moléculas de ATP y los electrones aportados por catorce moléculas cofactoras de NADPH. Los ácidos grasos producidos por el hígado pueden ser unidos a glicerol y secretados al torrente sanguíneo. La molécula de glicerol, necesaria para formar los triacilgliceroles, es sintetizada a partir de un metabolito intermediario de la glucólisis denominado dihidroxiacetona fosfato por acción de una kinasa. La exportación de grasas desde el hígado se produce utilizando un tipo de complejos lipoproteicos específicos denominados VLDL. Mediante un proceso muy similar al de los quilomicrones, estas partículas consiguen que los ácidos grasos lleguen al tejido adiposo, donde serán almacenados en forma de grasas. De esta forma, la energía consumida en exceso puede ser almacenada.

Estos mecanismos, que han permitido sobrevivir al ser humano desde su aparición en la tierra, hoy día están causando la muerte a millones de personas en los países ricos. El cambio en los hábitos alimenticios de los habitantes de estas regiones del planeta, que implica mayor número de ingestas al día con un mayor número de grasas y azúcares, hace que los mecanismos de reserva energética hayan perdido, en parte, su virtud. Hay que destacar el papel fundamental que realiza la insulina en este proceso. Desde que es secretada hasta que desaparece de la sangre, proceso que suele durar entre dos y cuatro horas, los tejidos no catabolizan las grasas, ya que el proceso de β-oxidación (catabolismo de grasas) está inhibido por la acción de la hormona. De esta forma, las comidas entre horas, ayudan a mantener las reservas de grasas que, en caso de no haber gasto energético (a través del ejercicio físico), irán aumentando. Al no existir freno a los niveles que pueden ser acumulados de grasa, estas reservas pueden ser tan altas que terminan aplastando al resto de tejidos y órganos. Este caso extremo recibe el nombre de obesidad mórbida.

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¿QUÉ PASA SI DEJAMOS DE COMER?

En temas precedentes hemos visto por qué los organismos necesitan de una fuente de energía y de materia para poder vivir, así como diferentes mecanismos para conseguirlo. Los organismos autótrofos, al ser capaces de producir su propia materia orgánica y obtener la energía que necesitan de ella, solo son dependientes de la luz del sol y de algunos componentes inorgánicos de la corteza (sales minerales, CO2, etc.). Sin embargo, los organismos heterótrofos sobreviven gracias a la utilización de la materia orgánica producida por otros como componente estructural y como fuente de energía. Teniendo en cuenta la dependencia de estos organismos de la materia orgánica y que ellos mismos están constituidos por estas moléculas, no es de extrañar que, en caso de necesidad, puedan usar sus propias moléculas como fuente de energía. Resulta igual de evidente que si el organismo hace un uso excesivo de sus moléculas, en determinado momento no podrá mantener su vida. En este apartado vamos a estudiar cuáles son los pasos que se suceden en el cuerpo humano como consecuencia de la falta de alimento y de los mecanismos moleculares que intentan paliar estos catastróficos efectos. Hay que tener en cuenta que dos son los tejidos que los mamíferos necesitamos mantener en funcionamiento a toda costa: el sistema nervioso central (el más prioritario) y el músculo, y ambos funcionan fundamentalmente con glucosa. Por eso, los diferentes mecanismos que vamos a estudiar aquí tienen como principal objetivo mantener la glucemia en sangre y permitir que estos tejidos funcionen.

Comencemos por el estado absortivo, que corresponde al intervalo de tiempo desde que comemos hasta tres o cuatro horas posteriores. Poco tiempo después de empezar a comer el plasma de la sangre sufre una serie de cambios en su composición, producida por la absorción intestinal de los nutrientes de la dieta. Si suponemos que se realiza una ingesta equilibrada (un 60 % azúcares, un 25 % grasas y un 15 % de proteínas,) observamos un episodio de hiperglucemia, así como algo de hiperlipidemia y hiperaminoacidemia en la sangre. En respuesta a estos cambios, las células β del páncreas secretan insulina, hormona que, como ya estudiamos, controla el metabolismo celular (fundamentalmente en hígado, tejido adiposo y músculo). Esto estimula en estas células la captación de glucosa, la formación de glucógeno en hígado y músculo y la síntesis de lípidos en los adipocitos. Además, la β-oxidación de ácidos grasos queda bloqueada. Esta situación puede durar hasta cuatro horas después de la ingesta. Pasado este momento se dice que comienza el ayuno.

El estado de ayuno puede ser dividido en diferentes fases. Entre las cuatro y ocho horas después de la ingesta, período conocido como postabsortivo, los niveles de glucosa en sangre son normalizados, incluso pueden bajar de los 5 mM que se consideran normales. En este caso se produce liberación de glucagón, también por el páncreas, y una descomposición del glucógeno acumulado en el hígado (glucogenolisis), lo que permite mantener esos niveles adecuados de glucosa en sangre.

Pasadas las ocho horas y hasta las veinticuatro horas después de haber comido, hablamos de ayuno temprano, aquel que de forma obligada tiene que enfrentar continuamente nuestro organismo, ya que durante las horas de sueño no hay ingesta de alimento. Comienza a caer la glucemia en sangre y, por consiguiente, también los niveles de insulina, lo que produce un aumento de los niveles glucagón. Como consecuencia de este estrés, se dispara la liberación de adrenalina y ACTH (hormona adrenocorticotropa) desde la hipófisis, lo que induce a la producción de corticoides en las glándulas suprarrenales. Todos estos cambios hormonales conducen a una situación generalizada de gluconeogénesis (producción de glucosa) en todo el organismo, pero fundamentalmente en el hígado. Por ejemplo, el músculo utiliza el piruvato para transformarlo en el aminoácido alanina (Ala), que es secretado a la sangre para llegar al hígado. Aquí, la alanina puede ser transformada en glucosa, por la acción gluconeogénica estimulada y devuelta a la sangre, desde donde puede ser repartida al tejido que lo necesita. Como ya no hay insulina en la sangre, los receptores GLUT-4, que permiten la entrada de glucosa en músculo e hígado, desaparecen, y por tanto la entrada de glucosa es inhibida en estas células, se permite de esta forma que la glucosa llegue al cerebro. Este proceso se conoce como ciclo glucosa-alanina (o ciclo de Cahill) y supone una doble ayuda para el cerebro: además de ayudar a la producción de glucosa para él, evita que el amonio producido en el proceso de conversión circule por la sangre, ya que es altamente tóxico para el cerebro. En el ayuno temprano también se produce la movilización de triglicéridos almacenados en el tejido adiposo, que salen en forma de glicerol y ácido grasos a la sangre. El glicerol podrá ser utilizado por el hígado para producir más glucosa. Por su parte, los ácidos grasos viajan a los tejidos periféricos (no glucogénicos) unidos a la proteína más abundante en el plasma, llamada albúmina, y son utilizados como fuente de energía a través de su β-oxidación. Hay que recordar que la glucosa no puede formarse a partir de los ácidos grasos de cadena par, sino solo desde aquellos pocos que presentan un número impar de carbonos en su cadena alifática, cuyo catabolismo produce propionil-CoA.

Entre las 24 y 48 horas después de la última ingesta, el organismo entra en la fase denominada ayuno intermedio, donde se mantiene la actividad gluconeogénica generalizada. En este período comienza a eliminarse cantidades relativamente importantes de nitrógeno del organismo. La síntesis de glucosa a partir de alanina empieza a producirse también en el músculo, lo que produce aumentos del NH3 en la sangre. Este amoniaco, junto con el producido por el hígado como consecuencia del ciclo glucosa-alanina, es transformado en urea por el propio hígado, y esta es secretada por la orina.

Como consecuencia de la ausencia de piruvato en el hígado por su utilización en la síntesis de glucosa, se producen los cuerpos cetónicos (como la acetona). Estos compuestos, que normalmente se encuentran en concentraciones menores a 1 mM en sangre, pasan a superar los 12 mM, lo que va a producir que el sistema nervioso cambie de combustible. En efecto, en ausencia de glucosa, las neuronas utilizan los cuerpos cetónicos como fuente de energía a través de su β-oxidación. Este cambio de sustrato se produce por la acumulación de acetil-CoA y la consecuente acumulación de citrato (recuérdese el ciclo de Krebs), lo que inhibe la piruvato deshidrogenasa y detiene la glucólisis.

El tiempo que una persona de 70 kg de peso puede estar sin ingerir alimento ronda los dos meses. Ese período de tiempo entre el ayuno intermedio y la muerte por inanición se conoce como ayuno prolongado. Una vez agotadas las reservas de grasa, solo el uso de los aminoácidos provenientes de las proteínas puede seguir aportando energía. Las primeras proteínas que comienzan a ser catabolizadas son las sanguíneas. Concretamente los anticuerpos son unas de las primeras proteínas que comienzan a desaparecer del plasma. Como consecuencia, el organismo se hace mucho más sensible a las infecciones, lo que inevitablemente agrava aún más la situación ya de por sí crítica de la persona. Junto a los anticuerpos, la albúmina también es degradada, lo que tiene consecuencias desastrosas para todo el organismo. Como hemos comentado, la albúmina es la proteína más abundante del plasma (representa algo más del 50 % de la proteína total) y esa cantidad le hace en gran medida responsable de la carga total de soluto que viaja por la sangre. Una disminución drástica de la concentración de albúmina produce que la concentración total de soluto del plasma baje, y por efecto de la ósmosis, el agua de los vasos tienda a salir, lo que se manifiesta en forma de edemas y un claro abultamiento de la zona abdominal y de los pies por la acumulación de líquidos. Finalmente, el catabolismo de las proteínas musculares termina por impedir la contracción muscular, y produce la muerte por parada cardiorrespiratoria.

La inanición. En situaciones avanzadas de ayuno prolongado, la bajada de los niveles de proteínas en sangre (albúmina fundamentalmente) produce la salida de agua de los vasos sanguíneos, lo que produce el abultamiento de la zona abdominal y los pies.

BIOQUÍMICA APLICADA

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¿PODEMOS VER LAS MOLÉCULAS?

El ser humano aprendió hace siglos a utilizar lentes para conseguir aumentar la resolución del ojo y de esta forma conseguir aproximarse cientos o incluso miles de veces a los objetos que observa. En los microscopios, por ejemplo, varias lentes son situadas en serie para conseguir ver cuerpos diminutos, aumentando la resolución de la imagen hasta 2 500 veces. Es decir, dos puntos que se encuentran separados por 1 mm, pasamos a verlos como si estuvieran separados por 2,5 metros. La capacidad de ampliación de imágenes que presentan las lentes convexas está limitada por la naturaleza material del objeto que se observa, de tal forma que, aunque aumentemos el número de lentes no se consigue aumentar ese límite de resolución. ¿Por qué?

Cuando vemos un objeto es porque parte de la luz que lo ilumina está siendo reflejada en su superficie, o refractada desde donde llega hasta nuestro ojo. Los cuerpos que vemos a simple vista o a través de un microscopio están formados por estructuras moleculares que permiten que la luz rebote en ellas. Hay que recordar que la luz visible está formada por un continuo de ondas electromagnéticas con longitudes de onda entre los 200 y 800 nm. Estas dimensiones de la luz visible establecen con qué formas materiales puede o no puede interaccionar. Cuerpos materiales con tamaños menores de 120 nm no pueden ser observados por lo menos mediante la luz visible, ya que esta no puede interaccionar con ellos. Es como intentar hacer rebotar un balón de baloncesto contra un alfiler.

No obstante, el trabajo conjunto de diferentes disciplinas científicas y técnicas ha permitido el desarrollo de métodos capaces de generar imágenes observables por los ojos y obtenidas a partir de entidades moleculares menores de 120 nm. Si el problema del microscopio óptico, como acabamos de ver, es el gran tamaño de la luz visible, es necesario emplear otra fuente de luz con menores dimensiones. Este es el caso, por ejemplo, de un chorro de electrones. Los electrones son partículas muy pequeñas con un radio calculado de aproximadamente 0,000003 nm. Como resulta evidente, estas partículas subatómicas son capaces de interaccionar con prácticamente toda clase de cuerpo material. De esta forma se desarrollaron los primeros microscopios electrónicos a mediados de los años treinta del siglo pasado. Este tipo de microscopio, a diferencia del óptico, utiliza una fuente de electrones y un sistema de electroimanes para acelerar los electrones producidos y lanzarlos sobre la muestra. Existen dos formas en la que los electrones interaccionan con la muestra, permitiendo la obtención de la imagen, y ellas dan nombre a los dos tipos de microscopía electrónica empleadas en los laboratorios: Por un lado está la microscopía electrónica de barrido (MEB). En este caso, la muestra es recubierta con una fina capa de algún metal (como el cadmio) que impide que los electrones atraviesen la muestra y hace que salgan rebotados hacia un detector. La señal eléctrica que recibe el detector es amplificada y enviada a un computador, que transforma la señal en una imagen de píxeles en un monitor. Con este tipo de técnica se puede observar la superficie en relieve de cuerpos nanométricos con un nivel de resolución más de cien veces superior al microscopio óptico. Por otro lado está la microscopía electrónica de transmisión (MET). En este tipo de microscopía, los electrones atraviesan la muestra, que previamente ha sido deshidratada, hasta colisionar con un detector localizado debajo de la muestra. Cuanta mayor densidad presenta una zona de la muestra, más dificultad tienen los electrones para pasar a su través, con lo que llega un menor número de electrones al detector debajo de esas regiones. Las variaciones en la intensidad de las señales eléctricas son interpretadas por un computador que muestra en la pantalla la imagen obtenida: imágenes planas, sin colores y con aumentos en la resolución de la imagen que puede llegar hasta las 500 000 veces. Las partículas víricas o los ribosomas pueden ser reconocidos con este nivel de aumento. Sin embargo, la resolución atómica, es decir, identificar la posición que ocupan en el espacio los átomos que componen la muestra, está aún lejos de este nivel de aumento. Aun así, la insaciable curiosidad del ser humano ha derivado en inventar metodología aún más potente, capaz de llegar al nivel de resolución atómica.

La microscopía de efecto túnel se ha mostrado capaz de identificar la presencia de determinados átomos sobre una superficie, y de esa forma permite establecer la estructura de moléculas simples y planas. Para realizar esta técnica, la muestra, que se coloca sobre una superficie cargada, debe estar en una cámara ultra vacía. Por otro lado, un brazo pendulante se desplaza sobre la muestra. En la punta de este brazo se encuentra la sonda, que es la responsable de establecer la resolución del método. Existen sondas cuyo extremo está formado por un único átomo y por tanto son capaces de detectar variaciones de tamaño de escala atómica. El brazo de la sonda es capaz de detectar variaciones en la oscilación, derivadas de la colisión de la sonda con los átomos de la superficie de la muestra, gracias a que el computador es capaz de procesar estas variaciones y representarlas en una pantalla. Como resultado se obtienen picos de alturas sobre una superficie, donde cada pico es el lugar ocupado por un átomo. Aunque esta técnica ha permitido, por ejemplo, confirmar la distancia de enlace en determinadas moléculas, o crear modelos de la superficie de algunas macromoléculas, la mayor limitación del método es la incapacidad de detectar la posición de los átomos en moléculas globulares complejas, como las proteínas o los ácidos nucleicos.

Existen dos métodos que son empleados hoy día para desentrañar la estructura atómica de las macromoléculas: la cristalografía en rayos X y la resonancia magnética nuclear (RMN). Para determinar la posición que ocupan los diferentes átomos de una molécula mediante cristalografía en rayos X, el primer paso es obtener un cristal regular que contenga la molécula que se va a estudiar. Todo cristal es una estructura regular formada por la repetición de la denominada celda unitaria. Esta celda poligonal contiene todos los átomos de la molécula, y todas las celdas del cristal son idénticas, es decir, en todas ellas la posición de cada átomo de la molécula cristalizada ocupa la misma coordenada dentro del cristal. Cuando el cristal es irradiado con rayos X, estos rebotan en los átomos del cristal, e inciden sobre una película fotosensible. Mediante complejas operaciones matemáticas, las señales obtenidas pueden convertirse en mapas tridimensionales, donde la posición de cada átomo de la celda unidad es localizada.

Niveles de resolución. A. Microscopio óptico (protozoo ciliado). B. Microscopio electrónico de barrido (mosquito). C. Microscopio electrónico de trasmisión (virus de la gripe H1N1). D. Cristalografía en rayos X / Resonancia magnética nuclear (molécula de penicilina).

Aunque continuamente se desarrollan nuevas técnicas para conseguir cristalizar moléculas, incluidos grandes complejos multiproteicos, existen algunas moléculas que no han podido ser cristalizadas y, por tanto, no han podido ser analizadas con esta técnica. En estos casos en los que la molécula no puede ser cristalizada, el único método capaz de determinar su estructura atómica es la resonancia magnética nuclear. En este caso, la molécula a estudiar se encuentra en disolución y es colocada en el interior de un potente campo magnético. Cuando la muestra es sometida a ondas de radio, algunos átomos, fundamentalmente los hidrógenos, emiten radiaciones que pueden ser captadas por un detector. El procesamiento de los datos obtenidos por el detector, son transformados en imágenes tridimensionales de la molécula. Teniendo en cuenta que algunas moléculas presentan flexibilidad en su estructura y que para realizar esta técnica las moléculas se encuentran solubles, el resultado de la resonancia puede generar imágenes superpuestas de las diferentes estructuras que puede adoptar la molécula en el espacio. Así, esta metodología permite establecer la capacidad de torsión y la movilidad de muchas proteínas.

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¿CUÁL ES EL MÉTODO QUE UTILIZAN LOS LABORATORIOS PARA SABER SI TIENES ALTAS LAS TRANSAMINASAS?

En el apartado anterior hemos repasado los métodos más frecuentemente utilizados para establecer cómo está estructurada en el espacio una molécula. Sin embargo, para poder llegar a definir los procesos bioquímicos en los que participa, es necesario establecer otros parámetros importantes, como su cantidad, distribución en el organismo o moléculas con las que interacciona. En este apartado vamos estudiar algunos de los métodos que nos permiten establecer algunos de estos parámetros, utilizaremos como ejemplo el caso concreto de las proteínas.

Uno de los métodos más simples y rápidos para determinar la cantidad de cierta proteína en una muestra biológica es el ELISA (acrónimo del término inglés enzyme-linked immunosorbent assay). Para poder realizar esta técnica se necesita de un anticuerpo que reconozca específicamente esa proteína. Recordemos que los anticuerpos son proteínas que pueden unirse específicamente a un antígeno concreto. Hoy día, podemos adquirir comercialmente un gran número de anticuerpos con distintas especificidades. Por ejemplo, si queremos determinar la cantidad de hemoglobina que hay en una muestra procedente de un perro, utilizaremos un anticuerpo anti hemoglobina canina. El primer paso para realizar el ELISA consiste en unir todas las proteínas de la muestra en el fondo de pequeñas hendiduras (pocillos) de plástico. El fondo de estos pozos presenta una composición química que une covalentemente cualquier proteína que se ponga en contacto. A continuación hay que adicionar alguna proteína no relacionada (normalmente se utilizan las proteínas de la leche o albúmina de suero), que va a unirse a la misma superficie, en los espacios no ocupados por las proteínas de la muestra. Este paso recibe el nombre de «bloqueo», ya que el objetivo es impedir que cuando añadamos los anticuerpos estos se unan también al fondo de la placa, lo que daría una señal inespecífica. Una vez bloqueado, se adiciona el anticuerpo, que tras una incubación de un par de horas conseguirá unirse a sus proteínas diana. Después se realizan unos lavados, utilizando detergentes suaves para retirar del pocillo los anticuerpos que no se han unido. Para establecer la cantidad de anticuerpo que se ha unido en cada pocillo utilizamos un segundo anticuerpo, que reconoce específicamente los anticuerpos primarios. Es decir, si teníamos un anticuerpo anti hemoglobina canina hecho en conejo, usaremos un anticuerpo secundario que reconozca los anticuerpos del conejo. Este anticuerpo secundario, además, lleva unida una enzima que será capaz de modificar un compuesto para darle color. De esta forma, tras la incubación con el anticuerpo secundario y realizar más lavados para eliminar los anticuerpo no unidos, se adiciona el sustrato de la enzima, que es metabolizado para dar color a la solución presente en ese pocillo. Así, cuantas más proteínas de interés había en la muestra original, más color presentará el pocillo al final del experimento. La intensidad de color que presenta una disolución puede ser cuantificada con un colorímetro o espectrofotómetro, aparato basado en la ley de Lambert-Beer capaz de registrar la variación en la intensidad de la luz que atraviesa la muestra (parámetro denominado absorbancia).

Otro método extensamente utilizado, tanto en la clínica como en investigación, es la electroforesis. La electroforesis es una técnica que permite separar las proteínas u otras moléculas de una muestra en función de varios parámetros, por ejemplo su tamaño. En general, consiste en arrastrar la mezcla de proteínas a través de una matriz y empujarlas mediante la aplicación de un campo eléctrico. Aunque existen multitud de técnicas electroforéticas, aquí vamos a resumir brevemente dos de ellas: el SDS-PAGE (en inglés sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis) y el isoelectroenfoque.

La técnica de ELISA. Se representan los principales pasos del proceso de ELISA, que permite cuantificar la unión de cierto anticuerpo (Ab primario) a un antígeno concreto (triángulo; proteína de interés).

El SDS-PAGE está basado en el empleo de un detergente iónico llamado dodecilsulfato sódico (SDS). Esta molécula tiene la propiedad de unirse específicamente a los enlaces peptídicos de las proteínas. La fuerte carga negativa aportada por el grupo sulfato (-SO4-) hace que apantalle las posibles cargas que presenten los aminoácidos adyacentes al enlace. De esta forma, aparte de desnaturalizar muy eficazmente las proteínas, da a todas ellas carga negativa. Además, como el número de moléculas de SDS que pueden unirse a las proteínas depende del número de aminoácidos que estas presentan, todas las proteínas de una muestra tratada con este detergente iónico adquieren la misma relación carga/masa. Mayor tamaño (más aminoácidos), mayor cantidad de cargas negativas. Al someter esta mezcla a un campo eléctrico, todas las proteínas serán empujadas con una misma fuerza y se desplazarán todas a la misma velocidad dentro del campo. Si ahora hacemos pasar las proteínas a través de una matriz muy fina, las proteínas serán frenadas en función de su tamaño: cuanto mayor sea el tamaño de la proteína que entra en la matriz, más rozamiento sufrirá y más despacio avanzará por ella. De esta forma, tras un tiempo sometidas al campo eléctrico, las proteínas se separan por su tamaño, y quedan las de mayor tamaño más alejadas del ánodo.

El isoelectroenfoque. Separación de una mezcla que contiene tres hipotéticas proteínas con puntos isoeléctricos (pI) diferentes. Una vez distribuida la muestra por el gradiente, el campo eléctrico desplazará las proteínas hasta que alcancen la posición dentro del gradiente correspondiente con su pI.

El isoelectroenfoque consiste en separar las proteínas en función de su punto isoeléctrico. Como ya estudiamos, un aminoácido puede presentar diferentes cargas dependiendo del pH en el que se encuentre (recordemos el concepto de pKa estudiado en el bloque I) y también puede existir cierto pH en el que pierde su carga. El valor de pH al que un aminoácido pierde la carga se denomina punto isoeléctrico (pI) y es específico de cada aminoácido. Como cada proteína tiene una cadena de aminoácidos única, es fácil entender que cada proteína presentará también un pI específico en el que perderá su carga. Si colocamos una mezcla de proteínas sobre un gradiente de pH (una tira de gel que altera paulatinamente su pH a lo largo de un eje longitudinal) y aplicamos un campo eléctrico en la orientación apropiado (haciendo coincidir el ánodo (polo +) con el pH más ácido), los aminoácidos se repartirán en el gradiente, se arrastrarán hasta alcanzar la posición dentro del gradiente que corresponda con su pI. Aquí, la proteína perderá su carga y el campo eléctrico dejará de empujarla. Tras el isoelectroenfoque, cada una de las proteínas de la mezcla estará localizada en la posición correspondiente a su pI.

Como resultado de ambas técnicas se obtiene un código de barras, denominado «proteinograma», que será característico en cada tipo de muestra. Así, si analizamos las proteínas del plasma de un individuo sano, el resultado obtenido mostrará un patrón de bandas específico. En caso de que el individuo presente alguna alteración en el proteinograma, querrá decir que la mezcla de proteínas de su sangre está afectada por alguna causa que, dependiendo de la proteína (banda) concreta afectada, podría relacionarse con una u otra patología. Este es el caso de las transaminasas, que por daño en corazón, músculo o hígado, pueden verse aumentados sus niveles en la sangre.

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¿SE PUEDE AISLAR UNA PROTEÍNA?

El conocimiento que hoy día tenemos sobre cómo se sintetizan y funcionan muchas proteínas presentes en los organismos vivos permite un avance sin precedentes en el desarrollo de nuevas aplicaciones biotecnológicas. Desde hace milenios el ser humano utiliza las proteínas presentes en diferentes organismos para permitir o facilitar ciertos procesos, obviamente sin conocer siquiera la existencia de estas macromoléculas. En las sociedades actuales, multitud de proteínas, codificadas en los genomas de organismos muy diferentes, son utilizadas para realizar procesos tan diversos como el tratamiento de enfermedades o producir detergentes con mayor poder limpiador. Cuando la proteína de interés es muy abundante en un órgano, tejido o tipo de célula, es posible hacer la purificación directamente desde el organismo que la produce.

Los métodos de purificación de proteínas más extensamente utilizados están basados en técnicas cromatográficas. De forma general, la cromatografía consiste en hacer pasar una mezcla de moléculas disueltas en una disolución (lo que se denomina fase móvil o fluida de la cromatografía) a través de una matriz o fase sólida que permite repartir (separar) los diferentes componentes de la mezcla en base a determinadas característica fisicoquímica. La fase sólida suele estar contenida dentro de una columna, a través de la cual fluye la mezcla, cuyos componentes se separan antes de salir por el extremo, donde son recogidas en diferentes fracciones. Algunas de las fracciones obtenidas estarán enriquecidas en la proteína de interés. Aunque existen muchos tipos de cromatografía, aquí vamos a explicar brevemente dos, denominadas de intercambio iónico y de afinidad. La primera de ellas está basada en que cada proteína presenta un punto isoeléctrico determinado. Como ya explicamos, el pH de la disolución en el que se encuentra una proteína establece las cargas de los grupos laterales de los aminoácidos que la componen, de tal forma que en un medio ácido las proteínas tienden a adquirir carga positiva por la protonación de los grupos carboxilo (-COO- que pasa a -COOH) y de los grupos amino (-NH2 que pasa a -NH3+). Si hacemos pasar esta mezcla ácida a través de una matriz cargada negativamente, la mayor parte de las proteínas quedarán unidas a ella. Posteriormente, se hace pasar secuencialmente diferentes disoluciones a través de la columna, cada vez con un pH más alto, consiguiendo con cada solución liberar aquellas proteínas cuyo punto isoeléctrico (pH en el que la proteína no tiene carga) ha sido alcanzado y/o superado. Así, como sabemos que el pH al que eluye la proteína de interés, somos capaces de obtener fracciones muy enriquecidas.

La cromatografía de afinidad se caracteriza en que la fase sólida presenta unida una molécula que interacciona, no covalentemente, con la proteína de interés. Supongamos que queremos purificar cierta enzima de una mezcla y colocamos su sustrato unido a la fase sólida. Al pasar por la columna, la enzima quedará retenida por interaccionar con el sustrato, mientras que el resto de proteínas eluirán rápidamente. Como la interacción es transitoria, para liberar la enzima de la columna simplemente hay que pasar el sustrato disuelto en la fase móvil.

En el caso de que la proteína de interés no sea una enzima o que no se conozca de moléculas que interaccionen con ella, es posible utilizar anticuerpos. La alta especificidad de interacción de los anticuerpos con su antígeno hace que, si colocamos anticuerpos contra la proteína de interés en la columna, al pasar la fase móvil solo ella quede retenida. Para la elución de la proteína de la columna se puede pasar una solución que altere el pH o la salinidad, lo que impide la interacción y la libera.

Dependiendo de la pureza que se requiera, es posible realizar diferentes pasos cromatográficos o combinarlos con otros métodos (como el SDS-PAGE que ya comentamos, aunque en este caso la cantidad obtenida en muy pequeña). Gracias a estos métodos, muchos de los componentes proteicos de los diferentes extractos que tradicionalmente usan los seres humanos han podido ser purificados y estudiados.

La cromatografía de afinidad. Queremos aislar una hipotética proteína (enzima; pentágono) que presenta afinidad por un sustrato conocido (cuadrado negro). Tras hacer pasar la mezcla de proteínas por la columna, la enzima que queremos aislar queda unida, separándose del resto de la mezcla, que sale de la columna (izquierda). Al adicionar el sustrato soluble en la fase móvil se consigue liberar la enzima (derecha).

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¿HAY BISTURÍS QUE HUELEN EL CÁNCER?

En las preguntas anteriores hemos visto diferentes técnicas que permiten identificar la presencia de cierta proteína en una muestra. Sin embargo, para todas ellas necesitamos conocer previamente de qué proteína se trata. Ahora vamos a explicar cómo es posible identificar una proteína, es decir, saber cuál es su secuencia de aminoácidos o cuál es el gen que la codifica.

Uno de los primeros métodos desarrollados, conocido como degradación de Edman, permite establecer la secuencia de pequeños péptidos de hasta veinte aminoácidos aproximadamente. El proceso, ideado por el sueco Pehr V. Edman a mediados del siglo pasado, consiste en eliminar un aminoácido detrás de otro desde el extremo amino-terminal de la proteína. Los aminoácidos escindidos pueden ser identificados por diferentes métodos. Uno de estos métodos es la espectrometría de masas.

La espectrometría de masas es una técnica que permite establecer con mucha precisión la masa de las partículas que conforman una mezcla. La precisión es tal que podemos discriminar entre dos moléculas que se diferencien en un único átomo de hidrógeno (un protón). La única limitación que presenta la técnica es que todas las partículas tienen que estar igualmente ionizadas, por ejemplo, que todas las partículas tengan una única carga positiva. En estas condiciones, las partículas cargadas son aceleradas dentro de un tubo al vacío con ayuda de unos electroimanes. Calculando el tiempo que tarda en llegar cada una de las partículas al detector localizado en la parte alta del tubo, se puede establecer la masa relativa de la partícula, ya que cuanto mayor es la partícula (menor relación carga/masa), más tiempo tarda en alcanzar el detector. Como resultado se obtiene un espectro en el que cada pico corresponde a una partícula con un tamaño determinado. Mediante un calibrado en el que se hacen volar moléculas de tamaño conocido, es posible identificar, por ejemplo, el aminoácido que es escindido de la degradación de Edman de una proteína, ya que cada uno de ellos tiene una masa determinada.

Ciertas aplicaciones de la espectrometría de masas, que emplean tecnología más modernas, permiten identificar una proteína de forma mucho más eficiente que con el método de Edman. Posiblemente, la tecnología más extensamente empleada, concretamente para la identificación de proteínas, sea la denominada MALDI Tof-Tof (acrónimo en inglés de ʿdesorción/ionización láser asistida por matrizʿ; ʿtiempo de vueloʾ). ¿En qué consiste?

Espectrometría de masas. Esquema del funcionamiento de la técnica de MALDI-Tof. En la parte superior se muestra un hipotético espectro, donde se observan los tres picos correspondientes a cada partícula (círculos).

Lo primero que tenemos que realizar es una tripsinización de la muestra de proteínas que queremos identificar. La tripsina es una proteasa secretada por el páncreas al intestino que corta otras proteínas en aminoácidos de lisina (Lys, K) o arginina (Arg, R). De esta forma, tras la tripsinización de una muestra proteica, se obtiene un conjunto de péptidos procedentes de la fragmentación de las proteínas contenidas en la muestra, la mayor parte de ellos tienen un aminoácido de K o R en sus extremos. Ahora, esos fragmentos son sumergidos en una matriz e introducidos dentro del tubo al vacío. Mediante excitación con un pulso láser, la matriz se descompone y lanza los fragmentos peptídicos que contiene hacia los electroimanes. Además, como consecuencia de la excitación de la matriz, los péptidos adquieren una potente carga (positiva normalmente, aunque puede ser negativa dependiendo del tipo de matriz), y permiten que los electroimanes los aceleren hacia el detector. Tras establecer el tiempo de vuelo de los péptidos más representativos (el tamaño exacto de los diferentes péptidos presentes en la muestra), se realiza una segunda fragmentación, pero ahora de cada uno de esos péptidos de forma aislada. Mediante el control de la potencia de los electroimanes, es posible hacer volar solo uno de los péptidos, que se fragmenta al colisionar con un chorro de helio (He) u otro gas inerte. Con la identificación de los fragmentos liberados por las colisiones efectivas (aquellas que liberan un fragmento con una carga positiva), es posible establecer la secuencia exacta de cada uno de los péptidos identificados en el primer vuelo. Existen programas informáticos que son capaces de comparar la secuencia de los péptidos obtenidos con los péptidos que daría la digestión con tripsina de cada una de las proteínas codificadas en el genoma del organismo que estamos estudiando, lo que es posible gracias a las bases de datos con los resultados de los diferentes proyectos genoma. De esta forma, el programa establece una lista con las posibles proteínas que pueden contener esos péptidos y asocia un valor de confianza a cada una. Cuantos más péptidos de una misma proteína son identificados, lo que se denomina mayor cobertura de la proteína, mayor será la probabilidad de ser correcta la identificación.

En general, podemos decir que la espectrometría de masas permite obtener una huella digital de cada proteína, ya que cada una produce un espectro específico, de tal forma que, una vez identificada una proteína, su presencia de una muestra puede ser fácilmente detectada. Las aplicaciones de estas técnicas son muchas, tanto a nivel de investigación como médico.

Cuando se extirpa un tumor, el cirujano tiene que estar seguro de retirar todo el tejido tumoral, ya que de lo contrario volverá a reproducirse. Tradicionalmente, en la misma sala de operaciones y con ayuda de un microscopio, un patólogo analiza fragmentos del tejido eliminado por el cirujano. Este proceso necesita mucho tiempo, lo que hace que las intervenciones se alarguen durante horas, que aumente notablemente el estrés para el organismo del paciente y la posibilidad de que surjan complicaciones. Recientemente, ha sido desarrollado un bisturí que, a medida que corta el tejido, aspira pequeñas muestras que son analizadas por espectrometría de masas. Como la célula tumoral presenta ciertas proteínas alteradas, es posible identificarlas a tiempo real. En el momento que los péptidos asociados al tumor desaparecen, el bisturí avisa al cirujano para que deje de eliminar tejido.

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¿EN QUÉ CONSISTE UN TEST DE EMBARAZO?

Los vertebrados, y fundamentalmente los mamíferos, presentan un sistema inmunitario que, entre otras muchas acciones, es capaz de producir gran cantidad de anticuerpos contra cualquier proteína extraña (que no pertenezca al organismo). Como ya estudiamos, durante el proceso de maduración de los linfocitos B, se produce la recombinación génica de los elementos V, D y J de las inmunoglobulinas. Así, cada célula B que sale de la médula ósea presenta en su membrana un anticuerpo diferente que reconoce específicamente un epítopo (una parte concreta del antígeno). Cuando cierto antígeno entra en nuestro organismo y se une al anticuerpo que lo reconoce, la célula B que lo porta se activa, lo que implica que empiece a dividirse (expansión clonal) y a secretar esos anticuerpos al plasma sanguíneo.

De esta forma, para obtener anticuerpos contra determinada proteína solamente necesitamos introducirla dentro de un mamífero y esperar a que el plasma de su sangre se llene de anticuerpos contra ella. Por diferentes razones, hay algunas proteínas que apenas disparan la respuesta inmunitaria y, por tanto, son incapaces de hacer que se produzcan anticuerpos. En este caso es necesario el empleo de adyuvantes. Los adyuvantes son compuestos que consiguen estimular al sistema inmunitario para generar anticuerpos contra el antígeno que les acompaña. Además, pueden realizarse varias inoculaciones de la proteína (espaciadas en el tiempo) para conseguir aumentar la producción de los anticuerpos. Una vez alcanzado una cantidad adecuada, lo que puede ser monitorizado mediante un ELISA, la sangre del animal es extraída. Tras dejar coagular la sangre y centrifugarla, se obtiene el suero sanguíneo (la fracción sin células ni plaquetas) rico en anticuerpos. Este inmunosuero, además de presentar muchos anticuerpos contra la proteína inoculada, presenta otras proteínas, incluidos anticuerpos que puede presentar el animal por haber tenido contacto con otros antígenos. Desde el inmunosuero pueden ser purificados los anticuerpos de interés mediante cromatografía de afinidad, colocando el antígeno en la fase sólida.

Este método que acabamos de ver consigue cantidades más o menos grandes de los que se denominan anticuerpos policlonales, que han sido producidos por diferentes clones de linfocito B y, que por tanto, pueden reconocer diferentes partes (epítopos) del mismo antígeno. Sin embargo, también es posible obtener anticuerpos monoclonales, es decir, que son producidos por un único clon de célula B, y que reconocen exclusivamente un epítopo del antígeno de interés. Para ello, desde la sangre extraída del animal inmunizado (que en este caso siempre es un ratón) se aíslan las células B, y se separa cada una de ellas de forma individual en un cultivo mediante diluciones seriadas. Así, obtenemos cientos de cultivos, cada uno de ellos contiene un clon de célula B. Como después de la expansión clonal los linfocitos dejan de tener la capacidad de dividirse, para que puedan crecer los clones que hemos aislado, los fusionamos con una célula tumoral del ratón. En presencia de polietilenglicol las membranas y los núcleos de las dos células (el clon del linfocito B y la célula tumoral) se fusionan y generan una célula híbrida que recibe el nombre de hibridoma. Estos secretan anticuerpos como célula B, pero no para de dividirse formando tumores en el cultivo. Para identificar cuál o cuáles de los cultivos producen los anticuerpos que reconocen la proteína de interés o cierta parte de ella, se emplea también el ELISA.

La posibilidad de producir anticuerpos altamente específicos contra cierta proteína, o contra una parte concreta de ella, supone una poderosa herramienta para la investigación biomédica. Pero, además, los anticuerpos pueden ser empleados tanto con fines diagnósticos como terapéuticos. Desde el punto de vista diagnóstico, un buen ejemplo de su utilidad son los test de embarazo, basados en la detección de la gonadotropina coriónica humana (GCH). Cuando el cigoto se implanta en el endometrio se comienza a secretar a la sangre GCH, que en parte es expulsada por la orina. La mayoría de los test de embarazo están basados en un tipo de cromatografía denominada «en capa fina», donde la orina avanza a través de una matriz por capilaridad. En esa matriz se encuentran anticuerpos específicos contra la GCH. Como una misma molécula de anticuerpo puede unir dos moléculas de GCH, la presencia de la hormona induce a la formación de entramados tridimensionales de anticuerpos que precipitan y forman una banda visible. Los anticuerpos no unidos a la hormona son arrastrados hasta el final de la matriz, donde se acumulan y forman otra banda (banda control). Así, si tras colocar la orina aparecen dos bandas, querrá decir que hay hormona en la orina, y por tanto que ha dado comienzo la gestación, mientras que si solo aparece la banda control indica que no hay embarazo.

Por otra parte, desde el punto de vista terapéutico, uno de los usos más extendidos son los anticuerpos bloqueantes. Muchos patógenos producen enfermedad como consecuencia de la secreción de toxinas. Este es el caso de Clostridium tetani, agente causante del tétanos. La toxina tetánica, una pequeña proteína llamada tetanoespasmina, penetra en el sistema nervioso central y afecta a la liberación de neurotransmisores al espacio sináptico, causando fuertes espasmos e incluso la muerte. Mediante la administración de anticuerpos específicos contra esta toxina es posible bloquear su entrada al sistema nervioso, para frenar su efecto y dar tiempo al sistema inmunitario a terminar con la bacteria. Los anticuerpos obtenidos por los métodos que acabamos de ver, al estar producidos en una especie diferente a la humana, existe un alto riesgo de producirse una reacción inmunológica contra ellos. Para evitar este efecto, es necesario obtener anticuerpos humanizados, que pasen desapercibidos a nuestro sistema inmunológico.

Anticuerpos monoclonales. Cada uno de los hibridomas obtenidos a partir de un clon de células B produce un tipo de anticuerpo que reconoce una parte concreta de la proteína de interés.

Para obtener anticuerpos humanizados se comienza con la obtención de un hibridoma productor del anticuerpo que reconoce específicamente la proteína de interés, siguiendo el protocolo que acabamos de comentar para la obtención de anticuerpos monoclonales. Mediante técnicas de ingeniería genética, que veremos más adelante, es posible sustituir la región constante del gen de la inmunoglobulina de ese clon de célula B de ratón por la secuencia de la región constante humana. De esta forma, el clon comienza a secretar anticuerpos con la misma especificidad que antes. Pero ahora la mayor parte de la molécula es humana, evitando que sea reconocida como proteína extraña.

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¿PODEMOS ESTUDIAR EL GENOMA DE TUTANKAMÓN?

Posiblemente, la técnica más utilizada en los laboratorios de biología molecular de todo el mundo sea la conocida como PCR (siglas en inglés de ʿreacción en cadena de la polimerasaʾ). Esta técnica, ideada por el paquistaní Har Gobind Khorana (premio Nobel de química en 1968) pero perfeccionada e instaurada por el norteamericano Kary Mullis (premio nobel de química en 1993), permite obtener un gran número de copias de una región concreta de una molécula de ADN. Esta técnica tiene multitud de aplicaciones, y algunas de ellas serán comentadas más adelante. Ahora, nos centraremos en describir en qué consiste.

Para poder copiar una molécula de ADN, es decir, producir muchas moléculas de ADN con la misma secuencia que una original, se necesita simular el proceso de replicación semiconservativa que ocurre en la célula. Como ya estudiamos, el primer paso para poder replicar el ADN, y previo a la acción de la ADN-polimerasa, es la apertura de la doble hélice. Para ello, la célula emplea un gran número de factores proteicos diferentes, por lo que resulta imposible imposible reproducirlo en un tubo de ensayo de forma eficaz. Por eso, para conseguir abrir la doble hélice in vitro se utiliza simplemente calor. Toda molécula de ADN se desnaturaliza (separa sus hebras sin romperlas) a temperaturas superiores a los 95 °C. Una vez separadas la dos hebras, para que la polimerasa pueda funcionar, se necesita colocar un cebador (un extremo 3’-OH libre) en el lugar donde va a dar comienzo la copia. Para conseguir este extremo 3’-OH libre se utilizan pequeñas moléculas de ADN monocatenario (normalmente con un tamaños de entre diez y veinte pares de bases, pb) que reciben el nombre de oligonucleótidos, o simplemente oligos. La secuencia presente en un oligo es complementaria a determinada secuencia presente en la molécula de ADN molde. Para que el oligo se pueda unir (hibridar) a su secuencia complementaria es necesario que la temperatura sea la adecuada (normalmente entre los 45-65 °C). Como el ADN presenta dos hebras, para la replicación de cada una de ellas hará falta un oligo. Estos oligos son los responsables de establecer la especificidad de la técnica, es decir, definen qué secuencia concreta del ADN molde se va a amplificar. Una vez unidos los cebadores, la ADN-polimerasa podrá iniciar la síntesis de la hebra complementaria al molde, como siempre en dirección 3’→5’. La mayoría de las polimerasas conocidas realizan esta actividad a temperaturas relativamente bajas (25-37 °C). Mediante las etapas desnaturalización-anillamiento de los cebadores-polimerización, se puede realizar una copia de determinada secuencia del ADN molde, que viene determinada por la secuencia presente en los oligos.

Sin embargo, la baja temperatura a la que actúan estas polimerasas normales representa un doble inconveniente para poder hacer de esta técnica un método realmente eficiente de amplificación. Por un lado, al reducir tanto la temperatura durante la polimerización, se reduce la especificidad de unión de los oligos. Como consecuencia, la hibridación puede ocurrir en lugares aleatorios del ADN molde y genera diversos amplicones inespecíficos. Por otro lado, las enzimas que actúan a temperatura ambiente rara vez consiguen mantener su estructura por encima de los 65 °C, por lo que sufren el fenómeno que ya explicamos de desnaturalización. Por tanto, al emplear estas polimerasa, después de la fase de desnaturalización (95 °C), la enzima se destruiría y habría que añadir más, lo que implicaría un gasto importante de enzima, tiempo y calidad del resultado. Para evitar estos problemas derivados del uso de polimerasas normales el profesor Mullis ideó utilizar la ADN-polimerasa de una bacteria extremófila llamada Thermus aquaticus. Esta bacteria vive en las dorsales oceánicas, donde el calor del interior de la Tierra hace que el agua en esas zonas alcance temperaturas superiores a los 95 °C. Esta ADN-polimerasa, denominada Taq-polimerasa y, del mismo modo que el resto de proteínas de este organismo, presenta una estructura altamente estable, con una temperatura óptima de funcionamiento que ronda los 70 °C, su estructura a pesar de lo cual no se ve afectada incluso a temperaturas cercanas a las 100 °C. De esta forma, las tres fases del proceso de amplificación pueden realizarse de forma cíclica, solo con alterar la temperatura de la reacción.

En resumen, para amplificar una secuencia específica de ADN necesitamos incluir en el tubo de ensayo el ADN molde que porta la región que se quiere amplificar, un par de oligos con secuencias específicas (cada uno de ellos para amplificar una de las hebras), nucleótidos trifosfato (para que la polimerasa pueda sintetizar la hebra nueva) y la Taq-polimerasa. En ocasiones, pueden adicionarse otras sustancias, como el dimetilsulfóxido (DMSO), que ayudan a eliminar posibles estructuras secundarias formadas en el molde o los oligos, favoreciendo así un correcto proceso de hibridación. Esta mezcla de reacción será sometida a un número variable de ciclos de amplificación (95-[50-60]-70 °C), y obtiene un número de copias del ADN molde igual a 2n, donde n es el número de ciclos. Esto quiere decir que, en condiciones óptimas, desde una molécula de ADN molde podrían obtenerse aproximadamente 1012 copias con cuarenta ciclos (dos horas de experimento aproximadamente).

La PCR. Se indican los tres pasos que constituyen un ciclo de amplificación. Cada una de las moléculas obtenidas actuará como molde para el siguiente ciclo.

Uno de los problemas asociados al uso de la Taq-polimerasa es la poca fidelidad en las copias que realiza, pues comete aproximadamente un error por cada 9000 pb que son copiadas. Mediante el empleo de las polimerasas de otros organismos termófilos, o mediante técnicas de ingeniería genética, se han conseguido ADN-polimerasas de alta fidelidad, que cometen hasta diez veces menos errores que la Taq convencional.

La doble hélice de ADN es una molécula altamente estable capaz, como hemos visto, de soportar altas temperaturas sin romper sus hebras. Por tanto, en caso de no ser degradada por una actividad enzimática, puede permanecer durante siglos sin descomponerse. Esto es lo que ocurre en muestras biológicas que están conservadas en lugares extremadamente secos donde, al no haber humedad, ni los microorganismos ni las enzimas pueden funcionar para degradarlo. O en lugares extremadamente fríos, donde tampoco es posible la actividad que pueda destruirlo. Gracias a esta resistencia que presenta la molécula de ADN, y la posibilidad amplificar los pequeños fragmentos que puedan quedar mediante PCR, hoy día podemos estudiar las secuencias de ADN presentes en el lugar de un crimen mucho tiempo después de haber ocurrido. Tanto que podríamos acusar al mismísimo Tutankamón de haberlo cometido.

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¿SE PUEDE SABER CUÁL ES LA SECUENCIA DEL GENOMA DE UN ORGANISMO?

Para poder entender cómo funcionan los genomas ha sido fundamental desarrollar métodos que permitieran establecer la secuencia de nucleótidos que los componen. Las estrategias que permiten definir exactamente el texto contenido en una molécula de ADN son conocidas de forma genérica como métodos de secuenciación.

Uno de los primeros protocolos de secuenciación, realmente eficiente, fue propuesto por los estadounidenses Allan Maxam y Walter Gilbert en los años setenta del siglo pasado. El proceso se inicia con el marcaje del extremo 5’ del fragmento de ADN que se quiere secuenciar con fósforo radiactivo (que porta un átomo de 32P). Después, la muestra es repartida en cuatro tubos, en cada uno de los cuales está presente un compuesto capaz de romper el ADN específicamente por una base concreta: un tubo con sulfato de dimetilo (C2H6O4S), capaz de romper la hebra por las guaninas (G); otro con ácido fórmico (CH2O2), que rompe tanto por guaninas como por adeninas (A+G); otro tubo con hidrazina (N2H4), compuesto que induce a la rotura de ADN por las citosinas y las timinas (C+T) y finalmente la hidrazina acompañada de diferentes sales que restringen su acción a las citosinas (C). Tras el tratamiento, los diferentes fragmentos obtenidos son separados por tamaño mediante electroforesis. Como los grupos fosfato dan la misma relación carga/masa a todas las moléculas de ADN, bajo un campo eléctrico y una matriz con el poro adecuado es posible separar los fragmentos por tamaño, de forma similar a como vimos para las proteínas tratadas con SDS. El resultado de la electroforesis es transferido a un papel para poder ser expuesto a una película fotográfica, donde la radiación emitida por el fósforo radiactivo dejará una señal. La imagen obtenida nos permite establecer la secuencia de nucleótidos del fragmento original.

Secuenciación química. Tras digerir parcialmente el ADN marcado, usando compuestos que cortan en bases específicas, los fragmentos obtenidos son separados por tamaño mediante electroforesis. El patrón de bandas obtenidas permite reconstruir la secuencia.

Este método presenta varios inconvenientes, entre los que cabe destacar su lentitud, debido a que hay que purificar el fragmento que se quiere secuenciar, además de la toxicidad de los compuestos que se utilizan para la fragmentación del ADN. De hecho, hoy día este método, que se conoce como secuenciación química del ADN, no es utilizado. En el mismo año que Maxam y Gilbert publican su protocolo, el científico británico Frederick Sanger reporta otro método de secuenciación (método enzimático) que, a posteriori, ha resultado ser mucho más eficiente. Sobre todo tras la invención de la PCR.

Con el método enzimático no es necesario aislar el fragmento de ADN que queremos secuenciar, ya que serán los oligos que utilicemos para la PCR los que van a definir el fragmento que va a ser secuenciado. Para conseguirlo, preparamos una reacción de PCR en la que incluiremos los nucleótidos trifosfatos, los oligos específicos y la Taq-polimerasa, además de cierta cantidad de dideoxinucleótidos fluorescentes. Estos nucleótidos carecen de grupo hidroxilo (-OH) en la posición 3’, de tal forma que una vez son incorporados a la hebra que está siendo sintetizada no puede unirse el siguiente nucleótido, y por tanto se detiene la copia. Además, cada uno de los cuatro tipos de didesoxinucleótidos tiene unido un fluoróforo diferentes. Como desoxinucleótidos y didesoxinucleótidos entran aleatoriamente a la hebra, se obtiene un conjunto de amplificados de todos los tamaños (similar al que se obtendría con el método químico), y marcados con un color, que corresponderá al último nucleótido incorporado. Para analizar el resultado de esta reacción se suele utilizar un tipo de electroforesis denominada capilar. En este caso, los fragmentos se separan dentro de un tubo muy fino, y a medida que salen (en orden de tamaño) un detector identifica el color del fragmento el último nucleótido de la secuencia. El resultado es un espectro, donde el color de cada pico corresponde con un nucleótido y donde puede leerse fácilmente la secuencia de nucleótidos que ha sido amplificada.

Gracias al desarrollo de las técnicas de secuenciación ha sido posible definir la secuencia que conforman los millones de nucleótidos del genoma completo de diferentes organismos en lo que se conoce como proyectos genoma. Esto ha permitido un avance sin precedentes en nuestro conocimiento sobre el funcionamiento molecular de los organismos vivos en general y del ser humano en particular, ya que la posibilidad de saber la secuencia exacta de ciertos genes de un individuo permite desarrollar una medicina personalizada, algo impensable hace apenas unos años.

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¿ES POSIBLE CLONAR UN GEN?

Hace tiempo que los términos clon y clonación han pasado a formar parte de nuestro vocabulario cotidiano. En películas, libros o telediarios, escuchamos repetidamente estas palabras, muchas veces sin comprender bien lo que quieren decir. En este apartado vamos a intentar explicar el significado de estos términos.

La palabra clon puede hacer referencia a dos cosas bien diferenciadas. Un clon puede ser una molécula de ADN que es idéntica a otra (clonación molecular). Por otro lado, también puede hacer referencia a un organismo que tiene la misma información genética que otro preexistente (clonación de organismos). En este caso, bien porque el organismo se reproduce de forma asexual, como las bacterias, o bien por alteración del zigoto o el embrión de organismos con reproducción sexual, se obtienen individuos genéticamente idénticos entre sí.

La clonación molecular es una de las metodologías más importantes y más utilizada en los laboratorios de biología molecular y biotecnología. En general, el proceso consiste en introducir un segmento de ADN dentro de un vector (un plásmido o un virus), lo que permite obtener lo que se denomina un ADN recombinante. Los plásmidos, como ya estudiamos, son pequeñas moléculas de ADN circular que pueden replicarse dentro de las bacterias y llegar a presentar decenas de copias. Cada vez que la bacteria se replica, estos plásmidos son distribuidos a las células hijas de tal forma que permiten la expansión exponencial del número de copias del plásmido y de la información que contiene. En el caso de los virus, al replicarse el ADN dentro de las células, también pueden producirse millares de copias de un ADN recombinante.

El proceso para obtener un ADN recombinante puede resumirse en tres pasos: corte, empalme y selección de clones. El primer paso consiste en cortar con una enzima de restricción los extremos del fragmento de ADN que queremos clonar (inserto), así como el vector en el que lo vamos a introducir. Posteriormente, se combinan vector e inserto en presencia de una ADN-ligasa, que unirá los fragmentos. Para lograr estas reacciones, se trabaja con millones de copias del plásmido y del inserto, intentando ajustar las concentraciones de los dos para favorecer que se produzca el clonaje. Sin embargo, por muy bien que se ajusten las cantidades y otros procesos previos que puedan favorecer que ocurra la inserción, como la defosfatación de los extremos 5’ del vector, un porcentaje de los plásmidos se cerrará sin haber incluido el inserto. Por tanto, tras la reacción de ligación se obtiene una mezcla de plásmidos; algunos vacíos, y otros con una o más copias del inserto. El proceso para seleccionar el plásmido recombinante puede realizarse de diferentes formas, como por ejemplo al utilizar un gradiente de densidad de cloruro de cesio, donde por ultracentrifugación los plásmidos quedan separados por su tamaño. Sin embargo, este método presenta varios inconvenientes, por eso el método más empleado para la selección de plásmidos recombinantes es la utilización de bacterias, aprovechando precisamente su capacidad para generar clones: copias exactas del material genético que contienen.

En este caso, lo primero que necesitamos es introducir cada plásmido de la mezcla dentro de una bacteria mediante un proceso de transformación. Para seleccionar las bacterias que han incorporado el plásmido, este cuenta con un gen de resistencia a un antibiótico. Tras la transformación, las bacterias son extendidas sobre un gel nutritivo que contiene dicho antibiótico, de tal forma que solo aquellas que tengan plásmido podrán crecer. Si la cantidad de bacterias que se adicionan al gel por cm2 es adecuada, las bacterias resistentes crecerán y formarán colonias aisladas (con aspecto de pequeñas gotas). Cada una de esas gotas asumimos que procede de una única bacteria, y por tanto, son millones de bacterias idénticas a aquella, es decir, clones. Ahora, para seleccionar los clones que ha incorporado el plásmido recombinante (con inserto) de aquellos que portan el plásmido vacío, se suele hacer que el inserto se introduzca en mitad de otro gen contenido en el plásmido. De esta forma, aquellas bacterias que portan el plásmido que ha introducido el inserto perderán la actividad asociada a dicho gen. Muchos plásmidos desarrollados en laboratorios para realizar clonajes portan el gen de la β-galactosidasa. Cuando esta enzima metaboliza el 5-bromo-4-cloro-3-indolil-β-D-galactopiranósido (comúnmente llamado X-Gal), que es adicionado al gel nutritivo, produce una molécula de color azul intenso, dando a la gota ese color. Por su parte, aquellas colonias que no tienen color son bacterias que portan el plásmido y tienen un inserto rompiendo el gen de la β-galactosidasa, impidiendo que de color azul. Una vez identificada la colonia portadora del ADN recombinante, esta puede ser expandida simplemente con el crecimiento de la bacteria. Así se obtendrían millares de copias del clon (plásmido) recombinante.

Como acabamos de ver, el proceso para obtener clones de bacterias es extremadamente simple: solo hay que dejar que se dividan. Al no presentar reproducción sexual, es decir, al no existir recombinación entre genomas de progenitores, cada vez que la célula se divide genera dos individuos clónicos el uno del otro. Sin embargo, cuando existe formación de gametos (recombinación meiótica), la descendencia no puede ser nunca igual a ninguno de sus progenitores, y por tanto, a ningún otro individuo de su especie. Existen solo dos formas en las que pueden surgir individuos clónicos con reproducción sexual: una ruptura del embrión en los primeros momentos del desarrollo o una manipulación genética realizada por el ser humano.

Clonación molecular. Para obtener bacterias que porten un fragmento de ADN determinado (inserto), se utiliza un vector de clonación. Tras la transformación, las bacterias se crecen en presencia de antibiótico y X-Gal. Solo aquellas que porten el vector crecerán. Como el inserto entra dentro del gen de la β-galactosidasa, solo aquellas bacterias que no producen color portan el vector recombinante.

Una vez formado el cigoto, tras la unión de los dos gametos, este sufre una serie de divisiones que dan lugar a un conglomerado de células, todas iguales entre sí, que se llama mórula. Si en este momento se separan esas células, cada una de ellas dará lugar a una nueva mórula que podrá, tras más divisiones y diferenciaciones, transformarse en individuos idénticos genéticamente entre sí. El caso más común en la naturaleza es el de los gemelos, que se produce por la rotura del embrión en las primeras fases del desarrollo.

Para generar dos individuos idénticos de forma artificial, se parte de una célula embrionaria a la que se le retira el núcleo, que es sustituido por el extraído de una de las células del individuo que va ser clonado. Para la extracción y adición del núcleo se emplea un capilar de vidrio muy fino, que actúa como una microjeringuilla. El núcleo que va a ser implantado en el interior de la célula embrionaria tiene que ser pluripotencial (procedente de una célula madre). Esto quiere decir que no puede portar regiones del genoma silenciadas epigenéticamente. Durante el desarrollo, cuando una célula de nuestro cuerpo alcanza determinado nivel de diferenciación, ciertas partes de su genoma son apagadas, y no pueden ser utilizadas, y por tanto, pierde parte de la información que se necesita para formar un individuo completo. Actualmente se pueden realizar protocolos para conseguir que algunas células olviden quiénes son y se transformen en células pluripotenciales. Una vez introducido el núcleo, se estimula al nuevo zigoto a comenzar sus divisiones. Tras un período de entre dos y cinco días, los embriones obtenidos son implantados en el útero de una hembra de la misma especie, donde ocurrirá la gestación del individuo clónico.

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¿EXISTEN LIBRERÍAS DE GENES?

Para estudiar el genoma de un organismo, uno de los primeros pasos que se realizan es obtener librerías genómicas de este. Esto consiste en generar cultivos bacterianos o de bacteriófagos en el que cada una de las células o los virus porten un fragmento distinto del genoma en estudio. Aquí vamos a repasar los principales pasos que permiten obtener estas librerías y cuáles son sus principales aplicaciones.

El primer paso para obtener una librería consiste en extraer el ADN genómico del organismo que queremos estudiar y fragmentarlo. A grandes rasgos podemos decir que existen dos métodos para conseguir purificar al ADN de una célula. Uno es mediante el empleo de fenol. Este compuesto, altamente apolar, es capaz de disolver todas las membranas de la célula y desnaturalizar todas sus proteínas. De esta forma, si sobre una suspensión de células se añade fenol y se agita fuertemente, todas las células serán destruidas y liberarán el ADN que contienen a la solución. Posteriormente se realiza una centrifugación que va a conseguir dividir la solución en dos fases: una fenólica, donde están disueltas los componentes liposolubles de la célula (fundamentalmente las membranas) y que se encuentra en la parte inferior del tubo de ensayo, y otra acuosa, donde están disueltos los azúcares y los ácidos nucleicos (el ADN y el ARN) en la parte superior del tubo. Entre las dos fases (interfase) se encuentran las moléculas anfipáticas, aquellas que portan regiones polares y apolares en su estructura, fundamentalmente las proteínas. Con cierto cuidado es fácil pasar la fase acuosa a otro tubo, donde se realiza la precipitación del ADN, proceso que termina de degradar las frágiles moléculas de ARN que pudiera presentar la célula. Mediante la adición, por ejemplo, de acetato de sodio a un pH ácido se consigue la formación de la sal sódica del ADN, que precipita por centrifugación. Tras realizar unos lavados para eliminar el acetato y los azúcares que aún pudieran quedar en la muestra, el ADN puede ser resuspendido en agua.

El otro método para purificar el ADN consiste en el empleo de soportes sólidos de silicio, que actúan como un filtro que atrapa las moléculas de ADN. En este caso la célula se rompe por estrés osmótico (al adicionar agua muy pura: destilada) o por utilizar detergentes. La suspensión que se consigue es centrifugada, precipitando en el fondo del tubo las partes no solubles de la célula (restos de membranas, proteínas poco solubles, etc.). El sobrenadante de la centrifugación (que contiene el ADN y las proteínas solubles) puede hacerse pasar directamente por un filtro de silicio. Estos filtros presentan carga positiva, y son capaces de atrapar por fuerzas electrostáticas el ADN por sus fosfatos (-PO32-). Tras varios lavados, en condiciones en las que el ADN permanece parcialmente precipitado, es finalmente eluido del filtro adicionando agua, que lo solubiliza y permite que se libere.

Una vez obtenido el ADN se procede a su fragmentación. Esta puede ser realizada tanto por métodos físicos como enzimáticos. En el primer caso se utiliza la energía de los ultrasonidos, y en el segundo la actividad de las enzimas de restricción, que como ya explicamos son capaces de romper el ADN de forma dependiente de secuencia. Como la secuencia reconocida para el corte es relativamente pequeña (seis pares de bases), una enzima de restricción puede cortar en muchos sitios dentro de un genoma, transformándolo en un conjunto de fragmentos de ADN.

Librerías de genes. La figura representa las dos tipos principales de librería. Aquellas que incluyen todas las secuencias (genómicas) y aquellas que incluyen las regiones codificante sin intrones (cDNA).

Finalmente, estos fragmentos obtenidos son clonados en el interior de plásmidos o bacteriófagos. La mezcla de ADN recombinantes son introducidos dentro de bacterias (por transformación o por infección respectivamente), obteniéndose cultivos de bacterias en el primer caso o de fagos en el segundo, en el que cada individuo de la población porta un fragmento distinto del ADN genómico original.

Con este método, por ejemplo, ha sido posible realizar la secuenciación de los genomas de multitud de especies, incluida la humana, además de ayudar a infinidad de investigaciones destinadas a entender la estructura y funcionamiento de los genomas.

Existe un tipo particular de librerías genómicas en las que solo son clonadas las secuencias codificantes para proteínas, a diferencia de la que acabamos de ver en la que todo el genoma es clonado, y reciben el nombre de librerías de cDNA. Para conseguirlas, en vez de partir del ADN genómico, utilizamos el ARN mensajero (ARNm) presente en la célula, ya que en estas moléculas está, casi exclusivamente, la secuencia con los codones que permite al ribosoma sintetizar la proteína (recordemos la existencias de las regiones no traducidas, 3’ y 5’ UTRs). Mediante una reacción de retrotranscripción in vitro, el ARNm puede ser transformado en lo que se denomina ADN copia (cDNA en inglés). Este cDNA puede ser clonado dentro de un vector de forma similar a como se hizo con los fragmentos del genoma. Hay que tener en cuenta que, dependiendo de las condiciones, una célula puede expresar unos ARNm u otros, de tal forma que, al final, obtendremos solo las regiones codificantes de aquellos genes que fueron expresados en el momento de la extracción de ARN.

Este tipo de librerías ha permitido desarrollar una poderosa herramienta denominada librería de expresión. Esta técnica consiste en permitir que los vectores transcriban y traduzcan el cDNA que contienen y obtengan directamente la proteína para la que codifica. Una de las librerías de expresión más modernas y más utilizada hoy día se denomina phagedisplay. Consiste en utilizar como vector un bacteriófago que portará el cDNA fusionado al gen que codifica para una de las proteínas de su cápsida. De esta forma, cada uno de los las partículas virales presentará en la superficie una proteína diferente del genoma del organismo estudiado.

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¿DE QUÉ MODO PODEMOS SABER SI UNA PERSONA ESTÁ INFECTADA POR EL VIH?

Los síntomas que puede presentar una persona enferma son muy variados. Hay síntomas que pueden ser comunes a muchas enfermedades, y en ocasiones, una misma enfermedad puede producir diferentes síntomas. Aunque en la mayor parte de las ocasiones el diagnóstico médico está basado en la descripción de los síntomas que hace el propio paciente o en observaciones macroscópicas realizadas por el médico (observar la garganta, el color de la esclerótica del ojo, la temperatura corporal, etc.), en ocasiones es necesario acudir a otras técnicas que permitan confirmar este diagnóstico. Como estudiaremos ahora, en el caso de las enfermedades causadas por patógenos, el proceso de confirmación del diagnóstico necesita demostrar la existencia del patógeno o de sus moléculas en el interior del paciente.

El método más simple consiste en la observación directa del parásito en alguna muestra del paciente con ayuda de un microscopio. A pesar de ser un método simple, su mayor complejidad radica en saber identificar el parásito dentro del tejido en el que se encuentre, para lo que se necesita, en la mayoría de las ocasiones, mucha experiencia para poderlo hacer. Además, hay patógenos que por su minúsculo tamaño, por estar en bajo número o en lugares inaccesibles del organismo no pueden ser observados al microscopio.

Otra alternativa es el cultivo, es decir, colocar una parte del tejido presuntamente infectado para que crezca en determinado medio nutritivo, donde sabemos que ese patógeno y no otros puede crecer. Si aparece el patógeno en el cultivo, lo que puede ser determinado con un microscopio o mediante técnicas moleculares, se confirma el diagnóstico y se inicia el tratamiento. El mayor inconveniente del empleo diagnóstico de los cultivos es la lentitud, a veces se necesitan días para permitir que crezcan los parásitos, lo que en ocasiones es demasiado para al paciente. De ahí la conveniencia de utilizar un diagnóstico molecular, es decir, detectar moléculas que pertenezcan al patógeno (métodos directos) o que permitan demostrar su presencia (métodos indirectos). En ambos casos, la demora para saber el resultado no es más que de unas pocas horas.

Cada método diagnóstico presenta cierto nivel de especificidad (posibilidad de confundir la molécula analizada con otra) y de sensibilidad (límite de detección de la molécula). De esta forma, cuando decimos que un método tiene mucha especificidad es porque prácticamente nunca reconoce otra molécula que no sea la de interés. Y por tanto, no existen apenas falsos positivos. Por otro lado, si el método es capaz de detectar muy pocas moléculas en la muestra, decimos que es muy sensible. Lo que da como resultado muy pocos falsos negativos. Estos dos parámetros se comportan de forma antagónica, es decir, cuando aumentamos la especificidad de una técnica tendemos a reducir su sensibilidad y viceversa.

Un método que permite observar los parásitos dentro de los tejidos con mucha sensibilidad y especificidad es la inmunofluorescencia. Esta técnica consiste en incubar la muestra del paciente con un anticuerpo que reconozca específicamente una proteína del presunto parásito causante de la enfermedad. Estos anticuerpos llevan asociada una molécula fluorescente, que puede ser observada en un microscopio. De esta forma, se observan los parásitos coloreados en el tejido, lo que facilita enormemente su identificación. Así es cómo se diagnostica, por ejemplo, la leishmaniosis. Se utiliza un aspirado de médula ósea, que es el tejido donde habita el parásito.

Uno de los métodos diagnósticos directos más utilizados está basado en detectar el ADN del patógeno, normalmente en la sangre del paciente, aunque también pueden ser utilizadas otras muestras (saliva, orina, heces, biopsias, etc.). Para ello se recurre a técnicas de PCR (reacción en cadena de la polimerasa). Si empleamos pares de oligos específicos para amplificar regiones concretas del genoma del patógeno, es posible demostrar la presencia de este. Además, mediante la denominada PCR cuantitativa (qPCR) podemos establecer las variaciones en los niveles de parasitemia de un paciente (cuantificar el número de parásitos que porta), lo que permite, por ejemplo, saber si cierto tratamiento funciona. Incluso es posible saber, con muy poco error, el número exacto de parásitos que hay dentro del paciente.

Sin duda, el método más utilizado para la identificación de enfermedades parasitarias es el serodiagnóstico. Nuestro cuerpo presenta el sistema más sensible y específico de todos los que conocemos para identificar patógenos: la respuesta inmunitaria. Cualquier patógeno que entra en contacto con nuestro cuerpo va a producir la activación de determinadas células de nuestro sistema inmunitario, entre ellas, las células B. Cuando estas células son activadas, por la unión de una de las proteínas del parásito a los anticuerpos presentes en su membrana, se produce la secreción de millones de esos anticuerpos al plasma sanguíneo. De esta forma, los métodos serodiagnósticos tienen como objetivo detectar, y si es posible cuantificar, estos anticuerpos producidos específicamente contra cierto patógeno. Para ello, lo más rápido es realizar un ELISA, uniendo al fondo del pocillo proteínas del presunto parásito causante de la enfermedad. Después se añade el suero del paciente y se da tiempo a que se produzca la unión de los anticuerpos ahí presentes con su antígeno específico. Tras una serie de lavados para eliminar los anticuerpos que no se hayan unido, se adiciona un anticuerpo secundario que permite detectar la presencia o no de anticuerpos unidos a las proteínas del parásito.

Por la alta sensibilidad que tiene la técnica de ELISA, en ocasiones, puede dar falsos positivos. Como los anticuerpos reconocen solo una pequeña parte de la proteína (epítopo), puede ocurrir que el paciente hubiera tenido contacto con alguna proteína que, casualmente, presentaba ese mismo epítopo o uno muy similar. De esa forma, tendría anticuerpos que se unirían también a la proteína del parásito. Por esta falta de especificidad, cuando el test de ELISA es positivo, y antes de iniciar el tratamiento, es necesario realizar una segunda prueba diagnóstica que dé la especificidad que necesitamos. Una de las más utilizadas es denominada Western-blot.

Para realizar esta prueba el primer paso es someter a las proteínas del presunto parásito a SDS-PAGE. Como ya vimos, esta técnica permite separar las proteínas en función de su tamaño. Una vez separadas, estas son transferidas a un soporte sólido (por ejemplo, un filtro de nitrocelulosa), que es incubado con el suero del paciente. Si realmente el paciente tiene anticuerpos contra el parásito, estos se unirán a algunas de las proteínas. Esta técnica, a pesar de tener menor sensibilidad que el ELISA, tiene mayor especificidad, y por tanto, apenas presenta casos falsos positivos.

Con estas técnicas, por ejemplo, es como se diagnostica hoy día si una persona está infectada por el virus de la deficiencia humana (VIH), responsable de causar la enfermedad conocida como SIDA (síndrome de la inmunodeficiencia adquirida). Cuando una persona cree poder haber tenido contacto con el virus, se realiza una primera prueba de ELISA, seguida de un Western-blot. En caso de que ambas pruebas indiquen la presencia de anticuerpos contra las proteínas del virus, decimos que la persona es seropositiva para el VIH y se inicia el tratamiento con retrovirales.

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¿HAY CHIPS DE ADN?

Estamos acostumbrados a escuchar el término chip, o microchip, en el contexto de la computación. Sin embargo, los bioquímicos y biólogos moleculares también han desarrollado ciertos instrumentos que reciben el mismo nombre. Estos chips, o más comúnmente llamados arrays, son instrumentos muy utilizados en biomedicina y, por eso, consideramos importante explicar su funcionamiento y las posibilidades que ofrece a los investigadores.

Los arrays son soportes sólidos donde se ordenan cientos o miles de moléculas diferentes y conocidas. Cuando se trata de cientos hablamos de macroarrays, donde una persona coloca pequeñas gotas sobre un soporte de forma ordenada, separadas entre sí por pocos milímetros. Cuando son miles, se habla de microarray, donde un brazo robotizado coloca microgotas, separadas entre sí por pocas micras. En cada una de las gotas hay un compuesto diferente que se unirá covalente al soporte. Una vez evaporada, el agua da lugar al chip, que puede ser almacenado y utilizado varias veces.

Su uso, de forma general, está encaminado a establecer con cuáles de esas moléculas ordenadas en el array puede interaccionar otra u otras moléculas de interés. Por ejemplo, supongamos que queremos establecer cuál de los diferentes polisacáridos del exterior celular es el utilizado por cierto virus para invadir el tejido. Si disponemos de un array donde estén ordenados los diferentes tipos de polisacáridos y lo incubamos en las condiciones apropiadas con una solución que contenga las diferentes proteínas de la cápsida del virus, algunas de estas proteínas se unirán a cierto tipo concreto de polisacárido. Tras revelar el chip, para ver donde se han unido las proteínas, como sabemos que polisacárido ocupa la posición marcada, podremos identificar fácilmente cuál es el polisacárido que buscamos. Estudios posteriores podrán confirmar el resultado, pero, en cualquier caso, permite realizar un descarte importante de moléculas.

Aunque los arrays pueden hacerse con diferentes moléculas, como con los glúcidos que acabamos de ver, o proteínas, los más utilizados y los que más datos nos han aportado son los chips de ADN. Son utilizados fundamentalmente para establecer a cuáles de las secuencias de ADN presentes en el chip puede hibridar otro ácido nucleico (ADN o ARN). Existen microarrays de ADN que contienen todos los genes de un organismo completo. Para conseguir las moléculas de ADN que contienen la secuencia de todos los genes del genoma del organismo que estemos estudiando, se pueden emplear las librerías de cDNA que comentamos anteriormente. El cDNA de una célula o tejido es el resultado de convertir todo el ARN mensajero que porta en ADN mediante retrotranscripción. El ADN obtenido se denomina ADN copia o cDNA. Además, hay que tener en cuenta que cada punto del chip (cada gota) tiene que colocarse por triplicado para dar mayor valor estadístico al resultado, así como incluir diferentes gotas control (por ejemplo, en el caso de usar una librería, incluir el vector vacío) que permitan saber que la unión detectada es específica. De esta forma, un chip que contiene el genoma humano tiene que portar aproximadamente unos 75 000 puntos, que son colocados por un robot en superficies de pocos centímetros cuadrados. Por causa del gran número de puntos que puede llegar a tener un array, es imprescindible la ayuda de ciertos softwares para el análisis de los resultados, ya que además de identificar qué secuencias hibridan, también podemos cuantificar en qué cantidad, lo que permite, por ejemplo, establecer variaciones en los niveles de expresión de todo un genoma.

Los chips de ADN. La imagen muestra el resultado obtenido de un microarray que contiene unas 37 000 secuencias de ADN. Los puntos marcados corresponden con los lugares donde se ha producido hibridación de la sonda problema.

Supongamos que queremos identificar qué genes son diferencialmente expresados entre una célula tumoral y una normal. Es decir, qué genes aumentan su expresión y cuáles se reprimen. El primer paso consiste en extraer el ARN mensajero de ambos tipos de células y realizar una retrotranscripción. En esta ocasión se incluye uno de los nucleótidos en su versión fluorescente (que presenta unido un fluoróforo). El color de la luz emitida es diferente en cada reacción de retrotranscripción, de tal forma que, al final, se obtiene el cDNA del tumor marcado en un color (supongamos verde), y por otro lado, el cDNA de la célula normal en otro color (rojo). Se hacen hibridar con el chip que contiene la totalidad de secuencias codificantes del genoma humano. Los genes que han sido expresados en cada caso aparecerán marcados. La superposición de las dos imágenes permite establecer aquellos que están diferencialmente expresados, y por tanto, son responsables del fenotipo tumoral que queremos combatir.

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¿PODEMOS ESTAR SEGUROS DEL RESULTADO DE UNA PRUEBA DE PATERNIDAD?

En las poblaciones de organismos con reproducción sexual, cada individuo presenta un genoma único, resultado de unir el material genético, previamente recombinado, de sus progenitores. De esta forma, la secuencia de bases que contiene el ADN de nuestras células es diferente a la de cualquier otro individuo, incluidos nuestros progenitores, lo que permite que esta molécula pueda ser utilizada para la identificación de una persona o un cadáver. En este apartado vamos a repasar los principios y las metodologías que permiten que el ADN sea la mejor huella digital.

Para secuenciar el genoma de un puñado de voluntarios y poder realizar el proyecto genoma humano, decenas de laboratorios han trabajado durante años, lo que da idea de lo costoso y largo que resulta secuenciar un genoma. Por eso, hoy día es imposible utilizar la secuenciación como método para establecer la huella genética de los individuos. Es cierto que en el ámbito de la biomedicina sí es empleada la secuenciación de partes del genoma del paciente con el objetivo de encontrar posibles alelos no descritos con anterioridad. Sin embargo, en la medicina forense es mucho más práctico el uso de otro tipo de técnicas que localizan alelos ya descritos. Recordemos que un alelo es una secuencia dentro del genoma que puede sufrir variaciones en una población. Los alelos que son analizados para las identificaciones se denominan marcadores genéticos. Pero ¿cómo podemos detectar estos marcadores sin secuenciar el genoma?

Uno de los tipos de alelos más fácil de detectar son aquellos que producen una alteración en la secuencia de corte para una enzima de restricción. Estas enzimas, presentes de forma natural en las bacterias, son capaces de cortar la doble hélice de ADN específicamente en determinada secuencia. La secuencia reconocida por la enzima suele ser relativamente pequeña, por lo que normalmente hay muchos lugares de corte en nuestro genoma. Además, conocemos decenas de enzimas de restricción con especificidades diferentes, cada una cortada en una secuencia específica. Así, la digestión de un gen (amplificado por PCR desde el genoma) con varias enzimas de restricción, resulta en un conjunto de fragmentos que, una vez separados por tamaño mediante electroforesis, representan un código de barras específico para ese gen. Los diferentes patrones que pueden obtenerse para ese gen en una población son alelos de ese gen.

Cuando se intenta identificar genéticamente una muestra, es importante tener en cuenta que no todas las partes del genoma varían con la misma frecuencia entre individuos. Como ya discutimos, la información que representa la secuencia de nucleótidos de un gen puede ser muy estricta, y no permite variaciones en la secuencia. Así, todos los genes codificantes para proteínas están mucho más conservados dentro de una población que otras regiones del genoma que no son genes y que varían con mucha más frecuencia. Por este motivo, los marcadores que por consenso han sido establecidos para la identificación genética de individuos humanos están fuera de las regiones codificantes para proteínas. Concretamente se estudian las variantes alélicas de unas regiones del genoma denominadas microsatélites.

Un microsatélite es una agrupación de secuencias cortas (de una a seis nucleótidos) repetidas en tándem que se distribuyen por todo nuestro genoma. También son conocidos por siglas en inglés STRs (acrónimo de short tandem repeats). Aunque la posición que ocupan dentro de los cromosomas es la misma en todos nosotros, el número de repeticiones de la secuencia que contiene el microsatélite varía con mucha frecuencia entre individuos. Por ejemplo, el microsatélite denominado TPOX, localizado en el brazo corto del cromosoma 2, presenta la secuencia AATG repetida varias veces. Han sido descritos hasta ocho alelos de este microsatélite, diferenciado cado uno de ellos en el número de veces que aparece repetida esa secuencia (entre seis y trece veces). Además, hay que tener en cuenta que somos organismos diploides, presentamos dos copias, una de cada cromosoma, y por tanto tenemos duplicados estos elementos. En definitiva, para un marcador (microsatélite) determinado un individuo puede presentar dos agrupaciones diferentes, por ejemplo TPOX 7/12, lo que indica que uno de los cromosomas porta siete repeticiones en tándem y el otro doce.

Mediante la amplificación del microsatélite por PCR y la posterior separación por tamaño de los amplificados obtenidos (mediante electroforesis), podemos establecer el número de repeticiones que porta un individuo para ese marcador. Con un único marcador que no coincida en el número de repeticiones entre la muestra y un individuo candidato es suficiente para saber que no le pertenece.

Para establecer si una persona es hija de otras mediante una prueba de paternidad, es suficiente analizar trece marcadores (TPOX, D3S1358, FGA, D5S818, CSF1PO, D7S820, D8S1179, TH01, VWA, D13S317, D16S539, D18S51, D21S11), además de un marcador sexual (amilogenina). Como normalmente los microsatélites están conservados de padres a hijos, es fácil identificar qué alelo procede de qué progenitor (sobre todo si se dispone del ADN de los dos progenitores). Sin embargo, en ocasiones, pueden ocurrir recombinaciones justo en esa zona, lo que produce alteraciones en el número de repeticiones. Por ello, puede ocurrir que alguno de los marcadores que estamos comparando no sea coincidente, sin querer decir que no sean parientes. Así, con las pruebas de paternidad se establecen ciertos índices de probabilidad, como la probabilidad acumulada de paternidad (Wa) o el índice de paternidad (IP), que indica cuán seguros podemos estar de la consanguinidad de los dos individuos. Normalmente, con el análisis de los trece marcadores patrón, se obtiene probabilidad de paternidad entorno al 95–97 %. Por su parte, mucho más fiable es negar la paternidad de alguien usando la denominada probabilidad de exclusión acumulada, que supera el 99,999 % de confianza.

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¿CÓMO SE OBTIENE UN TRANSGÉNICO?

Todo el conocimiento del que hoy disponemos sobre la estructura, funcionamiento y propiedades de los genomas nos permite desarrollar multitud de herramientas biotecnológicas que, de una forma u otra, cambian nuestras formas de vida y nuestras sociedades. Entre las posibilidades que nos ha dado este conocimiento está la de editar a nuestro antojo el contenido de los genomas de los organismos vivos. Esto se consigue mediante la inserción o eliminación de secuencias concretas del ADN de las células, lo que genera organismos transgénicos o genéticamente modificados. Tres son los métodos que tradicionalmente más se han empleado para obtener organismos genéticamente modificados: la recombinación homóloga, la transducción mediada por virus y el uso de elementos transponibles.

La recombinación homologa es un proceso que ocurre de forma natural en nuestro cuerpo durante la formación de gametos, y que permite el intercambio de secuencia entre dos moléculas de ADN. Para que las recombinasas celulares sean capaces de actuar, es necesario que la maquinaria de replicación esté presente y que las moléculas de ADN que se van a intercambiar presenten zonas de homología. Es decir, que contengan amplias zonas con la misma, o muy parecida, secuencia. Se necesita un mínimo aproximado de 700 pb homólogas en las dos moléculas para que se pueda producir la recombinación. De esta forma, para introducir una secuencia de ADN dentro de un genoma solo se necesita flanquear esa secuencia con dos regiones homólogas al lugar de inserción e introducirlo en el núcleo en división.

Para introducir dentro de la célula el ADN recombinante, que porta el gen de interés y las regiones de homología, se emplean normalmente liposomas o electroporación. Los liposomas son pequeñas vesículas lipídicas que contienen en su interior el ADN recombinante. Al ponerse en contacto con las células, estas vesículas se fusionan con las membranas, liberando dentro del citoplasma el ADN que portan. Por su parte, la electroporación consiste en someter a las células a una potente y rápida descarga eléctrica, lo que genera momentáneamente poros en la membrana, por donde puede entrar el ADN que se encuentra en el entorno de la célula. Una vez dentro de la célula, y gracias a la presencia de las regiones de homología, el ADN exógeno podrá recombinarse e integrarse en el genoma de la célula cuando esta se divida. El lugar concreto de la integración vendrá establecido por las secuencias homólogas que han sido incluidas en el ADN recombinante.

La mayoría de los virus son capaces de integrar su genoma en el de la célula huésped mediante un proceso de recombinación dirigido por pequeñas secuencias repetidas que se localizan en los extremos del genoma lineal de los virus. Si introducimos un gen de interés dentro del material genético del virus, este podrá insertarlo en el ADN de la célula cuando el virus la infecte. Como veremos más adelante, esta propiedad de los virus, junto a la especificidad de la célula que infecta, puede ser utilizada para modificar el genoma de ciertas células concretas dentro de un organismo vivo.

Cuando el organismo que quiere ser modificado no presenta capacidad de recombinación (por no presentar recombinasas) y no conocemos virus capaces de infectar sus células, la única alternativa es el uso de los elementos transponibles que pudiera presentar. Este es el caso de la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster), uno de los organismos más utilizados como animales de experimentación en los laboratorios. Hay que recordar que los elementos transponibles de un genoma son pequeñas secuencias que, gracias a la acción de determinadas proteínas, son capaces de saltar de un lugar a otro del genoma o entre moléculas de ADN diferentes. Así, si se construye un ADN recombinante que porte el gen de interés flanqueado por elementos transponibles y se introduce en el interior de la célula diana (en un embrión de la mosca, por ejemplo), las enzimas responsables de la transposición serán capaces de insertar el gen de interés en algún lugar su genoma.

A pesar de haber sido empleados durante décadas, los tres métodos que acabamos de describir están actualmente en desuso, gracias a la reciente aparición de la metodología CRISPR/Cas9. Está basada en el funcionamiento del mecanismo de defensa bacteriano comentado en la pregunta 48, y permite incluir o eliminar secuencias de cualquier genoma de forma mucho más rápida y eficaz. Este método de transgenia, ideado por el científico español Francis Mojica, ha sido recientemente reconocido como el avance biotecnológico más importante de lo que llevamos de siglo, y muchas voces auguran el Premio Nobel para su inventor.

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¿PODEMOS CURAR LA DIABETES?

Una de las disciplinas que más se han enriquecido de los avances de la bioquímica y la biología molecular es la medicina. La comprensión molecular de los procesos fisiológicos y patológicos ha permitido y permite desarrollar multitud de herramientas diagnósticas y terapéuticas. En los apartados anteriores hemos estudiado algunas de las técnicas que hoy día son utilizadas con más frecuencia en el diagnóstico clínico. Ahora nos vamos a centrar en una de las metodologías terapéuticas más prometedoras dentro de la medicina: la terapia génica.

Como su nombre indica, este tipo de tratamientos consiste en modificar determinados genes del paciente para paliar los efectos nocivos que su alteración pueda causar. Normalmente, el defecto genético que queremos corregir afecta a un órgano o tejido concreto de tal forma que solo hay que modificar el genoma de las células que lo componen. El proceso para modificar el gen afectado varía según el tipo de célula que hay que modificar. Cuando las células a modificar pueden ser extraídas y reimplantadas eficazmente, el proceso de manipulación se hace ex vivo. En este caso, se extraen las células del paciente y se mantienen en cultivos de laboratorio, donde son modificadas antes de volver a ser implantadas.

Esta metodología ex vivo ha sido empleada en diversos protocolos experimentales. Uno de ellos, que representa muy bien el fundamento de la terapia génica, es el tratamiento genético de los denominados niños burbuja. Estos pacientes, que difícilmente superan la infancia, presentan una inmunodeficiencia combinada grave, lo que significa que su sistema inmunitario es incapaz de desarrollar respuestas inmunológicas, tanto humorales (mediadas por células B) como celulares (por células T) y, por tanto, son incapaces de defenderse de la invasión por organismos externos. Una de las causas más frecuentes de esta enfermedad es la presencia en el genoma del paciente de una versión no funcional del gen que codifica para la enzima adenosín desaminasa. Esta enzima es expresada en las células germinales de los linfocitos, donde desempeña un papel fundamental en su diferenciación a la forma madura y funcional. Mediante un aspirado de la médula ósea del paciente pueden ser cultivadas y modificadas las denominadas células hematopoyéticas pluripotenciales: una especie de célula madre que, mediante sucesivas divisiones y procesos de diferenciación, da lugar a todas las células sanguíneas, incluidos los linfocitos B y T. Como ya vimos, el proceso de modificación del genoma se puede realizar de diversas formas, pero en este caso, el resultado siempre lleva a la sustitución del gen mutante por una copia sana de la adenosín desaminasa. Tras eliminar las células de la médula ósea del paciente, normalmente sometiéndolas a radiación, las células modificadas son introducidas en la médula, donde tras sucesivas divisiones generarán el nuevo repertorio de células inmunitarias y sanguíneas del individuo. Dado que las células que implantamos presentan la modificación en su genoma, todas sus descendientes presentarán también la copia funcional, eliminado a todos los efectos la causa de enfermedad.

Sin embargo, en ocasiones, las células que tienen que ser modificadas no pueden ser extraídas, o una vez implantadas no son capaces de dividirse y de volver a formar el tejido. En estos casos hay que acudir las la terapia génicas in vivo, mediante la cual se puede hacer la modificación genética directamente dentro del paciente. En este caso, se necesita llevar el ADN portando el gen sano hasta el núcleo de las células que queremos modificar. Para esta misión de transporte utilizamos los virus, que son nanocápsulas de proteínas en cuyo interior pueden albergar una molécula de ADN o ARN. Existe una gran variedad de virus, muchos de ellos tristemente famosos por las enfermedades que causa su infección. Cada virus presenta un tipo de célula diana, lo que se llama tropismo del virus. Por ejemplo, los virus causantes de la hepatitis solo infectan los hepatocitos (células del hígado), el virus del SIDA infecta básicamente linfocitos T-CD4+, etc. El tropismo de un virus viene definido por la interacción entre cierta proteína de su cápsida o envuelta, y algún receptor presente en la célula diana. De esta forma, para modificar cierto tipo de célula solo hay que escoger el virus que sabemos que tiene tropismo por ella y que, una vez unido, inyectará su carga en el interior de la célula, donde se producirá la sustitución por recombinación del gen mutante por el sano.

Una de las aplicaciones recientemente reportadas de la terapia génica in vivo espera poder ayudar a los enfermos de diabetes Mellitus tipo-I. Estos pacientes, como ya tratamos con anterioridad, presentan mutado el gen que codifica para la insulina. Esta hormona es sintetizada exclusivamente por las células β del páncreas, y es responsable de controlar los niveles de glucosa en sangre, promoviendo su incorporación a las células del hígado y del músculo, donde es almacenada en forma de glucógeno o degradada. Al no presentar insulina, estos pacientes son incapaces de metabolizar la glucosa de forma eficiente, lo que les impide disponer de una de las fuentes de energía más importantes. Además, altas concentraciones de glucosa en la sangre causa graves daños al sistema nervioso, y puede llegar a causar desmayos, ceguera o incluso la muerte. Mediante el empleo de virus capaces de infectar las células β se ha conseguido sustituir el gen defectuoso de la insulina en ratones, y se espera que en los próximos años pueda ser utilizado en humanos.

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¿ES FIABLE UN TEST DE ALCOHOLEMIA?

La capacidad catalítica de las enzimas es imprescindible para permitir que nuestras células funcionen. Sin embargo, hoy día, las células no son las únicas que se benefician de las propiedades catalíticas de las enzimas. El ser humano, gracias al desarrollo de los métodos de obtención y purificación de proteínas, así como los avances en la biología molecular, ha aprendido a utilizar las enzimas para realizar multitud de tareas.

Los detergentes que utilizamos en casa para lavar nuestra ropa contienen enzimas. Al comienzo del libro estudiamos cómo la estructura de los ácidos grasos permite la formación de micelas y cómo ello ayudar a disolver las grasas que forman la mancha que queremos eliminar de un tejido. Sin embargo, además de grasas, una mancha puede presentar otros componentes que, por su estructura química, no pueden ser disueltos fácilmente en agua con jabón: precipitados de proteínas, aglomeraciones de celulosa con pigmentos vegetales, etc. Hoy día conocemos enzimas capaces de romper estas moléculas, como las proteasas que cortan proteínas, o las celulasas que degradan la celulosa y que, por tanto, añadidas a los detergentes, mejoran su acción limpiadora.

Muchas enzimas son utilizadas también en la industria alimentaria. Mediante el uso de glucoamilasas, por ejemplo, es posible obtener altas concentraciones de glucosa a partir de almidón. Los jarabes obtenidos a partir de este proceso pueden ser tratados con otra enzima, la glucosa isomerasa, que transforma la glucosa en fructosa, lo que aumenta el poder edulcorante del jarabe. Al usar esta técnica es posible hacer caramelos o helados a partir de patatas u otros productos vegetales que no son dulces y sí ricos en almidón.

El uso que podemos hacer hoy día de las enzimas va más allá de utilizar su poder catalítico para obtener determinados bienes de consumo. La alta especificidad que tiene cada enzima por su sustrato hace de estas proteínas potentes máquinas de detección. En general, los sistemas de detección y cuantificación basados en el uso de macromoléculas biológicas reciben el nombre de biosensores. El componente de detección (el sensor) que presentan los biosensores puede ser desde un cultivo de microorganismos o de un tejido (donde se combina la acción de diferentes enzimas) hasta las propias enzimas aisladas, que es el caso que vamos a ver ahora.

Estos instrumentos están muy presentes en nuestra vida cotidiana, permitiendo pruebas rápidas para cuantificar determinadas sustancias en una muestra; desde la presencia de contaminantes en alimentos, hasta tóxicos en una persona. Posiblemente, uno de los biosensores más de actualidad sean los alcoholímetros utilizados en los controles de alcoholemia. Estos aparatos utilizan la capacidad oxidante de la alcohol deshidrogenasa (ADH) para cuantificar los niveles de alcohol en el aliento de los conductores. Al ser volátil, parte del alcohol transportado por la sangre es eliminado a través de los alveolos por la respiración. El aire exhalado pasa a través de una membrana donde se encuentra inmovilizada la enzima y su cofactor, que recordemos que es el NAD+. En caso de existir alcohol en el aliento del sospechoso, la actividad de la ADH producirá una disminución del cofactor, y como consecuencia, una disminución de la carga positiva a ese lado de la membrana. La variación en el potencial eléctrico de la membrana se traduce digitalmente en un número que, en base a un calibrado previo, indica la concentración de alcohol en el aire exhalado.

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¿CÓMO TRABAJAN LAS BACTERIAS MINERAS?

Los microorganismos han sido utilizados por el ser humano desde hace milenios para obtener diferentes beneficios. Por ejemplo, el uso de levaduras para obtener pan o cerveza. Sin embargo, el avance de las últimas décadas en nuestro conocimiento sobre el mundo de los microorganismos, y de su bioquímica, ha permitido ampliar su uso a muchos ámbitos de nuestras sociedades. Además, la posibilidad de manipular los genomas con los métodos de transgenia que vimos anteriormente ha revolucionado nuestras técnicas biotecnológicas. En este apartado repasaremos algunos de estos avances en el uso de los microorganismos.

Evidentemente, la industria alimentaria ha sido una de las más beneficiadas del uso de microorganismo. El aislamiento y genotipado de diferentes cepas de levaduras y bacterias, responsables de realizar las diferentes fermentaciones que dan los aromas característicos a los diferentes fermentos (quesos, vinos, cervezas, panes, etc.), permite una mayor eficiencia en la producción industrial de los mismos.

Pero más allá de este uso tradicional para producir fermentos más eficientemente, estos pueden ser utilizados como biosensores, permitiendo realizar pruebas rápidas para detectar la presencia de sustancias determinadas. Como ya estudiamos en temas precedentes, las bacterias regulan su expresión génica fundamentalmente a través del uso de operones. Cuando la molécula que va a ser metabolizada entra en la bacteria, se une a determinada proteína, lo que activa la transcripción de genes específicos. Mediante ingeniería genética podemos introducir un gen extra en el operón, que nos permitirá saber fácilmente cuándo se expresa, y por consiguiente, que la molécula activadora está presente en el medio. Estos genes reciben el nombre de reporteros. Uno de los más utilizados son los que codifican para proteínas fluorescentes, que iluminarán las bacterias en caso de ser expresada.

La minería es otra de las actividades que se ha visto beneficiada por el uso de microorganismos. Tradicionalmente, los mineros han extraído los metales que se encontraban en los minerales mediante calor (técnicas pirometalúrgicas). Sin embargo, este método es poco eficiente y muy costoso energéticamente. Más recientemente se han implantado otros métodos que de forma general se conocen como lixiviación. Estas técnicas consisten en solubilizar los componentes metálicos del mineral para extraerlos, para lo que se emplean diferentes compuestos químicos. Por ejemplo, para obtener cobre a partir de la calcopirita (CuFeS2) se realiza una oxidación del compuesto, obteniéndose el ion Cu2+, que es soluble en agua. Posteriormente el ion puede ser precipitado para obtenerse el cobre metálico. Los procesos de lixiviación pueden ser realizados empleando diferentes microorganismos en lo que se conoce como biolixiviación. Existen diferentes organismos quimiolitotrofos capaces de oxidar distintos minerales, como Thiobacillus ferrooxidans, cuyo uso resulta más económico y reduce el uso de compuestos tóxicos. Además, la manipulación genética de estas bacterias ha permitido mejorar su capacidad minera.

GLOSARIO

Alelo: Cada una de las diferentes secuencias que puede presentar un gen o una secuencia genómica.

Anabolismo: Conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales la célula obtiene moléculas complejas a partir de otras más simples.

Anfipático: Que presenta una parte hidrofóbica y otra hidrofílica.

Antígeno: Sustancia que es reconocida como extraña por el sistema inmunitario y contra la que se monta una respuesta inmunológica.

Apoptosis: Muerte celular programada; conjunto de procesos dirigidos por diferentes proteínas que permiten una eliminación controlada de las células.

Bacteriófago: Formas de vida similares a los virus y que infectan exclusivamente células procariotas.

Bombas iónicas: Complejos proteicos capaces de transportar iones a través de una membrana con gasto o ganancia de energía.

Catabolismo: Conjunto de reacciones metabólicas que permiten la descomposición de moléculas orgánicas, lo que permite a la célula obtener energía y/o poder reductor.

Chaperonas: Proteínas encargadas de ayudar al plegamiento de otras proteínas. Previenen los procesos de precipitación.

Citoquinas: Proteínas secretadas por algunas células para inducir cambios en otras células, al actuar como mensajeros entre diferentes células del organismo.

Coenzimas: Moléculas que participan en las reacciones químicas catalizadas por enzimas.

Configuración electrónica: Forma en la que se distribuyen los electrones en la corteza atómica de un átomo.

Cromatina: Forma menos condensada en la que se presentan los cromosomas eucariotas, que corresponde con la forma denominada collar de perlas o fibra de 10 nm.

Desnaturalización: Proceso por el cual las macromoléculas pierden su estructura tridimensional. En el caso de las proteínas implica la exposición al exterior de las regiones hidrofóbicas. En el ADN supone la separación de las dos hebras.

Electronegatividad: Medida de la capacidad que presentan los núcleos atómicos para atraer hacia sí los electrones compartidos en un enlace covalente.

Enzima: Proteína que presenta capacidad catalítica.

Epítopo: Parte del antígeno que es reconocida por un anticuerpo.

Extremófilo: Microorganismo que vive en condiciones extremas de temperatura, pH o salinidad.

Familia génica: Conjunto de genes que proceden de un gen ancestral común y están funcionalmente relacionados.

Fosforilación: Unión de uno o más grupos fosfatos a otra molécula. La fosforilación de proteínas representa una forma de regular su actividad.

Fotoautótrofo: Organismo capaz de producir el alimento que necesita a partir de la energía solar.

Fotolitotrofo: Organismo que oxida compuestos inorgánicos para recuperar el electrón excitado de un pigmento y emplearlo en la cadena transportadora de electrones para obtener energía y poder reductor.

Heterocigosis: Cuando un organismo diploide presenta las dos copias de un gen distintas (diferentes alelos).

Heterótrofo: Organismo que utiliza la materia orgánica producida por otros como fuente de materia y energía.

Homocigosis: Cuando en un organismo diploide las dos copias de un gen son iguales (presentan el mismo alelo).

Inmunoglobulina: Dominio que da nombre a una amplia familia de proteínas implicadas en el funcionamiento del sistema inmunitario. También el nombre que reciben los anticuerpos.

Insaturación: Cada uno de los dobles enlaces presentes en la cadena alifática de un ácido graso.

Isómero: Molécula que presenta la misma composición de átomos que otra, pero enlazados de forma diferente. Presenta distinta estructura espacial. Por ejemplo la glucosa y la fructosa.

Ligando: Molécula que interacciona específicamente con el centro activo de una proteína (enzima, receptor, etcétera).

Longitud de onda: Distancia que recorre una onda en un tiempo determinado. La energía de una onda es inversamente proporcional a esta distancia.

Metabolismo: Conjunto de reacciones químicas encargadas de aportar a la célula la materia y la energía que necesita.

Mutación: Cambio en la secuencia de un ácido nucleico. También una alteración del genoma que produce un cambio en la función de determinado gen o grupo de genes.

Operón: Transcripcional-mecanismo de regulación génica típico de procariotas. Genes relacionados funcionalmente que son agrupados detrás de un mismo promotor, lo que permite controlar la transcripción de todos ellos a la vez.

Oxidación: Proceso por el que un átomo o molécula pierde uno o más electrones.

Parátopo: Parte de la región variable del anticuerpo que interacciona directamente con determinada parte del antígeno (epítopo).

Pigmento: Molécula orgánica que presenta enlaces cuyos electrones son susceptibles de ser excitados por determinadas radiaciones electromagnéticas. Por tanto, absorben la energía asociada a dicha radiación.

Poder reductor: Capacidad de una molécula para donar equivalentes de reducción (electrones y protones) en una reacción de oxidorreducción. El NADH, NADPH y FADH2 son las moléculas responsables de acumular el poder reductor en las células.

Polipéptido: Cadena de aminoácidos unidos entre sí por enlaces peptídicos. Las proteínas son ejemplos de polipéptidos.

Promotor: Secuencia de nucleótidos que marcan el lugar del genoma donde tiene que iniciarse la síntesis de ARN. Los factores de transcripción pueden interaccionar con estas secuencias para controlar la unión de la ARN polimerasa.

Puente de hidrógeno: Tipo de interacción intermolecular de tipo electrostática que se produce cuando un hidrógeno asociado a un átomo electronegativo se aproxima a otro átomo electronegativo presente en otra molécula.

Quimiolitotrofo: Organismo que obtiene la energía que necesita de la oxidación de compuestos inorgánicos reducidos.

Quimioorganotrofos: Organismo que obtiene la energía que necesita de compuestos orgánicos reducidos.

Recombinación: Proceso por el que dos moléculas de ADN intercambian parte de su secuencia. Existen dos formas de recombinación: la homóloga y la específica de sitio.

Reducción: Proceso por el que un átomo o molécula gana uno o más electrones.

Retrotranscripción: Conjunto de reacciones catalizadas por las retrotranscriptasas mediante las cuales, desde una molécula de ARN, se obtiene una copia de ADN bicatenario.

Retrovirus: Virus que presentan una molécula de ARN como material genético.

Ribozimas: Moléculas de ARN con actividad catalítica.

Segundos mensajeros: Ciertos metabolitos que son producidos en el interior de la célula como respuesta a un estímulo. Su unión a determinadas proteínas diana permite controlar su actividad.

Traducción: Proceso que ocurre en el ribosoma y que permite sintetizar una proteína a partir de la información contenida en un ARN mensajero.

Transcripción: Proceso catalizado por las ARN-polimerasas que permite producir copias de ARN de determinado gen.

Transgénico: Organismo cuyo material genético ha sido reeditado empleando técnicas de biología molecular. El transgénico puede ser por eliminación o por inserción de secuencias.

Transposones: Elementos génicos que presentan la característica de poder escindirse del genoma y volver a integrarse en otro lugar. Ciertas proteínas son responsables de facilitar la transposición.

Ubiquitinación: Tipo de modificación postraduccional que sufren las proteínas que van a ser degradadas por el proteosoma. Consiste en la adición de una o varias moléculas de ubiquitina en residuos de lisina de la proteína blanco.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

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ROCA, Pilar; OLIVER, Jordi y RODRÍGUEZ, Ana M. ª. Bioquímica. Técnicas y métodos. Madrid: Hélice, 2003.

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Otra información fue consultada a través de la web del Centro Nacional de Información Biotecnológica de Estados Unidos (www.ncbi.nlm.nih.gov/).

Los datos cristalográficos fueron obtenidos desde www.rcsb.org. Los códigos de acceso son indicados al pie de cada figura. Para la visualización de los datos empleamos el programa NGL Viewer: AS Rose and PW Hildebrand. NGL Viewer: a web application for molecular visualization. Nucl Acids Res (1 July 2015) 43 (W1): W576-W579 first published online April 29, 2015. doi:10.1093/nar/gkv402.