Biología Celular y Molecular: Desde el Núcleo hasta el Metabolismo

Conceptos Fundamentales de Biología Celular y Molecular

1. Definición de Gen

Un gen es una secuencia específica de nucleótidos en la molécula de ADN (o ARN, en ciertos virus) que codifica la información necesaria para la síntesis de una macromolécula con una función celular particular. Generalmente, esta macromolécula es una proteína, pero también puede ser ARNm, ARNr o ARNt.

2. Territorios Nucleares en la Interfase

Durante la interfase, el núcleo presenta regiones específicas denominadas territorios nucleares, donde los cromosomas se organizan de manera no aleatoria. Estos territorios son fundamentales para la regulación de la expresión génica y la replicación del ADN.

3. Estructura del Núcleo Eucarionte

Las células eucariotas se caracterizan por un citoplasma compartimentado, con orgánulos delimitados por membranas biológicas similares a la membrana plasmática. El núcleo es el compartimento más prominente y contiene el material genético. El protoplasma, la parte activa de la célula, se compone de la membrana plasmática, el núcleo y el citoplasma. El citoplasma alberga un citoesqueleto complejo y dinámico, formado por microtúbulos y filamentos proteicos. Además, algunas células eucariotas, como las de plantas, hongos y protistas pluricelulares, poseen una pared celular u otro tipo de recubrimiento externo.

4. Localización de las Etapas del Dogma Central de la Biología Molecular

• Transcripción: Núcleo
• Traducción: Citoplasma (ribosomas libres o asociados al retículo endoplasmático rugoso)
• Replicación del ADN: Núcleo

5. Etapas de la Transcripción

La transcripción es el proceso de síntesis de ARN a partir de un molde de ADN. Se divide en las siguientes etapas:

Preiniciación

A diferencia de la replicación del ADN, en la transcripción, los factores de transcripción se unen a secuencias específicas del ADN, preparando el inicio del proceso.

Iniciación

La enzima Helicasa separa las hebras de ADN en regiones ricas en adenina y timina (cajas TATA), ya que entre estas bases se forman dos puentes de hidrógeno, a diferencia de los tres que se establecen entre citosina y guanina.

Disgregación del Promotor

Tras la síntesis del primer enlace fosfodiéster, el complejo del promotor se disocia para permitir que la ARN polimerasa avance.

Elongación

La ARN polimerasa cataliza la elongación de la cadena de ARN. La cadena de ARN se une a la cadena de ADN molde mediante el apareamiento de bases complementarias. El centro activo de la ARN polimerasa reconoce los ribonucleótidos trifosfato entrantes y facilita la formación de los enlaces fosfodiéster.

Terminación

Al finalizar la síntesis de ARNm, este se separa completamente del ADN y de la ARN polimerasa, finalizando así la transcripción.

6. Modificaciones del ARN Mensajero Eucarionte

El ARN mensajero (ARNm) eucarionte experimenta varias modificaciones postranscripcionales, como la eliminación de intrones (splicing), la adición de secuencias no codificadas en el ADN (como la caperuza 5' y la cola poli-A) y la modificación covalente de algunas bases nitrogenadas. Estas modificaciones son esenciales para la estabilidad, el transporte y la traducción eficiente del ARNm.

7. Función del Corte y Empalme (Splicing) del ARNm

El corte y empalme (splicing) es un proceso crucial que elimina los intrones (regiones no codificantes) del pre-ARNm y une los exones (regiones codificantes) para formar el ARNm maduro. Este proceso permite la generación de múltiples proteínas a partir de un solo gen, aumentando la diversidad proteica.

8. Interacción de los Tipos de ARN en la Traducción

Durante la síntesis de proteínas, los tres tipos de ARN (ARNm, ARNr y ARNt) interactúan de manera coordinada. El ARNm lleva la información genética del ADN, el ARNr forma parte de los ribosomas (la maquinaria de síntesis proteica) y el ARNt transporta los aminoácidos específicos al ribosoma según la secuencia de codones del ARNm.

9. Vías de Traducción de Proteínas

Existen dos vías principales para la traducción de proteínas, dependiendo de la ubicación de los ribosomas:

• Ribosomas libres en el citoplasma: Sintetizan proteínas que generalmente funcionan en el citosol.
• Ribosomas asociados al retículo endoplasmático rugoso (RER): Sintetizan proteínas destinadas a la secreción, a la membrana plasmática o a otros orgánulos del sistema endomembranoso.

10. Sistema Endomembranoso

El sistema endomembranoso es una red de membranas internas que compartimenta la célula eucariota. Incluye el retículo endoplasmático (RE), el aparato de Golgi, los lisosomas y las vesículas. Cada componente tiene funciones específicas:

• Retículo endoplasmático (RE): Síntesis de lípidos y proteínas, metabolismo de carbohidratos y detoxificación.
• Aparato de Golgi: Modificación, clasificación y empaquetamiento de proteínas y lípidos.
• Lisosomas: Digestión intracelular.
• Vesículas: Transporte de moléculas entre los diferentes compartimentos.

11. Ciclo Celular

El ciclo celular es una serie ordenada de eventos que conducen al crecimiento de la célula y su división en dos células hijas. Es un proceso fundamental para la reproducción y el desarrollo de los organismos.

12. Etapas de la Interfase

La interfase es la etapa más larga del ciclo celular y se divide en tres fases:

• G1 (Gap 1): La célula crece y sintetiza proteínas y orgánulos.
• S (Síntesis): Se replica el ADN, duplicando el material genético.
• G2 (Gap 2): La célula continúa creciendo y se prepara para la división celular.

13. Etapas de la Mitosis

La mitosis es la división del núcleo celular y se divide en varias etapas:

• Interfase: El ADN se encuentra en forma de cromatina laxa y se ha replicado durante la fase S.
• Profase: La cromatina se condensa en cromosomas visibles. El huso mitótico comienza a formarse a partir de los centrosomas, que se desplazan hacia los polos opuestos de la célula. La envoltura nuclear se desintegra.
• Metafase: Los cromosomas se alinean en el plano ecuatorial de la célula, unidos al huso mitótico por sus cinetocoros.
• Anafase: Las cromátidas hermanas se separan y son arrastradas hacia los polos opuestos de la célula por el huso mitótico.
• Telofase: Los cromosomas llegan a los polos y comienzan a descondensarse. Se forma una nueva envoltura nuclear alrededor de cada conjunto de cromosomas.
• Citocinesis: División del citoplasma para formar dos células hijas independientes.

14. Importancia de la Comunicación Celular

La comunicación celular es esencial para la coordinación de las actividades celulares en los organismos pluricelulares. Permite a las células responder a su entorno, regular el crecimiento y desarrollo, y mantener la homeostasis.

15. Tipos de Comunicación Celular en Eucariontes

Existen diferentes tipos de comunicación celular en eucariontes:

• Comunicación en organismos unicelulares: Permite la coordinación de comportamientos entre individuos de la misma especie.
• Comunicación intercelular: Se produce entre células de un mismo organismo y puede ser directa (a través de uniones comunicantes) o indirecta (mediante la secreción de moléculas señal).

16. Fases de la Comunicación Celular

La comunicación celular, tanto intracelular como intercelular, generalmente implica las siguientes fases:

1. Recepción: Una molécula señal se une a un receptor específico.
2. Transducción: La unión de la señal al receptor desencadena una cascada de eventos intracelulares.
3. Respuesta: La célula modifica su comportamiento en respuesta a la señal.

17. Receptores de Membrana

Las dos principales familias de receptores de membrana son:

• Receptores acoplados a proteínas G (GPCRs): Activan proteínas G intracelulares que, a su vez, activan o inhiben enzimas o canales iónicos.
• Receptores tirosina quinasa (RTKs): Poseen actividad enzimática intrínseca que se activa al unirse la señal, fosforilando proteínas intracelulares y desencadenando una cascada de señalización.

18. Metabolismo, Catabolismo y Anabolismo

El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren en un organismo. Se divide en dos procesos interrelacionados:

• Catabolismo: Conjunto de reacciones que degradan moléculas complejas en moléculas más simples, liberando energía.
• Anabolismo: Conjunto de reacciones que sintetizan moléculas complejas a partir de moléculas más simples, consumiendo energía.

El catabolismo y el anabolismo están estrechamente relacionados, ya que la energía liberada en las reacciones catabólicas se utiliza para impulsar las reacciones anabólicas.

19. Etapas de la Respiración Celular

La respiración celular es el proceso por el cual las células obtienen energía a partir de la glucosa. Se divide en las siguientes etapas:

1. Glucólisis: Ocurre en el citoplasma y produce dos moléculas de piruvato, ATP y NADH.
2. Oxidación del piruvato: Ocurre en la matriz mitocondrial y produce acetil-CoA, NADH y CO₂.
3. Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico): Ocurre en la matriz mitocondrial y produce ATP, NADH, FADH₂ y CO₂.
4. Cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa: Ocurre en la membrana interna mitocondrial y produce la mayor parte del ATP generado durante la respiración celular.

20. Etapas de la Fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas y otros organismos convierten la energía lumínica en energía química. Se divide en dos etapas principales:

1. Fase luminosa (reacciones dependientes de la luz): Ocurre en los tilacoides de los cloroplastos. La energía lumínica se utiliza para generar ATP y NADPH.
2. Fase oscura (reacciones independientes de la luz o ciclo de Calvin): Ocurre en el estroma de los cloroplastos. El ATP y el NADPH generados en la fase luminosa se utilizan para fijar el CO₂ y producir azúcares.