La traducción del ARN

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La fase oscura de la fotosíntesis

La fase luminosade la fotosíntesis proporciona a las células autótrofas energía química en forma de ATP y poder reductor en forma de NADPH que pueden ser utilizados en otras rutas metabólicas celulares. En el siguiente paso, los organismos autótrofos utilizan esos recursos para asegurarse una provisión de carbono orgánico a partir de una fuente inorgánica de este elemento, el dióxido de carbono presente en la atmósfera o disuelto en el agua.
La asimilación del carbono inorgánico (ese es el nombre preciso del proceso por el cual el carbono inorgánico se incorpora a los compuestos orgánicos) requiere dos procesos químicos diferentes:
  1. La unión de la molécula de dióxido de carbono a un compuesto orgánico, que supone la rotura de uno de los enlaces dobles entre el carbono y el oxígeno y la formación en su lugar de un enlace con un compuesto orgánico.
  2. La reducción del carbono incorporado a la materia orgánica. En el CO2 el carbono se encuentra en su máximo estado de oxidación, mientras que toda la materia orgánica se caracteriza porque el carbono está prácticamente siempre más reducido. Hay que tener siempre presente que el entorno que nos rodea es oxidante, por lo que las reducciones suelen ser “químicamente costosas” para los seres vivos. 
Estos dos procesos son independientes de la luz, lo que significa que pueden producirse tanto en su presencia como en su ausencia, siempre que la célula disponga de todos los recursos necesarios: dióxido de carbono, los compuestos orgánicos y las enzimas necesarias para la ruta metabólica, ATP y poder reductor.

La fase oscura de la fotosíntesis tiene lugar íntegramente en el estroma de los cloroplastos.

Fijación del CO2

El primer paso en la incorporación del carbono inorgánico a la materia orgánica es la fijación del dióxido de carbono. En las plantas verdes este paso puede ocurrir de tres formas distintas, lo que permite distinguir entre tres tipos de fotosíntesis:

  • Las plantas C3 producen como primer compuesto orgánico una molécula de tres carbonos, el 3-fosfoglicerato.
  • Las plantas C4 dan lugar en primer lugar a una molécula de oxalacetato que se transforma en malato.
  • Las crasuláceas tienen un metabolismo característico (metabolismo ácido de crasuláceas, en inglés CAM) en el que se forma también malato como compuesto orgánico a partir del dióxido de carbono.

 La fotosíntesis más típica es la de las plantas C3, en las que el dióxido de carbono reacciona con la Ribulosa 1,5 difosfato, lo que da lugar a un compuesto de seis carbonos muy inestable que inmediatamente se descompone en dos moléculas de 3-fosfoglicerato. La enzima responsable de este proceso recibe el nombre de Ribulosa Bisfosfato Carboxilasa Oxigenasa (RuBisCO), que es la proteína más abundante en la naturaleza.

La fijación del CO2 supone un problema fisiológico para la planta. Las hojas son impermeables tanto al paso de líquidos como al de gases, gracias a que están recubiertas por una cutícula de cera. Sin embargo, hay dos procesos fisiológicos que necesitan que se produzca intercambio gaseoso entre la hoja y la atmósfera: la evapotranspiración, imprescindible para el transporte de sustancias disueltas desde las raíces hasta las zonas altas de la planta, y la captación de dióxido de carbono. Para permitir este intercambio las hojas poseen estructuras llamadas estomas, que consisten básicamente en una cámara que se abre al exterior de la hoja a través de una abertura regulable controlada por un par de células. El problema consiste en que cuando se abren los estomas ocurren simultáneamente los dos procesos, el intercambio gaseoso (captación de dióxido de carbono y eliminación de oxígeno) y evapotranspiración, lo que significa que la planta pierde agua para poder realizar la fotosíntesis. Pero en muchos casos conseguir agua resulta difícil para la planta, por lo que la fotosíntesis resulta un proceso costoso.

Por otra parte, la RuBisCO tiene una actividad enzimática doble: además de fijar el dióxido de carbono puede desarrollar una reacción competitiva, la fotorrespiración, en la que interviene la ribulosa difosfato y el oxígeno. Cuando hay luz y la concentración de oxígeno es alta, la fotorrespiración puede reducir en gran medida la eficacia de la fijación.

Hay dos grupos de plantas que han solucionado esos problemas de la fase oscura: las plantas C4 y las crasuláceas. En ambos casos, se ha modificado el paso de fijación del dióxido de carbono, reduciendo la importancia de la fotorrespiración.

Las plantas C4 están particularmente adaptadas a climas cálidos y secos. Estas plantas fijan el dióxido de carbono en las células del mesófilo (las mismas que realizan la fase luminosa) haciéndolo reaccionar con el fosfoenolpiruvato, lo que da lugar a oxalacetato. Este compuesto se transforma luego en malato, que es transportado hasta las células que rodean el haz conductor, más alejadas de la superficie. Allí se descarboxila, y el dióxido de carbono resultante reacciona con la ribulosa 1,5 difosfato, en una reacción catalizada por la RuBisCO. Las células del haz conductor están más protegidas de la luz, y en ellas la concentración de oxígeno es más baja que en el mesófilo, por lo que la fotorrespiración es menos importante.

Las crasuláceas han desarrollado un proceso bastante similar, pero en ellas la separación entre la entrada del CO2 y su fijación no es espacial, sino temporal: estas plantas, adaptadas a climas muy secos, abren sus estomas durante la noche, para reducir al mínimo posible la evapotranspiración. Sin embargo, en ese momento la célula no cuenta con la energía y el poder reductor necesario para llevar a cabo el ciclo de Calvin, por lo que el dióxido de carbono se fija sobre el fosfoenolpiruvato, dando lugar finalmente a malato, que es almacenado en la vacuola. A partir del amanecer, cuando la planta empieza a desarrollar la fase luminosa con los estomas cerrados, el malato se transforma en oxalacetato, que se descarboxila, y el CO2resultante es utilizado por la RuBisCO para producir 3 fosfoglicerato. En este caso se consigue también reducir la fotorrespiración, porque se mantiene baja la concentración de oxígeno gracias a que los estomas están cerrados.

Tanto la fotosíntesis C4 como el metabolismo ácido de crasuláceas son costosos para la planta en términos energéticos, pero este inconveniente se compensa sobradamente porque permiten un considerable ahorro de agua, que es el factor limitante del crecimiento de estas plantas en un clima cálido y seco como el que soportan.

El 3-fosfoglicerato formado es un compuesto oxidado, mucho más que las sustancias que habitualmente suele utilizar la célula. La conversión de este compuesto en un monosacárido necesita un aporte de poder reductor y de energía química (ATP) mediante dos reacciones sucesivas: una primera de activación, que da lugar a la formación de 1,3 difosfoglicerato con el gasto de una molécula de ATP, y otra de reducción, que consume NADPH y da lugar a la formación de gliceraldehído 3 fosfato.

El ciclo de Calvin

El gliceraldehído 3 fosfato es un monosacárido (una triosa), y puede ser utilizado como tal por la célula. La formación de esta molécula supone un gasto de ribulosa 1,5 difosfato. Para cerrar por completo el proceso es necesario que la célula recupere, además, este metabolito, lo que supone realizar un conjunto de reacciones químicas denominado ciclo de Calvin, común a todos los organismos autótrofos.
Para que el proceso esté equilibrado en cuanto a cantidad de materia, conseguir una molécula de gliceraldehido 3 fosfato requiere la incorporación de tres moléculas de dióxido de carbono. Esto supone el gasto de otras tres moléculas de ribulosa 1,5 difosfato y da lugar a la formación de seis moléculas de 3-fosfoglicerato y otras tantas de gliceraldehído 3 fosfato.
De esas seis moléculas de gliceraldehído, una es utilizada por la célula como producto neto de la fotosíntesis, mientras que las otras cinco se incorporan al ciclo de Calvin, para dar lugar a tres moléculas de Ribulosa 1,5 difosfato (tantas como se habían consumido) con el gasto de tres moléculas de ATP.
Como resultado final de la fase oscura, la célula incorpora tres moléculas de dióxido de carbono para producir cada molécula de gliceraldehído 3 fosfato, gastando para ello nueve moléculas de ATP y seis de NADPH procedentes de la fase luminosa.

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    La replicación del ADN

    Una de las funciones que el ADN garantiza en los seres vivos es la transmisión de la información genética desde una célula a sus descendientes. Para conseguirlo, la célula tiene que sintetizar una molécula de ADN exactamente igual a la que poseía inicialmente. Ese proceso recibe el nombre de replicación o duplicación del ADN.
    El proceso de replicación requiere que las dos hebras de la molécula de ADN se separen entre sí, con lo que pueden servir de molde para la elaboración de sendas copias. La fidelidad del proceso de copiado está garantizada por el principio de complementariedad de bases, que en realidad es la expresión de una relación química entre los componentes del ADN: la adenina es capaz de establecer dos enlaces de hidrógeno con la timina, por lo que si ambas bases se encuentran suficientemente cerca se atraerán hasta situarse una frente a la otra. Del mismo modo, la citosina y la guanina pueden formar tres enlaces por puente de hidrógeno, de modo que se atraen entre sí hasta situarse una frente a la otra. Como estas relaciones de complementariedad son únicas (la adenina no establece puentes de hidrógeno con ninguna otra base del ADN, y lo mismo pasa con las demás), la incorporación de nucleótidos a una cadena de ADN es una cuestión de afinidad química.
    La replicación da lugar a la formación de dos moléculas de ADN, cada una de las cuales lleva una hebra “antigua” y otra recién formada, razón por la cual se dice que es un proceso “semiconservativo” (porque cada molécula conserva la mitad del material genético de la generación anterior). La hipótesis semiconservativa fue comprobada por Meselson y Stalh, quienes utilizaron para ello ADN marcado con nitrógeno pesado (N15). En teoría, la replicación podría producirse de tres modos distintos: de forma conservativa (una de las moléculas hijas conserva las dos hebras antiguas, mientras la otra incluye las dos hebras recién formadas), de forma dispersiva (las dos hebras antiguas acaban eliminándose, y las moléculas formadas incluyen solo ADN recién formado) o de forma semiconservativa. El planteamiento de Meselson y Stalh consistió en conseguir bacterias cuyo ADN incluyera exclusivamente nitrógeno pesado, e incubarlas en un medio con nitrógeno normal, que sería el que se incorporara al nuevo ADN. De este modo, el ADN antiguo sería pesado, y el recién formado ligero, y esta diferencia podía detectarse al centrifugar el material genético de las bacterias. Los posibles resultados de ese experimento serían los siguientes:

    • Si la replicación fuera conservativa, algunas moléculas de ADN serían pesadas (las antiguas) y otras ligeras (las nuevas), por lo que se apreciarían dos bandas de ADN en la centrifugación.
    • Si la replicación fuera dispersiva, todas las moléculas serían ligeras por lo que solo se apreciaría en la centrifugación una banda de ADN poco pesado.
    • Si la replicación fuera semiconservativa, todas las moléculas tendrían una densidad intermedia (porque contendrían nitrógeno 14 y nitrógeno 15) y en la centrifugación se apreciaría una sola banda de ADN, en una posición intermedia entre el ADN ligero y el pesado.

    La siguiente animación reproduce el experimento y muestra sus resultados.

    El proceso molecular de la replicación

    El primer paso para que ocurra la replicación del ADN es la separación de sus hebras, lo que da lugar a una “burbuja” en la que las dos hebras están alejadas entre sí. En procariotas esto ocurre a partir de un único punto, el origen de replicación, pero en eucariotas cada cromosoma tiene múltiples orígenes de replicación, por lo que durante la replicación del material genético aparecen varias burbujas de replicación en cada cromosmoma.

     
    La formación de las burbujas de replicación requiere la participación de varias proteínas:
    • La helicasa se encarga de abrir la doble hélice y separar las hebras entre sí.
    • Las topoisomerasas reducen la tensión que sufre la molécula como consecuencia de la torsión necesaria para abrir la doble hélice.
    • Las proteínas SSB (Single Strand Binding) se unen a las dos hebras, para mantener estable la separación.

     Cada burbuja de replicación supone la participación de dos moléculas de helicasa, de modo que la burbuja va creciendo en ambas direcciones a medida que avanza el proceso de replicación.

    Una vez separadas las dos hebras puede iniciarse la replicación propiamente dicha, lo que supone la unión al ADN de otro conjunto de proteínas que van a formar el llamado “complejo de replicación”. Las más importantes de estas proteínas son las siguientes:

    • La primasa se encarga de introducir los primeros nucleótidos de cada cadena de ácido nucleico que se va a producir. Curiosamente, se trata de una polimerasa de ARN, por lo que los primeros nucleótidos que se copian van a formar una pequeña cadena de ARN llamada “primer” o cebador que posteriormente deberá ser eliminada.
    • La ADN polimerasa III es capaz de leer una hebra de ADN que actúa como molde, añadiendo desoxirribonucleótidos a la cadena en formación. Esta enzima es la responsable del crecimiento de la cadena pero, como se ha dicho previamente, necesita que exista una cadena de nucleótidos a la que añadir más monómeros. Esta es la razón de que sea necesaria la primasa.
    • La ARNasa H elimina los cebadores de ARN.
    • La ADN polimerasa I rellena los huecos dejados en las cadenas por la eliminación de los cebadores.
    • La ADN ligasa une los fragmentos de ADN que han sido sintetizados.

    Cada burbuja de replicación consta de dos horquillas de replicación, en cada una de las cuales se une una helicasa. Además, en cada una de las horquillas de replicación se copian simultáneamente las dos cadenas de ADN, por lo que en cada burbuja se llevan a cabo simultáneamente cuatro procesos de replicación.

    La ADN polimerasa III solo lee la cadena molde en dirección 3′ →5′, lo que hace que avance en direcciones opuestas en las dos hebras que está copiando. En una de las hebras, el complejo de replicación avanza siguiendo a la helicasa, en su misma dirección, por lo que va encontrando espacio sin dificultad. Esta hebra se denomina “conductora”, y en ella la replicación ocurre de modo continuo. Sin embargo en la otra hebra las enzimas que llevan a cabo el proceso de replicación deben hacerlo alejándose de la helicasa, en dirección contraria a la de su avance. Para ello, la ADN polimerasa III se sitúa cerca de la helicasa y avanza alejándose de ella, pero simultáneamente la helicasa va abriendo la hélice por detrás de la polimerasa, con lo que queda un fragmento de ADN de una sola hebra sin replicar. Para copiar este fragmento, la polimerasa vuelve a unirse al ADN cerca de la nueva posición de la helicasa. De este modo, la replicación en esta hebra va avanzando “a saltos”, en un proceso denominado replicación discontinua.

    Los fragmentos sintetizados en cada paso de replicación en la hebra retardada constan de un cebador de ARN y una cadena de ADN, y reciben el nombre de fragmentos de Okazaki en honor a su descubridor. Dichos fragmentos son adyacentes, pero no están unidos entre sí.

    Cuando finaliza la replicación propiamente dicha, la molécula recién sintetizada es un “híbrido” formado por un fragmento de ARN (el cebador) y una cadena de ADN. En el caso de la hebra retardada, además, no es una única molécula, sino varios fragmentos. El producto final del proceso, sin embargo, es una molécula de ADN. El proceso para obtener dicha molécula es el siguiente:

    • La ARNasa H elimina los ribonucleótidos que constituyen los cebadores, dejando huecos en el extremo de los fragmentos de ADN.
    • La ADN polimerasa I, distinta a la que ha intervenido anteriormente, rellena los huecos dejados por la ARNasa H
    • En la hebra retardada, la ADN ligasa une entre sí los fragmentos de Okazaki.
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    Transcripción

    La transcripción es el proceso mediante el cual una molécula de ADN sirve de molde para la síntesis de una molécula complementaria a ella de ARN. Desde el punto de vista del funcionamiento de la célula, la transcripción es fundamental para la expresión de la información genética ya que da lugar a moléculas que van a realizar funciones específicas (ARN ribosómico o transferente) o que, a su vez, van a servir de modelo para la síntesis de otras moléculas funcionales (las proteínas).
    A diferencia de lo que ocurre con la replicación, la transcripción no supone la copia de todo el material genético de la célula, sino solo de los fragmentos que son necesarios en un momento determinado. Esto supone que se trata de un proceso regulado, es decir, que existen una serie de estímulos y sistemas de control que determinan qué partes del genoma celular se transcriben en un momento determinado.
    El proceso de transcripción es desarrollado por una enzima llamada ARN polimerasa, que une ribonucleótidos trifosfato, haciendo crecer la cadena que forma en dirección 5’→3′ (la misma en la que actúa la polimerasa durante la replicación). Para llevar a cabo su función esta enzima necesita, además, un “molde”, que siemopre es una molécula de ADN monocatenario. La introducción de los nucleótidos en la cadena de ARN creciente se produce de acuerdo con el principio de complementariedad de bases.
    La ARN polimerasa solo se une al ADN en ciertas regiones específicas, caracterizadas por su secuencia de bases, que reciben el nombre de promotores. El inicio del proceso requiere, además de la ARN polimerasa, la participación de otras proteínas que reciben el nombre genérico de factores de transcripción.

    Transcripción en procariotas

    En procariotas el proceso de tanscripción es relativamente sencillo: solo existe un factor de transcripción, llamado factor σ, y una única ARN polimerasa. El factor σ se une a una región del ADN situada cerca de la primera base que se transcribe. Esta zona tiene una secuencia de nucleótidos con una elevada proporción de Adenina y Timina, que se ha conservado a lo largo de la historia evolutiva. Esta región incluye siempre la secuencia TATA, por lo que se denomina TATA box.

    Una vez que el factor σ se ha unido a la TATA box se une a ambos la ARN polimerasa, que cumple dos funciones simultáneamente: separa las dos hebras de la molécula de ADN y utiliza una de ellas como molde para crear la molécula de ARN. La dirección de síntesis es la misma que en la replicación: la cadena de ARN crece en sentido 5′ a 3′. La unión de los nucleótidos es rápida, entre 30 y 40 nucleótidos por segundo, lo que hace que este proceso tenga una tasa de error superior a la replicación, a lo que hay que unir el hecho de que no existan mecanismos de reparación de errores.

    La transcripción termina cuando la ARN polimerasa alcanza una zona del ADN rica en C+G (en la que la unión entre las dos cadenas es más fuerte, porque este par de bases establece tres puentes de hidrógeno). Para que la ARN polimerasa se separe del ADN es necesaria la unión de otra proteína, el factor de terminación o factor ρ (rho).
    Si el resultado de la transcripción es un ARN mensajero, es utilizado inmediatamente por la célula, incluso antes de que la transcripción termine. En cambio, si se trata de un ARN ribosómico o de un ARN transferente, debe sufrir un proceso de maduración antes de que sean funcionales.

    Transcripción en eucariotas

    En eucariotas existen dos procesos diferentes de transcripción: las mitocondrias y los cloroplastos transcriben sus genes del mismo modo que los procariotas, mientras que la transcripción de los genes del núcleo utilizan un conjunto de proteínas más complejo, además de incluir ciertas diferencias en el proceso.
    Los genes eucariotas tienen también una TATA box a la que se unen los factores de iniciación, que en este caso son varias proteínas diferentes. No existe una única ARN polimerasa, sino tres, que transcriben diferentes tipos de genes: la ARN polimerasa I sirve para transcribir casi todos los ARN ribosómicos, la ARN polimerasa II da lugar a los ARN mensajeros, que luego servirán para la síntesis de proteínas, y la ARN polimerasa III permite la transcripción de todos los ARN transferentes y algunos ARN ribosómicos.
    La terminación del proceso también se lleva a cabo mediante la unión de varios factores de terminación, que ayudan a la separación de la ARN polimerasa.
    Mientras que los ARN mensajeros de las células procariotas pueden ser utilizados directamente por la célula, los que se producen en el núcleo de las células eucariotas necesitan pasar por dos procesos de modificación química antes de ser utilizados: el procesamiento y la maduración.
    El procesamiento consiste en la adición de diferentes elementos en ambos extremos de la molécula de ARN: en el extremo 5′ se añade una “caperuza” (cap) constituida por un derivado de un nucleótido, la 7-metil guanosina trifosfato, mientras que en el extremo 3′ se añaden aproximadamente unos 200 nucleótidos de Adenina. La función de ambas modificaciones es la misma: proteger la molécula, impidiendo su degradación prematura, antes de que pueda cumplir su función celular.
    La maduración del ARN (splicing) responde al hecho de que los genes de los eucariotas no son continuos, sino que incluyen en su interior regiones que no forman parte de la proteína.
    Las regiones de ADN situadas en el interior de un gen que no forman parte de la proteína se denominan intrones, y son eliminados después de la síntesis de la molécula de ARN. En este proceso interviene un conjunto de moléculas denominadas ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (RNPpn) o espliceosoma, constituidas por proteínas y ácidos nucleicos. Las RNPpn cortan los intrones por sus extremos, identificándolos gracias a que los nucleótidos de estas zonas son complementarias de los que forman parte del espliceosoma. Los extremos resultantes del corte son unidos entre sí por ligasas específicas.
    El ARN ribosómico y el ARN transferente también sufren modificaciones químicas después de la transcripción: los ARN transferentes sufren alteraciones en algunas de sus bases, que son transformadas en “bases raras” características de este tipo de compuestos, imprescindibles para que adquieran su estructura final. Además se les añaden tres bases en su extremo 3′ (CCA) que son las que permiten la unión del aminoácido durante el proceso de traducción.
    En cuanto al ARN ribosómico, la ARN polimerasa I sintetiza una única molécula de ARN de gran tamaño, que es cortada en fragmentos, cada uno de los cuales es uno de los ARNr funcionales. Este proceso ocurre en el nucleolo.
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    El ADN, molécula portadora de la información hereditaria

    Los organismos vivos somos sistemas extremadamente complejos, formados por un elevado número de elementos interrelacionados que deben mantener sus características a lo largo del tiempo, de una generación a otra. Esto supone que debe existir algún mecanismo para que cada elemento de los organismos se elabore de acuerdo a un “plan”, a un modelo de organización establecido, y que ese modelo pueda ser transmitido de una célula a sus descendientes. Esta necesidad de los seres vivos nos acerca a la noción de información genética.

    La información, cualquier tipo de información, es un conjunto organizado de datos que pueden ser utilizados en algún proceso. En el caso de los seres vivos, los datos se refieren, fundamentalmente, a cómo son las moléculas (en particular las proteínas y el ARN) que la célula necesita producir y a cuándo deben ser elaboradas. La información necesita siempre una memoria, es decir, un sistema físico en el que pueda registrarse, almacenarse y que permita su lectura. En los seres vivos, que somos máquinas químicas, el soporte de la información es un tipo de molécula, concretamente un ácido nucleico. La información que almacenan los organismos recibe el nombre de información genética.

    Los sistemas de almacenamiento de información deben cumplir ciertos requisitos, cualquiera que sea su naturaleza:

    • Tienen que permitir que la información sea “leída”, es decir, que algún tipo de dispositivo permita aprovechar los datos contenidos en la memoria para realizar el proceso correspondiente. En el caso de los seres vivos, el proceso que permite que la información sea utilizada por el organismo se denomina expresión de la información genética. Dicho de otra forma, cuando una célula utiliza una parte de su información para elaborar, por ejemplo, una proteína, decimos que la célula está expresando su información genética.
    • Es necesario, también, que la información pueda ser transferida, es decir, que pueda pasar de un soporte físico a otro soporte físico similar, con lo que puede pasar de una célula a otra. En los organismos vivos, el proceso que permite la copia de la información genética se denomina replicación.

    Para que la información pueda ser leída y reproducida debe estar “codificada”, es decir, debe poder recogerse en un “lenguaje” formado por signos diferentes, de forma que los diferentes datos que constituyen la información estén almacenados como distintos elementos (“signos”) o combinaciones de signos. En los organismos, el código que permite almacenar la información es el código genético. Si un “dato” es la secuencia de aminoácidos de una proteína concreta, la información necesaria para reconstruir ese dato sería la secuencia de nucleótidos del ácido nucleico correspondiente.

    La base biológica de la información genética

    Aunque en la actualidad sabemos que los ácidos nucleicos son los portadores de la información genética, este es un conocimiento relativamente reciente. Mucho antes de identificar la molécula que almacena la información se conocían, sin embargo, los requisitos que debía cumplir una molécula para poder desempeñar esa función:

    • Estar formada por elementos distintos, porque la diferencia entre unos datos y otros se debe a cambios en la secuencia de sus unidades. Esta característica es común a todos los “lenguajes”, que se usan para almacenar y transmitir información.
    • Incluir, en su propia estructura, los elementos necesarios para reproducir la información que contiene.
    • Ser capaz de almacenar la gran cantidad de información que necesitan utilizar los seres vivos, aun los más sencillos.

    Estas tres características orientaron enseguida la búsqueda de la molécula portadora de la información genética hacia una dirección muy concreta: era necesario identificar una molécula de gran tamaño, relativamente abundante en la célula (porque necesitaba contener gran cantidad de información) y formada por elementos diferentes. Además, debía estar presente en todos los seres vivos. Los tipos de sustancias que cumplían estos criterios son muy reducidos: proteínas y ácidos nucleicos.

    Se diseñaron varios experimentos diferentes para determinar cuál de las moléculas era la responsable de la acumulación y transmisión de la información genética, siendo el de Hershey y Chase uno de los más definitivos y claros.

    Estos investigadores utilizaron bacteriófagos, es decir, virus que infectan bacterias. A pesar de que los virus no son seres vivos, cumplen con el criterio básico para poder utilizarlos en este tipo de investigación, ya que poseen información genética que puede ser leída (aunque no por ellos, sino por el organismo al que infectan) y que se replica, pasando de una generación a otra. A esto hay que añadir, además, la ventaja de su sencillez: un virus bacteriano está formado exclusivamente por ácidos nucleicos y proteínas, por lo que una de las dos sustancias debe ser, necesariamente, la responsable de la información genética.

    Hershey y Chase utilizaron para su experimento una diferencia de composición entre proteínas y ácidos nucleicos: mientras que prácticamente todas las proteínas contienen azufre (en la metionina y sobre todo en la cisteína, que resulta esencial en el establecimiento de su estructura), este elemento está ausente en los ácidos nucleicos. Por el contrario, los ácidos nucleicos contienen fósforo, que nunca está presente en las proteínas. Aprovechando esta circunstancia, incubaron una cepa de bacterias en presencia de fósforo radiactivo y otra en un medio con azufre radiactivo. Luego infectaron ambas cepas con fagos, de modo que éstos incluyeron en su composición los respectivos marcadores radiactivos.

    El siguiente paso en el experimiento fue infectar nuevas bacterias con los fagos marcados radiactivamente y comprobar dónde se localizaba la radiactividad tras la infección.

    Los fagos marcados en sus proteínas (con azufre radiactivo) no marcaban radiactivamente las bacterias, sino que se perdían al agitar, mientras que los marcados con fósforo, en su ADN, hacían que las bacterias presentaran actividad radiactiva, demostrando que era el ADN el responsable de la infección y, por tanto, de la transmisión de la información genética.

    El descubrimiento de la estructura del ADN por parte de Watson y Crick aportó, finalmente, un posible mecanismo para la reproducción de la información genética. Según el modelo de Watson y Crick, la molécula de ADN está formada por dos hebras complementarias entre sí, de acuerdo con el principio de Chargaff, lo que significa que, sabiendo qué nucleótido se encuentra en una posición dada en una de las hebras, se sabe inmediatamente cual está en la otra hebra (Adenina frente a Timina, Citosina frente a Guanina). Sabiendo esto, resulta fácil imaginar un mecanismo para replicar la información, ya que cada hebra sirve de molde para su complementaria: si se separan ambas cadenas, bastaría con situar el nucleótido complementario frente a cada uno de los de la cadena molde.

    El flujo de la información genética

    El modelo de Watson y Crick proporcionó también una hipótesis acerca del “camino” que sigue la información genética desde el ADN hasta que se plasma en la estructura de otras macromoléculas, las proteínas. El conjunto de procesos que permiten “expresar” la información genética recibió, en su momento, el nombre de dogma central de la biología molecular e incluye los siguientes elementos:

    • La información genética está almacenada, en todos los seres vivos, en el ADN. Esta molécula actúa como una “copia de seguridad” o de respaldo a partir de la cual se van a poder producir las proteínas y como sistema para transferir la información a las células hijas, lo que supone que esta sustancia pueda sufrir dos tipos de procesos:
      • Replicación: es el proceso mediante el cual una molécula de ADN da lugar a otra igual a sí misma, lo cual supone la copia de las dos cadenas que la forman.
      • Transcripción: mediante este proceso una de las hebras de la cadena de ADN da lugar a una molécula de ARN complementaria de sí misma.
    • El ARN desempeña varios papeles en la célula; el ARN ribosómico y el transferente realizan directamente las funciones que les corresponde, por lo que la expresión de la información genética en este caso termina con la transcripción. El ARN mensajero, por su parte, es la “copia de trabajo” a partir de la cual se van a producir directamente las proteínas. El proceso mediante el cual ocurre la producción de proteínas celulares se denomina traducción, y supone la participación de todos los tipos de ARN presentes en la célula.

      Estos son los procesos fundamentales de expresión de la información genética, y ocurren en todos los organismos. Sin embargo, algunos virus que solo presentan ARN como material genético incluyen en su “ciclo vital” otros procesos de transmisión de información genética que, aunque son muy poco importantes desde el punto de vista cuantitativo, tienen gran interés tanto teórico como aplicado.
      • Algunos de estos virus son capaces de hacer una copia de su material genético, dando lugar a otras moléculas de ARN. Este proceso recibe el nombre de replicación del ARN.
      • Otros virus ARN, por su parte, tienen la capacidad de copiar la información genética que portan dando lugar a una molécula de ADN que se integra (se introduce) en el genoma de su hospedador. Este proceso, único en la naturaleza, recibe el nombre de transcripción inversa o retrotranscripción, y tiene mucho interés desde el punto de vista de la Biotecnología. Un ejemplo de este tipo de virus es el responsable del SIDA.
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      Fotosíntesis I: La fase luminosa

      La fotosíntesis es el conjunto de procesos metabólicos mediante los cuales las células fotoautótrofas captan la luz solar y transforman su energía electromagnética en energía química y poder reductor que la célula utiliza en procesos metabólicos, concretamente para transformar dióxido de carbono en moléculas orgánicas.
      Desde un punto de vista funcional, en la fotosíntesis se distinguen dos fases o etapas:
      • Fase luminosa: recibe este nombre porque necesita la captación de luz por parte de la célula. A su vez, incluye varios subprocesos:
        • Captación de la luz por parte de los fotosistemas.
        • Transporte electrónico dependiente de la luz
        • Fotofosforilación.
      • Fase oscura: se llama así porque puede ocurrir independientemente de la presencia de luz; solo necesita que la célula disponga de suficiente cantidad de energía en forma de ATP y de poder reductor en forma de NADPH+H+. Incluye, a su vez, varios subprocesos:
        • Fijación del dióxido de carbono.
        • Reducción del carbono fijado.
        • Formación neta de un monosacárido, con recuperación de las moléculas orgánicas utilizadas.
      Hablar de “fases” puede inducir a un error bastante común: los dos procesos no tienen por qué ocurrir separadamente, ni mucho menos uno detrás del otro. La relación entre ellos es más bien de dependencia, no de sucesión: las reacciones de la fase oscura necesitan los productos que se obtienen en la fase luminosa. Del mismo modo, el uso del término “fase oscura”, por oposición a la fase luminosa, también es equívoco. De hecho, en la mayor parte de las plantas la fase luminosa y la fase oscura de la fotosíntesis ocurren simultáneamente, sobre todo durante el día, por el mero hecho de que la célula tiene dificultades para almacenar ATP y poder reductor. Solo un grupo de plantas especialmente adaptadas a la falta de agua, las crasuláceas, realizan la fase oscura durante la noche, precisamente para reducir la pérdida de agua por evapotranspiración.
      La fotosíntesis, en los organismos eucariotas, tiene lugar en el interior de los cloroplastos: la fase luminosa ocurre ligada a la membrana interna, que se continua con la membrana de los tilacoides, mientras que la fase oscura tiene lugar en el estroma del cloroplasto.
      Fase luminosa
      En esencia, la fase luminosa consiste en una transformación energética: la energía electromagnética de la luz se transforma, en primer lugar, en un flujo de electrones cuyo destino final es una coenzima de oxidación-reducción, el NADPH+H+. Por otra parte, una parte de la energía liberada en las transferencias de electrones a lo largo de una cadena transportadora se utiliza para generar un gradiente de protones a través de la membrana interna del cloroplasto. Este gradiente se acopla a la síntesis de ATP gracias a la acción de la ATP sintasa. Como el resultado final de la fase luminosa es la formación de ATP acoplada a la captación de energía luminosa, recibe también el nombre de fotofosforilación.

      Los elementos necesarios para llevar a cabo el proceso global de la fase luminosa son, según esto:

      1. Un mecanismo que transforme la energía luminosa en un flujo de electrones.
      2. Una sustancia que proporcione los electrones que van a moverse a lo largo del proceso.
      3. Una cadena de transporte electrónico, que genere el gradiente de protones.
      4. Una sustancia que reciba los electrones que se mueven durante el proceso.
      5. Un sistema que acople el flujo de protones a favor de gradiente a la síntesis de ATP.

      Las cadenas de transporte electrónico que intervienen en el proceso son similares, en su naturaleza, a las que participan en la fosforilación oxidativa. Lo mismo ocurre con la ATP sintasa. La sustancia que, finalmente, proporciona los electrones es el agua, y la que los recibe es el NADPH+H+, una coenzima de oxidación reducción bastante parecida al NADH+H+. El elemento más novedoso de todo el proceso es, por tanto, el sistema de captación y transformación de la energía luminosa.

      1. Captación y transformación de la energía luminosa

      La captación de energía luminosa consiste en la absorción de fotones por parte de alguna sustancia. Cuando observamos un objeto, su color corresponde a la luz que refleja, mientras que la radiación de otras longitudes de onda es “absorbida” pos sus moléculas. La energía captada por esa molécula, que recibe el nombre genérico de pigmento, no desaparece, sino que puede dar lugar a diferentes procesos físico-químicos. En la mayoría de los casos, el proceso consiste simplemente en el incremento de la temperatura del objeto, porque la radiación incrementa la agitación de las moléculas, pero son posibles otro tipo de fenómenos distintos, como la emisión de luz de otra longitud de onda (fluorescencia) o la emisión de electrones por parte de la molécula (efecto fotoeléctrico o fotovoltaico).

      El efecto fotoeléctrico consiste en que un fotón que incide sobre el átomo de una sustancia capaz de absorberlo transfiere una parte de su energía a un electrón, arrancándolo y dejando al átomo cargado positivamente. Se trata del mismo proceso que ocurre en las células fotovoltaicas, en las que la luz “arranca” electrones que son transportados a lo largo de un sistema conductor, con lo que la energía de su movimiento puede ser utilizada en forma de corriente eléctrica.

        En la fase luminosa de la fotosíntesis ocurre exactamente lo mismo: un fotón incide sobre una sustancia capaz de absorberlo (la clorofila u otro pigmento fotosintético), arrancándole un electrón. En este caso, el “sistema conductor” que recoge el electrón es una cadena transportadora, y el uso que se hace de la energía es, como se ha dicho, generar un gradiente de protones.

        En las células vegetales, las moléculas capaces de captar la luz y perder electrones como consecuencia de haber absorbido esta energía son los llamados pigmentos fotosintéticos. El más abundante de ellos es la clorofila, la sustancia que proporciona el color verde a la mayoría de los órganos vegetales. Junto a la clorofila aparecen en los orgánulos fotosintéticos otros pigmentos accesorios, como los carotenos, de color rojo, o las xantofilas, amarillas.

        La clorofila es una molécula formada por una estructura cíclica llamada porfirina y una cola hidrocarbonada de cadena apolar. El grupo porfirínico es una estructura cíclica en cuyo centro puede atrapar un átomo metálico. Esto es muy importante, porque los metales tienen mucha más facilidad que los no metales para ceder o ganar electrones, lo que les permite participar en reacciones redox.

        En el caso de la clorofila, el átomo metálico es de magnesio, pero existen otras sustancias con grupos porfirínicos que tienen unidos otros elementos: hierro en el caso de la hemoglobina, o cobre en el de la hemocianina. La cadena apolar de la clorofila es un alcohol de cadena larga, llamado fitol. Esta parte de la molécula se integra en la membrana, mientras que el grupo porfirínico permanece fuera de ella.

        Fotosistemas

        La clorofila no se encuentra aislada en la membrana del cloroplasto, sino junto a otros pigmentos y a varias proteínas formando estructuras que reciben el nombre de fotosistemas. El fotosistema es la unidad funcional del proceso de captación y transformación de la energía luminosa. Está compuesto por varias moléculas de clorofila y de otros pigmentos accesorios (carotenos, xantofilas…) y diferentes proteías, dispuestas formando una estructura cilíndrica integrada en la membrana. En el centro de dicha estructura hay una molécula especial de clorofila, llamada “centro reactivo”, que es capaz de ceder electrones cuando recibe energía electromagnética.
        Los cloroplastos poseen dos tipos distintos de fotosistemas, que se distinguen entre sí tanto estructural como funcionalmente. Desde el punto de vista de su función, los fotosistemas se diferencian por la parte del espectro electromagnético que son capaces de utilizar: el fotosistema I también recibe el nombre de P700, porque tiene un máximo de absorción en torno a los 700nm, mientras que el fotosistema II (P680) presenta una absorción máxima a longitudes de onda en torno a los 680nm o menores, lo que signifca que necesita radiación de mayor energía. Esta diferencia de comportamiento se debe a que ambos fotosistemas poseen pigmentos ligeramente distintos.

        Cuando el fotosistema pierde electrones necesita recuperarlos, tomándolos de una sustancia reducida capaz de proporcionárselos. En las plantas, el fotosistema I puede recibir electrones desde dos donadores distintos: de él mismo, tras un flujo de electrones cíclico en el que los transportadores electrónicos acaban devolviendo el par electrónico al propio fotosistema, o del fotosistema II. En el caso del fotosistema II la sustancia que cede los electrones es el agua, que libera protones produciendo oxígeno en el proceso (fotosíntesis oxigénica).

        Las cadenas de transporte electrónico

        El cloroplasto posee, en realidad, una unica cadena de transporte electrónico, que se encuentra asociada a los dos tipos de fotosistemas. Los elementos más importantes de dicha cadena son los siguientes:
        • La feofitina es una molécula estructuralmente similar a la clorofila, excepto porque carece del átomo de magnesio característico. Está asociada a los fotosistemas, de los que recibe los electrones.
        • La plastoquinona es una molécula de pequeño tamaño, soluble en la membrana. Recibe los electrones de la feofitina y los cede al citocromo b6f.
        • El citocromo b6f es una proteína transmembrana, que parece actuar también como bomba de protones, por lo que sería el responsable de la creación del gradiente de protones para la fosforilación.
        • La plastocianina es una proteína pequeña y móvil, que puede ceder los electrones a diferentes compuestos, en función del fotosistema al que esté asociada.
          • Si forma parte del fotosistema II cede electrones al fotosistema I
          • Si forma parte del fotosistema I, cuando participa en el flujo cíclico de electrones, también los cede al fotosistema I.
          • Si forma parte del fotosistema I, pero participando en el flujo no cíclico, cede los electrones al NADP dando lugar a NADPH.

        Flujo cíclico y flujo no cíclico

        Los dos fotosistemas presentes en el cloroplasto pueden funcionar de modo diferente: si el fotosistema I actúa solo, la cadena de transporte electrónico acaba devolviendo los electrones al mismo fotosistema. A lo largo del proceso se genera un gradiente quimiosmótico de protones, que se acumulan en el espacio intermembranoso. Este gradiente puede ser aprovechado por la ATP sintasa para la producción de ATP.
        También puede ocurrir que los dos fotosistemas actúen coordinadamente, en lo que se conoce como “flujo no cíclico de electrones”. En este caso, el fotosistema I cede los electrones a la cadena de transporte, pero la plastocianina acaba traspasándolos al NADP, con lo que lo transforma en NADPH que puede utilizarse como fuente de poder reductor. Sin embargo, esto deja al fotosistema I con un déficit electrónico, que debe ser eliminado. Esta es la función del fotosistema II: éste capta luz, excitándose y cediendo los electrones a la cadena transportadora. En este caso, la plastocianina cede los electrones al fotosistema I, dejando a éste de nuevo en condiciones de empezar a funcionar. Este conjunto de transferencias electrónicas se utiliza también para producir ATP mediante una fosforilación quimiosmótica.
        El déficit de electrones del fotosistema II se subsana de un modo diferente, ya que este complejo tiene la capacidad de romper moléculas de agua, arrancándoles electrones y traspasándolos a la clorofila que los había perdido. El producto final de la rotura de la molécula de agua es la formación de oxígeno molecular, por lo que el proceso es conocido como fotosíntesis oxigénica.
        Perspectiva evolutiva

        Desde el punto de vista de la historia evolutiva, los primeros organismos fotosintéticos se desarrollaron en un ambiente anóxico (carente de oxígeno), en el que  no debía resultar difícil conseguir moléculas donadoras de electrones (poder reductor), de modo que resultaba suficiente el funcionamiento del fotosistema I para producir ATP. La aparición de un segundo fotosistema, capaz de utilizar un mayor rango de longitudes de onda, proporcionó a esos organismos una mayor eficacia. El resultado, sin embargo, produjo grandes cambios ambientales a escala planetaria: el nuevo fotosistema utilizaba el agua como donante de electrones, produciendo oxígeno como residuo. La acumulación de este compuesto dio lugar a la revolución del oxígeno: en primer lugar, el caracter químico del entorno cambió para hacerse oxidante. En segundo lugar, el oxígeno se acumuló en la atmósfera hasta alcanzar la concentración actual (una quinta parte de los gases que la forman).

        Pero el oxígeno era tóxico para la mayor parte de los organismos, que utilizaban sobre todo compuestos químicos reducidos, susceptibles de reaccionar con este gas. La presencia de oxígeno provocó, indirectamente, la evolución de las grandes rutas metabólicas celulares: la aparición de la respiración celular, que aprovecha el oxígeno para aumentar el rendimiento energético de la degradación de los compuestos orgánicos y la propia fotosíntesis, ya que los organismos necesitaban ahora una fuente de poder reductor, mucho más escasa en un entorno oxidante.

        Este cambio químico también fue el responsable del origen de la eucariosis, mediante la simbiosis entre organismos procariotas incapaces de utilizar el oxígeno y otros que sí tenían esta capacidad. Por último, la considerable acumulación de oxígeno terminó por formar la capa de ozono, que incrementó la protección frente a la radiación ultravioleta, reduciendo la frecuencia de mutación que sufrían los organismos. Se considera que esta mayor estabilidad permitió, a su vez, la “radiación del Cámbrico”, el mayor fenómeno de aparición de nuevas formas de vida que se ha producido en nuestro planeta.

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          Generalidades sobre el anabolismo

          El anabolismo es el conjunto de reacciones químicas de carácter biosintético que tienen lugar en las células. Incluyen, básicamente, tres tipos de procesos:
          1. Formación de los monómeros que constituyen las macromoléculas orgánicas.
          2. Polimerización de los monómeros, para dar lugar a las macromoléculas.
          3. Formación de las estructuras celulares (reacciones de ensamblaje).
          En general, los procesos anabólicos requieren un aporte de energía química, en forma de ATP, y de poder reductor, proporcionado por el NADH+H+ o por alguna otra coenzima de oxidación reducción similar. En última instancia, estas coenzimas han podido recibir sus electrones del agua o de compuestos inorgánicos reducidos (organismos autótrofos) o de compuestos orgánicos reducidos (organismos heterótrofos).
            En general, estas reacciones requieren un aporte de energía química, que suele proceder del ATP, y de poder reductor, que las células obtienen de alguna coenzima de oxidación reducción, frecuentemente el NADH+H+. Los distintos tipos de organismos obtienen los electrones, en último término, de diferentes compuestos: los autótrofos obtienen electrones del agua o de otros compuestos inorgánicos reducidos mientras que los heterótrofos los consiguen de sustancias orgánicas reducidas.

            Los organismos heterótrofos, además de necesitar compuestos orgánicos reducidos para obtener sus electrones, son incapaces, en general, de sintetizar los monómeros a partir de sustancias inorgánicas, mientras que tanto las reacciones de polimerización como las de ensamblaje de componentes son comunes a todos los organismos.

            Autótrofos

            Heterótrofos

            Síntesis

            de monómeros a partir de moléculas inorgánicas

            Fotosíntesis

            Quimiosíntesis

            Síntesis

            de polímeros a partir de monómeros

            Rutas

            metabólicas comunes a todos los organismos

            Ensamblaje

            de componentes celulares

            En la práctica, el catabolismo y el anabolismo no están totalmente separados en la célula, sino que ocurren simultáneamente, y en general mezclados entre sí. Existen multitud de rutas, generalmente relacionadas con la reestructuración de las moléculas pequeñas, que pueden tener tanto un papel catabólico como anabólico, razón por la cual reciben el nombre de rutas anfibólicas. La más importante de todas ellas es el ciclo de Krebs, que constituye el elemento central de todo el metabolismo celular.
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