Enzimas y Metabolismo: Estructura, Cinética, Ácidos Nucleicos, Replicación, Transcripción, Traducción y Vías Energéticas

Biología27 oct 202643,2 KB

Enzimas: catalizadores biológicos

Las enzimas son proteínas catalizadoras de reacciones biológicas. No hacen factibles reacciones imposibles, sino que aceleran su velocidad. Suelen ser muy eficaces y específicas con sus sustratos. Poseen las siguientes ventajas frente a la catálisis química:

Mayor velocidad de reacción.
Condiciones de reacción suaves (condiciones fisiológicas frente a condiciones químicas, a menudo elevadas).
Gran especificidad (la reacción enzimática no produce subproductos).
Capacidad de regulación (activación y modulación).

Cada enzima cataliza una única reacción o un tipo de reacción sobre un sustrato o un grupo pequeño de sustratos. El sustrato se une al centro activo, donde los aminoácidos de contacto con el sustrato forman la unión, y los aminoácidos catalíticos llevan a cabo la transformación, dando lugar a los productos.

Modo de acción

La reacción espontánea procede con una energía de activación menor que la del sustrato. Puede ocurrir sin catalizador, con catalizador o con enzima específica. Las moléculas de sustrato chocan con energía y orientación adecuadas. Al unirse, el sustrato se orienta de forma óptima en el centro activo, lo que modifica sus propiedades químicas, debilita sus enlaces y facilita la formación de nuevos enlaces.

Parámetros que afectan a la actividad enzimática

pH: cada enzima tiene un pH óptimo. Los cambios de carga de los aminoácidos alteran la actividad. Los tampones fisiológicos amortiguan estas variaciones.
Temperatura: al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad, hasta un punto en el que se produce desnaturalización. A partir de ahí, el aumento de velocidad se contrarresta con la pérdida de actividad, hasta anularse.
Concentración de sustrato: la velocidad depende de la concentración de sustrato; a mayor concentración, mayor velocidad. La presencia de producto final puede disminuir la velocidad o invertir el sentido de la reacción.

Cofactores

Son sustancias no proteicas necesarias para la actividad enzimática. Pueden ser inorgánicos (cofactores) u orgánicos (coenzimas). Si el compuesto no proteico está unido covalentemente a la enzima se denomina grupo prostético. La enzima completa con su cofactor es la holoenzima; la parte proteica es la apoenzima.

Moduladores (efectores)

Regulan la actividad: los activadores la aumentan y los inhibidores la disminuyen. Pueden ocupar el centro activo (inhibición competitiva) o alterar la conformación de la enzima, impidiendo la unión con el sustrato (inhibición no competitiva).

Modificación covalente

Consiste en la adición o eliminación de grupos químicos por unión covalente. Las enzimas de las vías de degradación suelen activarse por fosforilación, mientras que las de vías biosintéticas se inhiben.

Activación proteolítica

Algunas enzimas se sintetizan en forma de precursores inactivos (zimógenos), que se activan mediante un cambio químico en su estructura que da lugar al centro activo. Es la activación por proteólisis.

Isoenzimas

Son formas moleculares distintas que catalizan la misma reacción química, pero con diferencias estructurales, funcionales y de parámetros o propiedades. Dependen de: 1) el tejido (lactato deshidrogenasa), 2) el compartimento celular (malato deshidrogenasa) y 3) el momento concreto del desarrollo (glucólisis).

Nomenclatura y clasificación

El nombre de una enzima indica el sustrato, el tipo de reacción y el sufijo -asa (por ejemplo, hidrolasa). La Comisión de Enzimas asigna un código numérico: 1) número de clase (1 a 6), 2) subclase, 3) y 4) grupo químico.

Clasificación de las enzimas:

Oxidorreductasas: catalizan reacciones de oxidorreducción, con transferencia de hidrógenos o electrones: AH₂ + B → A + BH₂. A es el dador (se oxida) y B el aceptor (se reduce).
Transferasas: transfieren un grupo funcional: A-B + C → A + C-B.
Hidrolasas: catalizan reacciones de hidrólisis: A-B + H₂O → AH + B-OH (por ejemplo, la lactasa).
Liasas: catalizan la adición o eliminación de un grupo a un doble enlace (por ejemplo, la eliminación de una molécula que genera un doble enlace).
Isomerasas: catalizan la interconversión de isómeros A ⇌ B.
Ligasas: catalizan la unión de dos sustratos con hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato.

Cinética enzimática

Estudia la velocidad de cambio de estado de los reactantes y los factores que la afectan (intrínsecos y extrínsecos). Se mide el efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad inicial (v₀). A alta concentración, la velocidad alcanza un valor asintótico (V_max). El K_m es la concentración de sustrato a la que la velocidad es la mitad de V_max.

Teoría cinética de Michaelis-Menten: K_s = ([S][E])/[ES]; K_m = (k_-1 + k₂)/k₁. El modelo de Michaelis supone un equilibrio rápido o pseudoequilibrio, no un equilibrio real, para [ES].

Cinética sigmoidea

La variación de la velocidad frente a la concentración de sustrato es una función sigmoidea: pequeñas variaciones de [S] producen grandes variaciones de V. Es típica de enzimas oligoméricas con varios sitios de unión al sustrato, con cooperatividad. La forma R (relajada) tiene mayor afinidad por el sustrato; la forma T (tensa) tiene menor afinidad. El equilibrio entre R y T se desplaza según la unión del sustrato. La activación alostérica favorece la forma R, y los reguladores actúan sobre centros distintos al activo.

Modulación de la actividad enzimática

Control de la disponibilidad de la enzima: regulación de la síntesis (expresión génica) y de la degradación, que determina el ritmo de recambio.
Control de la actividad enzimática: modificación covalente (irreversible en zimógenos; reversible por transferencia de grupos), no covalente (por efectores, de forma rápida). Efecto isostérico: sobre el sitio activo. Efecto alostérico: sobre sitios distintos, modificando la estructura de la proteína y, por tanto, la actividad enzimática.

Inhibición enzimática

Inhibición competitiva: el inhibidor ocupa el sitio del sustrato y no forma ES. Si aumenta la concentración de sustrato, se impide la inhibición; V_max no cambia, pero K_m aumenta. Inhibición no competitiva: el inhibidor se une a un lugar distinto del centro activo, con afinidad igual por la enzima libre y por el complejo ES; no se elimina con más sustrato, V_max disminuye y no se genera producto. Inhibición acompetitiva: el inhibidor se une solo al complejo ES, en un lugar diferente del centro activo; afecta a V_max y a K_m.

Ácidos nucleicos

Son macromoléculas que portan la información genética. Son polímeros de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster.

Diferencias entre ADN y ARN

Peso molecular: el ADN tiene mayor peso.
Azúcar: el ARN contiene ribosa; el ADN, desoxirribosa.
Bases nitrogenadas: el ARN contiene uracilo; el ADN, timina.
Conformación espacial: el ADN suele ser una doble hélice; el ARN es un polinucleótido monocatenario (a veces con estructuras intracatenarias). Se unen A-T en el ADN y A-U en el ARN.
Vida media: el ARN mensajero (ARNm) tiene vida media corta y no tiene estructura secundaria.

Funciones

ADN: almacena la información genética, sintetiza proteínas indirectamente y constituye la unidad funcional de los cromosomas. ARN: ejecuta las órdenes del ADN y sintetiza proteínas.

Estructura de los nucleótidos

Un nucleótido está formado por una pentosa, una base nitrogenada y ácido fosfórico. Pentosa + base = nucleósido. El enlace N-glucosídico une el C1 de la pentosa con el N9 de la base púrica (o el N1 de la pirimidínica). El nucleótido se forma por enlace fosfoéster entre el OH del C5 de la pentosa y el ácido fosfórico.

Nomenclatura: las bases se nombran con sufijo -ilico y antes se denominaban ácido. Si la pentosa es desoxirribosa, se usa el prefijo desoxi-. Las purinas terminan en -osina (adenosina, guanosina) y las pirimidinas en -idina o -osina según el caso.

Funciones de los nucleótidos

Adenosín nucleótidos: (1) intermediarios de reacciones metabólicas en las que se libera o consume energía: AMP, ADP, ATP. El ATP es la moneda energética: sus enlaces anhidro fosfato son de alta energía; al unir un fosfato se consume energía y al hidrolizarse se libera. Análogos: GTP, UTP. (2) Señal química intracelular: el AMPc media la acción de moléculas extracelulares que actúan como mensajeros: se unen a un receptor específico, activan la adenilato ciclasa y se forma AMPc.
Nicotinamida nucleótidos: dinucleótidos formados por adenina y nicotinamida. Existen dos tipos: NAD⁺/NADH y NADP⁺/NADPH. Son coenzimas de reacciones de oxidorreducción: NAD⁺ en el catabolismo y NADP⁺ en el anabolismo.
Flavín nucleótidos: contienen vitamina B2 (riboflavina). Son FMN y FAD, coenzimas que transportan hidrógenos.
Coenzima A: formado por ADP, ácido pantoténico (B5) y β-mercaptoetilamina. Su parte activa es el grupo SH, que se une a restos acilo ricos en energía.

Formación de polinucleótidos

Los nucleótidos se unen mediante enlace éster entre el OH 3' de la pentosa y el fosfato, formando un enlace fosfodiéster.

ADN

Regla de Chargaff: A = T y G = C. La molécula de doble cadena es lineal y adopta forma de hélice de 20 Å, con las bases nucleotídicas apiladas.

Estructura primaria

Es la secuencia de nucleótidos. Cada tres nucleótidos con bases unidas forman un codón, que determina qué aminoácido se incorpora y en qué orden. Un cambio en la secuencia nucleotídica altera la información.

Estructura secundaria

Consiste en dos cadenas antiparalelas, complementarias y enrolladas. El esqueleto de pentosas y fosfatos queda en el exterior y las bases nitrogenadas hacia el interior, estableciendo puentes de hidrógeno. Una vuelta completa mide 34 Å, con 10 pares de bases y un diámetro de 20 Å. Es dextrógira. Existen tres formas: ADN-B (la más común, descrita), ADN-A (menos hidratada, de diámetro mayor, con 12 nucleótidos por vuelta) y ADN-Z (levógira, con 12 nucleótidos por vuelta y disposición en zig-zag).

Apareamiento de bases

La doble hélice mantiene su estabilidad por el apareamiento de bases: una base dona un hidrógeno y otra lo acepta. Como los puentes no son covalentes, pueden romperse y las hebras separarse.

Estructura terciaria

Es la asociación ADN-proteína. En procariotas, el ADN circular forma superenrollamientos. En virus, el ADN se pliega con proteínas de bajo peso molecular. En eucariotas, el ADN se asocia con histonas, proteínas de bajo peso molecular, ricas en lisina y arginina, que se unen al grupo fosfato del ADN.

La organización forma la cromatina: el collar de perlas es la interfase, con nucleosomas formados por un octámero de histonas y un fragmento de ADN de unos 200 pares de bases; entre nucleosomas hay ADN espaciador (unos 54 pares). Los cromatosomas incluyen la histona H1. En espermatozoides, el ADN se asocia con protaminas, con estructuras cristalinas diferentes según la especie.

Estructura cuaternaria

Es el solenoide, de unos 300 Å de diámetro, con seis nucleosomas por vuelta.

Niveles de empaquetamiento

Eucromatina: estructuras secundaria y terciaria; es activa en la expresión génica.
Heterocromatina: no se expresa. Puede ser constitutiva (siempre inactiva) o facultativa (puede ser eucromatina o heterocromatina según el momento).

Propiedades del ADN

Estabilidad: depende de enlaces no covalentes. Puede desestabilizarse por aumento de temperatura o por interacción con proteínas (duplicación y transcripción).
Desnaturalización: a más de 100 ºC se rompen los puentes de hidrógeno; también se produce con variaciones de pH. Los enlaces fosfodiéster, las pentosas y las bases no se rompen.
Renaturalización: las hebras separadas pueden volver a unirse.
Hibridación: las moléculas de ADN renaturalizadas pueden formar híbridos con moléculas de ADN distintas a la original.

Funciones del ADN

En eucariotas, el ADN está en el núcleo, las mitocondrias y los cloroplastos. En procariotas, está en el citoplasma. Los eucariotas tienen varios cromosomas, cada uno con una molécula de ADN; los procariotas tienen un único cromosoma de menor tamaño.

ARN

Contiene ribosa y es inestable, por lo que se hidroliza con facilidad. Presenta las bases A-U (en el ADN, A-T). Es mayoritariamente monocatenario, aunque a veces tiene regiones intracatenarias.

ARN mensajero (ARNm)

Tiene vida media corta, no tiene estructura secundaria, porta la información genética y se asocia con ribosomas. En procariotas no se procesa. En eucariotas se origina como ARN heterogéneo nuclear (transcrito primario), formado a partir de un fragmento de ADN por la ARN polimerasa. Contiene secuencias codificantes (exones) y no codificantes (intrones). El ARN maduro presenta el codón de inicio y de terminación, una caperuza 5' y una cola poli-A en 3'. En el procesamiento se eliminan los intrones.

Procesamiento del ARN eucariota:

Adición de la caperuza 5': modificación con guanina que mantiene la estabilidad y es imprescindible para la traducción.
Poliadenilación: adición de la cola poli-A en 3', que protege al ARNm frente a la degradación.
Eliminación de intrones (splicing): el ARN heterogéneo nuclear origina el ARNm maduro. Un gen de unas 25 kb puede dar lugar a una proteína de unos 100 kDa, gracias a la diversidad de exones.

ARN de transferencia (ARNt)

Tiene entre 75 y 90 nucleótidos, sintetiza proteínas y transporta aminoácidos a los ribosomas durante la traducción. Presenta brazos D, T y el anticodón, y la secuencia CCA en el extremo 3'. Existen unos 31 tipos, que reconocen los 61 codones que codifican los 20 aminoácidos. Se sintetiza en el nucleoplasma y, tras su procesamiento, pasa al citoplasma, donde se une al aminoácido específico y luego al ribosoma, donde se sintetiza la proteína. El anticodón determina qué aminoácido transporta y en qué orden se sitúa.

ARN ribosómico (ARNr)

En procariotas hay tres tipos de ARNr, asociados a 55 proteínas. En eucariotas hay cuatro tipos, asociados a 78 proteínas. Se encuentran libres o unidos al retículo endoplasmático rugoso.

ARN pequeños nucleares (snRNA)

Se encuentran en el núcleo celular y participan en la maduración del ARN heterogéneo nuclear. Se asocian con proteínas formando RNPsn, que eliminan intrones. Cuando las RNPsn se unen al precursor de ARN para eliminar intrones, se forma un complejo de gran tamaño denominado espliceosoma.

ARN vírico

Es el material genético de virus como los de la rabia, la gripe o el VIH. Los virus con ARN deben copiarlo a ADN para replicarse (retrovirus).

Replicación del ADN

El gen es un fragmento de la molécula de ADN que codifica un producto determinado (una cadena polipeptídica o un ARN funcional). Es una unidad de información, una unidad hereditaria (divide y transmite información) y una unidad de transcripción. Las distintas formas de un gen se denominan alelos. El lugar que ocupa un gen en el cromosoma es su locus, y el conjunto de genes de un organismo constituye su genoma. En eucariotas, los genes contienen intrones y exones; en algunos virus, las secuencias de nucleótidos pueden solaparse entre dos genes.

Estructura del gen

Incluye regiones reguladoras (promotor), inicio y fin de la transcripción, y dos zonas: una que se transcribe y otra que no.

Características de la replicación

La replicación del ADN es semiconservativa, ligada al ciclo celular, bidireccional, semidiscontinua, completa, compleja y de gran gasto energético.

Semiconservativa: cada molécula hija conserva una hebra original y sintetiza una hebra nueva. (Modelos alternativos: conservativo, en el que las dos hebras originales permanecen juntas; dispersivo, en el que los fragmentos de ambas hebras originales se mezclan con los nuevos.)
Bidireccional: la replicación comienza en una zona del ADN donde una secuencia es reconocida por enzimas que determinan el origen. Se separan las dos hebras, formando una burbuja con dos horquillas. Ocurre en plásmidos y virus.
Semidiscontinua: una de las hebras (la conductora) se sintetiza de 5' a 3' de forma continua; la otra (la retardada) se sintetiza de 5' a 3' en fragmentos discontinuos, los fragmentos de Okazaki.

Características de la ADN polimerasa

Cataliza la síntesis de una nueva cadena de ADN complementaria a la molde. Añade desoxirribonucleótidos trifosfato (dATP, dTTP, dCTP, dGTP) al grupo hidroxilo 3' de la cadena en crecimiento. La replicación se separa en la liberación de los dos últimos grupos fosfato.

Reacción general: DNA_n + dNTP → DNA_n+1 + PPi.

Las ADN polimerasas tienen actividad correctora 3'→5' y leen la hebra molde en dirección 3'→5' mientras sintetizan en dirección 5'→3'. Necesitan un cebador (un fragmento de ARN con un grupo 3'-OH libre) al que añadir desoxirribonucleótidos.

Otras enzimas de la replicación

Girasa: corta y gira la molécula de ADN para aliviar la tensión.
DnaA: reconoce el origen de replicación.
Helicasa: rompe los puentes de hidrógeno y desenrolla la doble hélice.
Proteínas SSB: se unen a las cadenas sencillas y las estabilizan.
Polimerasas (I, II, III): sintetizan el ADN.
Primasa: sintetiza el cebador de ARN.
Ligasa: une los fragmentos.

Proceso de replicación

Ocurre una vez por generación.

Apertura por helicasa: una secuencia de nucleótidos actúa como señal reconocida por DnaA. En eucariotas hay varios puntos de origen; en virus y procariotas, uno solo. DnaA se une a DnaB y DnaC, que desenrollan la doble hélice. La proteína SSB se une a las cadenas sencillas para estabilizarlas, y los polipéptidos se unen entre sí.
Síntesis del ARN cebador: el complejo formado por la primasa y la helicasa se denomina primosoma. Sintetiza un cebador de ARN que permite la intervención de la ADN polimerasa posteriormente.
Elongación: la holoenzima ADN polimerasa III se une a cada horquilla formando el replisoma. En una cadena se sintetiza de forma continua (conductora) y en la otra se sintetizan fragmentos de Okazaki (retardada). Cada fragmento de Okazaki tiene unos 1000 pares de nucleótidos en procariotas y unos 250 en eucariotas; se sintetiza un nuevo cebador de ARN para cada fragmento. En la cadena retardada, la dirección de apertura es opuesta a la de la síntesis, y la ADN polimerasa III obliga a la molde a formar un bucle, de modo que la dirección de síntesis coincide con la del avance de la horquilla. Posteriormente, la ADN polimerasa I elimina el cebador de ARN y rellena los huecos. La ADN ligasa repara uniendo los fragmentos por enlaces fosfodiéster.
Terminación: en procariotas, cuando se completa el cromosoma, las horquillas se encuentran al final y el replisoma se desorganiza. En eucariotas, la terminación se produce al fusionarse las burbujas.

Diferencias en la replicación eucariota

La molécula de ADN es más grande y compleja.
Hay mayor número de orígenes de replicación.
La velocidad es menor (50 nucleótidos/s frente a 1000 en procariotas), pero la fidelidad es mayor.
Los fragmentos de Okazaki son más cortos (150-250 nucleótidos).
La ADN polimerasa es una proteína oligomérica, con subunidades que actúan con la primasa.
Durante la replicación se reensamblan histonas y se empaquetan los nucleosomas. Las histonas nuevas se incorporan a la hebra retardada, y las antiguas, a la conductora.

Reparación del ADN

La replicación es extremadamente específica (nucleótido frente a dNTP). Una vez incorporado un nucleótido, el sistema de corrección elimina los incorrectos.

Errores: (1) durante la replicación; (2) alteraciones espontáneas, que dejan sitios apurínicos y apirimidínicos, incapaces de ser detectados; (3) causas endógenas: los radicales libres aceleran la ruptura; (4) causas exógenas: radiaciones ionizantes (rompen cadenas simples y dobles, generan radicales libres), radiación ultravioleta (enlaces entre cadenas), ácidos nitrosos (desaminación) y mutágenos químicos. Si se reparan, no hay mutación. Si el daño es severo, se activan procesos enzimáticos y, en células eucariotas, se induce la apoptosis.

Genómica

Euploidía: dotación cromosómica (1 solo juego, monoploidía; más de dos juegos, poliploidía). Aneuploidía: carencia o exceso de cromosomas: monosomía (síndrome de Turner, 45,X), trisomía 8 (síndrome de Edwards), trisomía 21 (síndrome de Down), cromosomas sexuales (XXX, XYY).

Alteraciones cromosómicas: deleción (pérdida), duplicación, inversión, inserción y translocación (el cromosoma cambia de posición).

Mutaciones génicas: sustitución (transición: purina por purina o pirimidina por pirimidina; transversión: purina por pirimidina o viceversa), inserción o deleción.

PCR (Reacción en cadena de la polimerasa)

Replica ADN in vitro, obteniendo millones de copias. Pasos: (1) mezcla de ADN molde, ADN polimerasa, cebadores y dNTP; (2) 100 ºC para desnaturalizar; (3) unión de los cebadores a 40-70 ºC; (4) elongación a 72 ºC; (5) repetir 30-45 veces.

Transcripción

Gen

Es una secuencia de ADN que codifica una cadena de ARN o polipéptido, determinando el orden de los aminoácidos. Incluye secuencias que no se transcriben y que actúan en la regulación génica.

Región reguladora: no se transcribe; incluye el promotor, la región 5'UTR (inicio) y la 3'UTR (terminador).
Región codificante: comienza con el codón AUG (ATG en el ADN) y termina en un codón de parada (UAG, UGA, UAA; TAG, TGA, TAA en el ADN).

Regiones del gen

1. Región promotora: las secuencias reconocidas por factores de transcripción y la ARN polimerasa. En eucariotas y procariotas, el promotor se encuentra delante de la región codificante e incluye:

Caja TATA: en eucariotas y procariotas, unos 25 pares de bases antes del primer nucleótido transcrito; en bacterias, situada en -10.
Caja CAAT: en -75 pares de bases en eucariotas.
Caja GC: en -120 en eucariotas.
Caja TTGACA: en bacterias, en -35.

Zona reguladora: secuencias de ADN que interaccionan con factores y promotores para iniciar la transcripción; pueden intensificar o silenciar la expresión.

2. Región estructural:

5'UTR: inicio, unos 100-200 primeros nucleótidos.
Región codificante: contiene la información; en eucariotas, los intrones no codifican y los exones sí. Va en sentido 5'→3', comienza con AUG y termina con UAA, UAG o UGA (codón de parada).
3'UTR: final.

Transcripción

Es la síntesis de ARN a partir de una molécula de ADN, que actúa como molde. Produce un ARN mensajero copia del ADN. Es un proceso asimétrico: solo se copia una de las dos cadenas (la cadena molde). La secuencia del ARN es complementaria y antiparalela a la cadena molde, y tiene la misma dirección y secuencia que la cadena codificante.

Mecanismo de la transcripción

En eucariotas, la transcripción ocurre en el núcleo y solo en el ADN de la eucromatina. Hay tres ARN polimerasas: la I para el ARN ribosómico, la II para el ARN mensajero y la III para el ARN de transferencia. En procariotas hay una única ARN polimerasa. El transcrito primario se modifica (maduración). Intervienen los factores de transcripción.

Iniciación: no requiere cebador. Necesita factores basales que se unen a secuencias específicas (promotor). El promotor se encuentra en 5'. El factor basal TFIID se une a la caja TATA mediante fuerzas de van der Waals y puentes de hidrógeno; después se une la TBP junto con otros factores. Luego se une la ARN polimerasa y finalmente TFIIE, formando el complejo de preiniciación cerrado. Al unirse TFIIH, el ADN se desnaturaliza y se abre una burbuja de transcripción; TFIIH separa las hebras.

Elongación: la ARN polimerasa cataliza la adición de nucleótidos en dirección 5'→3'. En el centro activo se sitúa el último nucleótido y el siguiente ntp. Cuando el ntp forma puentes de hidrógeno con la base molde, la ARN polimerasa cataliza la formación del enlace fosfodiéster y se libera PPi.

Terminación: el complejo se desensambla. Hay dos procesos: (1) dependiente de la secuencia: ricas en guanina y citosina, forman estructuras de horquilla que desestabilizan la unión ARN-ADN y obligan a separarse del ARN; (2) dependiente del factor rho: esta proteína se une a una secuencia de unos 72 nucleótidos en posición 3' de la región codificante y promueve, mediante actividad ATPasa, el desplazamiento y desensamblado del complejo de transcripción. El ARN se separa y la burbuja se renaturaliza.

Solo una cadena actúa como molde. La secuencia de la molécula de ARN es complementaria y antiparalela a la cadena molde, y tiene la misma dirección y secuencia que la cadena codificante.

Diferencias entre transcripción en procariotas y eucariotas

En procariotas, el ADN no tiene histonas; en eucariotas, sí.
En procariotas, el ARN mensajero no se procesa (no hay maduración); en eucariotas, sí.
En procariotas, el ARN mensajero suele ser policistrónico (codifica varias proteínas); en eucariotas, es monocistrónico.
En procariotas, la transcripción y la traducción son simultáneas y ocurren en el citoplasma; en eucariotas, el ARN mensajero maduro sale del núcleo para ser traducido.
En procariotas hay una sola ARN polimerasa; en eucariotas, tres.

Maduración del ARN

ARNt: modificación de ribosa y bases.
ARNm eucariota: empalme (splicing), adición de caperuza 5' y cola poli-A 3'.
ARNr: metilación de la ribosa, eliminación de partes intermedias.

Código genético

El código genético es un sistema de 3 nucleótidos por aminoácido, que permite almacenar y transmitir la información biológica. Está formado por tripletes: en el ADN se llama codogén, y el ARNm lo complementa en forma de codón. Hay tripletes que indican el inicio (AUG) y la terminación (UAA, UAG, UGA), que no codifican aminoácidos. Solo la metionina y el triptófano tienen un único codón.

Características

Es un código ternario.
Es redundante: hay más tripletes que aminoácidos.
No es solapado: cada nucleótido pertenece a un único triplete.
Se lee de forma continua; el ARN heterogéneo nuclear se elimina tras el empalme.
Es universal: el mismo triplete codifica el mismo aminoácido en prácticamente todas las especies.

Síntesis de proteínas

Es la producción de polipéptidos con una secuencia lineal de aminoácidos determinada por el ARN mensajero, que a su vez está determinado por el ADN. Participan: aminoácidos, ARNt, ribosomas, ARNm, enzimas, factores proteicos y nucleótidos trifosfato.

Activación de los aminoácidos

Primer paso: el aminoácido se activa y forma un complejo con el ARNt. El aminoácido se une a su ARNt específico.

Reacción: aa₁ + ARNt₁ + ATP → ARNt₁-aa₁ + AMP + PPi. Se forma un enlace éster entre el OH 3' del ARNt y el grupo carboxilo del aminoácido. Todos los ARNt terminan en 3' en la secuencia 5'-CCA-3'. La aminoacil-ARNt sintetasa tiene tres sitios de unión: aminoácido, ARNt y ATP. Es específica del aminoácido, y lo une a su ARNt correspondiente.

Traducción

Iniciación

Participan el primer ARNt (formilmetionil-ARNt en procariotas; metionil en eucariotas), la subunidad pequeña del ribosoma, el ARNm, enzimas, factores de iniciación y GTP.

Fase 1: unión del ARNm a la subunidad pequeña; el factor IF3 estimula esta unión. Las secuencias del ARNm complementarias a la secuencia 3' del ARNr 16S (secuencia de Shine-Dalgarno en procariotas) determinan el sitio de unión.
Fase 2: el ARNt de inicio se une al factor IF2 y al GTP, y se coloca en el sitio P. El GTP unido a IF2 se hidroliza y la subunidad grande (50S) se une al complejo. Al unirse la subunidad grande, se separan los factores IF2 e IF3. El complejo ARNt-formilmetionina queda en el sitio P y el codón AUG se coloca en el sitio A, libre, en el segundo codón.

Elongación

Consiste en el crecimiento de la cadena polipeptídica. Intervienen los ARNt aminoacilados, el ribosoma, el ARNm, las enzimas, los factores de elongación y GTP.

Fase 1: el factor EF-Tu se une al aminoacil-ARNt y forma el complejo EF-Tu-GTP, que favorece la entrada del ARNt al sitio A. El GTP se hidroliza a GDP y el complejo se libera.
Fase 2: la hidrólisis del GTP sirve como cronómetro; el aminoácido no puede abandonar el sitio A hasta que se completa la unión correcta.
Fase 3: transferencia de la cadena peptidilo del sitio P al aminoácido del sitio A, mediante la formación de un enlace peptídico catalizado por la peptidiltransferasa.
Fase 4: el factor EF-G-GTP promueve la translocación: el ribosoma avanza sobre el ARNm en dirección 5'→3'. El ARNt descargado se libera, y al moverse el ribosoma, el peptidil-ARNt pasa del sitio A al P.

Terminación

El ribosoma se encuentra con un codón de parada (UAA, UAG, UGA), que es reconocido por factores de liberación. RF3 se une a RF1 o RF2, que se posicionan sobre el codón de parada; la hidrólisis de GTP modifica la actividad peptidiltransferasa, que rompe el enlace éster que une la cadena polipeptídica con el ARNt del sitio P. Se produce la disociación de las dos subunidades ribosómicas.

Metabolismo

Fuentes de carbono

Fuente de carbono CO₂:

Luz (fotolitótrofos): fijan CO₂, combinan H₂O y producen PGAL; por ejemplo, bacterias púrpuras.
Química (quimiolitótrofos): obtienen energía de la oxidación de sustancias inorgánicas (H₂, Fe, N); por ejemplo, bacterias oxidadoras.

Fuente de carbono orgánico:

Luz (fotoorganótrofos): captan energía luminosa y sintetizan en presencia de luz y sin oxígeno; por ejemplo, bacterias verdes del azufre.
Química (quimioorganótrofos): obtienen energía de materia orgánica; incluye el reino animal, hongos y moneras.

Catabolismo y anabolismo

Ocurren simultáneamente en el citoplasma.

Catabolismo: proceso oxidativo; genera ATP; produce compuestos finales e intermedios que se usan en anabolismo y desechos. Es de tipo lisis.
Anabolismo: proceso reductor; consume ATP; produce compuestos complejos. Es de tipo génesis.

Conexiones energéticas

Sistemas que la célula utiliza para almacenar y transferir energía: el sistema ADP/ATP y los coenzimas transportadores de electrones.

ADP/ATP

La célula no puede utilizar el calor; debe convertir la energía exógena en forma química, almacenada en el enlace fosfato terminal del ATP. El enlace anhidro que une los grupos fosfato 2 y 3 es rico en energía.

Hay dos mecanismos de acoplamiento energético:

Fosforilación a nivel de sustrato: un compuesto intermedio con energía libre de hidrólisis elevada transfiere su grupo fosfato al ADP para formar ATP.
Fosforilación acoplada al transporte electrónico: el transporte de electrones en la cadena de membrana mitocondrial interna libera energía que la ATP sintasa utiliza para fosforilar ADP a ATP. En mitocondrias es la fosforilación oxidativa; en cloroplastos, la fotosintética. La energía se almacena y se libera para impulsar reacciones endergónicas: ATP + H₂O → ADP + Pi + energía.

Coenzimas transportadores de electrones

Proporcionan poder reductor. Muchas reacciones requieren oxidar sustratos orgánicos, y la biosíntesis anabólica requiere poder reductor. Este proceso libera y consume energía, no simultáneamente, en lugares distintos. Los coenzimas de transporte de electrones tienen estructuras que permiten ceder o aceptar electrones: NAD⁺ ⇌ NADH + H⁺; NADP⁺ ⇌ NADPH + H⁺; FAD ⇌ FADH₂; FMN ⇌ FMNH₂.

Catabolismo de glúcidos

Los biomoléculas orgánicas como proteínas y ácidos nucleicos se utilizan para almacenar y expresar genes, mientras que lípidos y glúcidos se usan como fuente energética. La glucosa es el azúcar más abundante y su ruta es la glucólisis. Los polisacáridos de reserva se degradan mediante fosforilasa, que catalizan la glucosa-1-fosfato; la fosfoglucomutasa la transforma en glucosa-6-fosfato. Los monosacáridos distintos a la glucosa se transforman en intermedios de la glucólisis mediante isomerización. Los azúcares se degradan hasta CO₂ y H₂O mediante glucólisis, descarboxilación, cadena de transporte electrónico y fermentación.

Glucólisis

Fase de activación: la glucosa se degrada en dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato, con consumo de 2 ATP.

Fase oxidativa: las dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se transforman en dos moléculas de ácido pirúvico, con recuperación de 4 ATP y 2 NADH. Es la oxidación del gliceraldehído; la energía se recupera como NADH y mediante fosforilación a nivel de sustrato, que produce ATP.

Balance: 1 glucosa → 2 ácido pirúvico + 2 NADH + 2 ATP (balance neto).

Fermentación

Glucosa → 2 ácido pirúvico; el NADH se reoxida a NAD⁺ para que la glucólisis continúe. En células aerobias, el NADH se oxida cediendo electrones al oxígeno mediante la cadena de transporte electrónico mitocondrial. En células anaerobias, el NADH cede electrones a moléculas orgánicas.

Homoláctica: el ácido pirúvico acepta los 2 electrones del NADH (NADH → NAD⁺), produciendo ácido láctico.
Alcohólica: el ácido pirúvico pierde el grupo carboxilo como CO₂, formando acetaldehído, que acepta un par de electrones del NADH y se reduce a etanol.

En células anaerobias estrictas, la glucólisis es la única ruta. Las células eucariotas tienen capacidad de fermentar ácido pirúvico a ácido láctico cuando no hay oxígeno disponible.

Balance: en el citoplasma, el ácido pirúvico se reduce a etanol o ácido láctico para regenerar NAD⁺ y que la glucólisis no se detenga. Se obtienen 2 ATP por glucosa.

Ruta de las pentosas fosfato (alternativa)

Obtiene azúcares de 5 átomos de carbono (ribosa) para la biosíntesis de nucleótidos, y NADPH. A partir de la glucosa-6-fosfato, mediante dos deshidrogenaciones y una descarboxilación se obtienen 2 NADPH, 1 CO₂ y un azúcar de 5 átomos. Dado que proporciona productos para la biosíntesis y poder reductor, es una ruta anfibólica (catabólica y anabólica).

Respiración celular

Proceso oxidativo exergónico; recupera energía en forma de ATP.

1. Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico: cada molécula de ácido pirúvico se descarboxila y oxida, dando un grupo acetilo que se une a la coenzima A, formando acetil-CoA.

2. Ciclo de Krebs: dos descarboxilaciones. En la matriz mitocondrial, el grupo acetilo se transfiere mediante la coenzima A y se une al ácido oxalacético, formando ácido cítrico, que se oxida hasta obtener CO₂. Por cada acetil-CoA se producen 2 moléculas de CO₂, 3 NADH, 1 FADH₂ y 1 GTP (que se convierte en ATP).

3. Fosforilación oxidativa: los electrones del NADH y del FADH₂ son cedidos a la cadena de transporte electrónico, hasta llegar al oxígeno, que se reduce a H₂O.

Cadena: 15 moléculas en 4 complejos. El flujo de electrones favorece el gradiente de protones, un proceso exergónico.
Síntesis de ATP: el gradiente electroquímico impulsa la fosforilación de ADP a ATP, catalizada por la ATP sintasa. Los protones acumulados regresan a la matriz, liberando energía para la fosforilación.
El NADH transfiere electrones a la cadena, y finalmente acepta O₂ + 2H⁺ → H₂O. Por cada NADH se obtienen 3 ATP y por cada FADH₂, 2 ATP.

Total por glucosa: aproximadamente 38 ATP en condiciones ideales (eucariotas), según el sistema de lanzadera utilizado.

Catabolismo de lípidos

Los triacilglicéridos (grasas) están formados por glicerol unido a tres ácidos grasos. Se hidrolizan los tres enlaces éster mediante lipasas, liberando glicerol y ácidos grasos.

Degradación del glicerol: el NADH obtenido cede electrones a la cadena mediante lanzaderas, produciendo ATP. Se obtienen unos 22 ATP.
Degradación de los ácidos grasos: se activan y penetran en la matriz mitocondrial, donde se degradan a acetil-CoA.

Activación: el ácido graso se activa al unirse a la coenzima A en el retículo endoplasmático. Consume 1 ATP al hidrolizarse en AMP y pirofosfato, que se hidroliza a dos moléculas de fosfato inorgánico.

Internalización: el ácido graso atraviesa la membrana mitocondrial. Para cadenas de más de 10 carbonos se necesitan carnitina, dos enzimas (carnitina aciltransferasa I y II) y una translocasa acilcarnitina-carnitina.

β-oxidación (4 reacciones):

Oxidación: el acil-graso-CoA se transforma en trans-2-enoil-CoA.
Hidratación: se incorpora una molécula de H₂O al doble enlace, catalizada por la enoil-CoA hidratasa, formando L-3-hidroxiacil-CoA.
Oxidación: la hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, con NAD⁺ como coenzima, transfiere el grupo carbonilo al carbono β y produce β-cetoacil-CoA y NADH + H⁺.
Tiólisis: se rompe el enlace entre los carbonos α y β, catalizada por la tiolasa, liberando una molécula de acetil-CoA y formando un acil graso-CoA acortado en dos carbonos.

Otros procesos metabólicos

Purinas: su degradación produce ácido úrico (en humanos) o alantoína. La alteración del metabolismo de purinas puede causar gota por exceso de ácido úrico.
Pirimidinas: su degradación produce β-alanina y β-aminoisobutirato, sin formación de ácido úrico.
Nucleótidos: se degradan a nucleósidos y bases, que se eliminan como ácido úrico.
Hormonas esteroideas: la insulina y la enzima colesterol-desmolasa (CYP11A1) transforman el colesterol en pregnenolona.
Ácidos biliares: se caracterizan por tener tres grupos hidroxilo.
Aminoácidos esenciales: no se sintetizan en el organismo y deben obtenerse de la dieta.
Desaminación: elimina el grupo amino de los aminoácidos, liberando NH₄⁺.
Aminoácidos glucogénicos: pueden transformarse en glucosa.
Insulina: hormona que promueve el almacenamiento de grasa.
Lipoproteínas: quilomicrones transportan lípidos en la sangre.
Dislipemia: alteración de los niveles de lípidos en sangre.
Metabolismo de aminoácidos en tumores: mantener la síntesis de nucleótidos.
Función biogénica de aminoácidos: señalización celular y defensa antioxidante.
Tetrahidrofolato (THF): coenzima en reacciones de transferencia de grupos de un carbono.
Estructura general de los aminoácidos: grupo amino, grupo carboxilo, hidrógeno y cadena lateral R.
Arginina: aminoácido limitante; mayor parte de la arginina consumida se utiliza en el ciclo de la urea.
Principio clínico común: defectos enzimáticos.
Función principal del turnover: mantener el equilibrio dinámico de las proteínas.
Ubiquitinación: suma de ubiquitina que modula la localización y degradación de proteínas.
Proteasoma 26S: gran complejo multiproteico que degrada proteínas marcadas con ubiquitina.

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