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Fundamentos de Biología: Fotosíntesis, Biotecnología, Ingeniería Genética e Inmunología

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1. Fotosíntesis: Fases, Estructuras y Mecanismos

La fotosíntesis es un proceso anabólico fotoautótrofo mediante el cual los organismos autótrofos captan energía lumínica solar y la transforman en energía química mediante la reducción del dióxido de carbono ($CO_2$). La energía se almacena y aprovecha para la síntesis de biomoléculas orgánicas (materia orgánica como glucosa, lípidos y proteínas). Ocurre en los cloroplastos de las células eucariotas fotosintéticas y en las membranas celulares de bacterias fotosintéticas. La energía lumínica útil es absorbida inicialmente por pigmentos fotosintéticos, localizados en las membranas tilacoidales en el caso de las células eucariotas.

Estructura de la clorofila y fotosistemas

  • Clorofila: Posee un anillo de porfirina con un átomo central de magnesio ($Mg$), encargado de absorber la luz, y una cola de fitol (cadena hidrófoba de fitol derivada de cadenas isoprenoides) cuya función es integrar la molécula en la bicapa lipídica del tilacoide.
  • Fotosistemas: Conjuntos formados por unas 300 moléculas de clorofila y otros pigmentos que captan la luz y liberan electrones:
    • Complejo antena (pigmentos antena): Absorben luz y actúan como embudo atrapando fotones. Al excitarse, transfieren la energía de excitación de unas moléculas a otras hasta llegar al centro de reacción.
    • Centro de reacción (C.R.): Formado por dos moléculas especiales de clorofila ("trampa de energía"). Al excitarse, ceden electrones de alta energía a la cadena de transporte electrónico (CTE) de la membrana tilacoidal.

Fase lumínica (Fotoquímica)

Ocurre en la membrana tilacoidal y genera energía química en forma de NADPH y ATP.

Fotofosforilación no cíclica (oxigénica)

  1. La luz incide sobre el Fotosistema II (FS II); su centro de reacción ($P_{680}$) pierde electrones, los cuales se transfieren a través de transportadores: plastoquinonas ($Q_A$, $Q_B$), complejo citocromo $b_6f$ y plastocianina ($Pc$).
  2. Simultáneamente, la luz incide sobre el FS II provocando la fotólisis del agua: la molécula de $H_2O$ se escinde, liberando oxígeno ($O_2$) hacia la atmósfera, protones ($H^+$) al espacio intratilacoidal y electrones que reponen los perdidos por el centro de reacción $P_{680}$.
  3. La plastocianina cede los electrones al Fotosistema I (FS I). Al recibir fotones el FS I, sus moléculas de clorofila ($P_{700}$) liberan electrones hacia transportadores férricos y ferredoxina, los cuales reducen la coenzima $NADP^+$ a $NADPH$ mediante la captación de electrones y protones del estroma.
  4. El transporte de electrones a través del complejo citocromo $b_6f$ bombea protones ($H^+$) hacia el interior del tilacoide. Al acumularse, se genera un gradiente electroquímico; los protones regresan al estroma atravesando la enzima ATP sintasa, cuya fuerza protón-motriz cataliza la fosforilación de $ADP + P_i \rightarrow ATP$.

Fotofosforilación cíclica

Produce únicamente ATP; interviene solo el Fotosistema I (FS I) y no se genera $O_2$ ni $NADPH$.

Fase oscura (Biosintética): Ciclo de Calvin

La energía del ATP y el poder reductor del NADPH sintetizados en la fase lumínica se utilizan para reducir el carbono inorgánico y sintetizar glúcidos sencillos. Ocurre en el estroma de los cloroplastos en células eucariotas y en el citoplasma de las bacterias fotosintéticas mediante una serie de reacciones cíclicas:

  • Reacción general: La ribulosa-1,5-bisfosfato (monosacárido de 5 carbonos) fija $CO_2$ mediante la acción de la enzima RuBisCO (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa), que cataliza la unión de $CO_2$, NADPH y ATP para formar carbohidratos y regenerar el aceptor.
  • Balance estequiométrico: $$6\,CO_2 + 12\,NADPH + 18\,ATP \rightarrow 1\,\text{Hexosa (glucosa o fructosa)} + 12\,NADP^+ + 18\,ADP + 18\,P_i$$

2. Técnicas de Ingeniería Genética (TIG)

La Ingeniería Genética comprende el conjunto de técnicas que permiten manipular secuencias de ADN y moléculas relacionadas con la herencia para obtener nuevos productos y servicios. Destacan las enzimas de restricción, que cortan secuencias nucleotídicas específicas en el ADN.

Principales metodologías

  • 1. Clonación molecular: Utiliza plásmidos como vectores de clonación y bacterias como organismos receptores:
    1. Una enzima de restricción corta el fragmento de ADN de interés (transgén).
    2. Se extrae un plásmido bacteriano (ADN vector) y se corta con la misma enzima.
    3. Se inserta el transgén en el vector mediante la enzima ADN ligasa, obteniendo ADN recombinante ($ADNr$).
    4. El $ADNr$ se introduce en una bacteria competente, generándose un Organismo Modificado Genéticamente (OMG).
    5. La bacteria se multiplica clonando el transgén, lo que permite obtener proteínas de interés médico (insulina, hormona del crecimiento) o desarrollar animales y plantas transgénicos.
  • 2. Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR): Técnica in vitro que amplifica rápidamente millones de copias de un fragmento específico de ADN con alta precisión (clave en medicina forense, investigación policial y diagnóstico).
  • 3. Secuenciación del ADN: Permite determinar el orden de las bases nitrogenadas de cualquier fragmento genómico, genomas completos y complejos. Aplicable en diagnóstico clínico de patógenos, identificación forense y paleogenética para estudiar relaciones evolutivas.
  • 4. Tecnología CRISPR-Cas9: Sistema de edición genética derivado de un mecanismo de defensa bacteriano antiviral. El ARN guía reconoce la secuencia diana y la endonucleasa Cas9 genera un corte de doble cadena, posibilitando agregar, retirar o modificar genes, silenciar oncogenes en células tumorales o erradicar infecciones víricas latentes.

Proceso biotecnológico: Elaboración del yogur

Se inoculan bacterias lácticas (Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus) en leche líquida con lactosa. Mediante fermentación láctica, las bacterias obtienen energía (2 ATP netos) degradando la lactosa a ácido láctico. El descenso progresivo del pH provoca la precipitación y coagulación de las caseínas (proteínas lácteas), transformando el medio líquido en la textura semisólida del yogur.

3. Biotecnología y sus Aplicaciones

La biotecnología tradicional utiliza organismos vivos o sus componentes para obtener productos útiles. La biotecnología moderna emplea además técnicas de recombinación genética.

Fermentaciones industriales

  • Fermentación láctica: Proceso anaerobio llevado a cabo por bacterias de los géneros Lactobacillus, Lactococcus y Streptococcus:
    • Yogur: Acción coordinada de Streptococcus thermophilus y Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus.
    • Kéfir: Fermentación mixta por bacterias lácticas (Lactobacillus casei, Streptococcus) y levaduras (Saccharomyces, Candida).
    • Queso: 1. Fermentación láctica; 2. Coagulación enzimática para separar cuajada y suero; 3. Deshidratación, salado y maduración.
  • Fermentación acética: Proceso aerobio donde bacterias del género Acetobacter (como Acetobacter aceti) oxidan el etanol a ácido acético en presencia de oxígeno, originando vinagre a partir de vino, cerveza o sidra.
  • Fermentación alcohólica: Proceso anaerobio donde diversas levaduras (principalmente Saccharomyces cerevisiae) degradan glúcidos generando etanol, $CO_2$ y ATP:
    • Pan: Harina, agua, sal y S. cerevisiae. Las enzimas degradan el almidón; el $CO_2$ liberado esponja la masa creando la miga y el etanol se evapora durante la cocción.
    • Vino: Fermentación de los azúcares del mosto por levaduras presentes de forma natural en el hollejo de la uva.
    • Cerveza: A partir de cereales malteados (donde la germinación hidroliza el almidón en azúcares fermentables), sobre los cuales fermenta S. cerevisiae u otras especies.

Biotecnología agropecuaria y ambiental

  • OMG: Transferencia de genes entre especies para mejorar rasgos de interés (por ejemplo, mayor proporción de caseína en leche, incremento del valor nutritivo en maíz, patata o arroz dorado).
  • Biofertilizantes y bioplaguicidas: Microorganismos que potencian la fertilidad del suelo o controlan plagas biológicamente (por ejemplo, toxinas de Bacillus thuringiensis), sustituyendo pesticidas químicos nocivos.
  • Biotecnología ambiental:
    • Biorremediación: Eliminación de contaminantes como metales pesados en suelos y acuíferos mediante microorganismos.
    • Biodegradación: Degradación de hidrocarburos (petróleo), descomposición de plásticos tipo PET mediante bacterias como Ideonella sakaiensis, y depuración de aguas residuales mediante degradación de la materia orgánica antes de su vertido natural.
  • Antibióticos y moléculas terapéuticas: Sustancias antimicrobianas obtenidas a partir de microorganismos (hongos filamentosos como Penicillium, actinobacterias como Streptomyces). Asimismo, se obtienen hormona del crecimiento, insulina humana y vacunas recombinantes.

Economía circular y biocombustibles

Modelo que minimiza el consumo energético y la extracción de recursos valorizando los residuos:

  • Biodiésel: Biocombustible obtenido por transesterificación de triglicéridos procedentes de aceites vegetales o grasas animales, catalizado enzimáticamente por lipasas de hongos (Candida, Penicillium).
  • Bioetanol: Producido por fermentación alcohólica de glúcidos derivados de cultivos ricos en azúcares o almidón (remolacha, caña, cereales) mediante Saccharomyces cerevisiae.
  • Biogás: Mezcla rica en metano producida por la digestión anaerobia de desechos orgánicos mediada por arqueas metanogénicas (como Methanobacterium).
  • Bioplásticos: Polímeros sintetizados a partir de fuentes renovables (almidón de maíz o patata); ofrecen propiedades análogas a los plásticos convencionales pero presentan alta biodegradabilidad.

4. Defensas Frente a la Infección y Respuesta Inmunitaria

Una infección es la penetración, establecimiento y proliferación de un agente patógeno nocivo (bacterias, hongos, protozoos o virus) en el interior del hospedador.

Esquema de barreras frente a patógenos

  • Barreras inespecíficas primarias:
    • Piel: Barrera mecánica provista de un manto ácido (pH bajo) y secreciones que impiden el asentamiento microbiano.
    • Mucosas: Revestimiento de cavidades y orificios naturales dotados de secreciones y cilios que expulsan partículas invasoras.
  • Barreras inespecíficas secundarias: Se activan cuando el patógeno atraviesa la piel o las mucosas:
    • Respuesta inflamatoria: El tejido dañado libera mediadores químicos (histamina), induciendo vasodilatación y aumento de la permeabilidad capilar.
    • Fagocitosis: Los leucocitos fagocíticos (neutrófilos, macrófagos) atraviesan el endotelio capilar (diapédesis), emiten pseudópodos, engloban al patógeno formando el fagosoma y lo digieren mediante enzimas hidrolíticas lisosomales.
    • Sistema del complemento: Proteínas plasmáticas que lisan microorganismos y promueven la inflamación.
  • Barrera específica (Sistema inmunitario adaptativo): Integrada por:
    • Moléculas: Anticuerpos (inmunoglobulinas) y citocinas.
    • Células: Linfocitos B (responsables de la respuesta humoral), Linfocitos T (responsables de la respuesta celular: colaboradores $CD4^+$, citotóxicos $CD8^+$ y supresores/reguladores) y células NK (destruyen células tumorales, infectadas o extrañas de forma innata/citotóxica).
    • Órganos y tejidos linfoides: Órganos primarios (médula ósea, donde se originan las células sanguíneas y maduran los linfocitos B; timo, donde maduran los linfocitos T) y órganos secundarios (bazo, ganglios linfáticos, donde se activan y concentran los linfocitos).

Tipos de inmunidad

  • Inmunidad congénita o innata: Se posee de forma natural e inespecífica desde el nacimiento.
  • Inmunidad adquirida o adaptativa: Se desarrolla a lo largo de la vida al contactar con patógenos específicos:
    • Activa: El propio sistema inmunitario sintetiza anticuerpos y genera memoria inmunológica:
      • Natural: Tras padecer y superar la enfermedad infecciosa.
      • Artificial: Mediante la administración de vacunas (preparados preventivos con antígenos atenuados, inactivados o fragmentados que inducen respuesta inmune sin provocar la patología).
    • Pasiva: El organismo recibe anticuerpos ya formados procedentes de otro individuo (sin generar memoria propia):
      • Natural: Transferencia transplacentaria o mediante lactancia materna (calostro).
      • Artificial: Mediante sueroterapia (administración curativa de suero con anticuerpos específicos extraídos de personas o animales previamente inmunizados).

Dinámica de la respuesta inmune

  • Respuesta inmune primaria: Ocurre ante el primer contacto con el antígeno. Presenta una fase de latencia (1-2 semanas) en la que se produce el reconocimiento clonal y la proliferación; una fase logarítmica de síntesis de anticuerpos (predominio de IgM) hasta alcanzar un pico; y una fase de declinación progresiva. Se forman células de memoria.
  • Respuesta inmune secundaria: Ocurre ante contactos posteriores con el mismo antígeno. Gracias a los linfocitos de memoria, la fase de latencia es sumamente corta, la producción de anticuerpos (principalmente IgG) es mucho más rápida, intensa y duradera, neutralizando el patógeno sin que se manifiesten síntomas de la enfermedad.

Antígenos y Anticuerpos

  • Antígeno: Cualquier sustancia ajena capaz de desencadenar una respuesta inmunitaria específica. La región molecular precisa reconocida por el receptor del linfocito o por el anticuerpo se denomina determinante antigénico o epítopo.
  • Anticuerpos (Inmunoglobulinas, Ig): Glucoproteínas producidas por las células plasmáticas (derivadas de linfocitos B activados):
    • Estructura: Cuatro cadenas polipeptídicas (dos pesadas H y dos ligeras L) unidas por puentes disulfuro en configuración tridimensional de "Y". Poseen una región constante ($F_c$) y dos regiones variables ($F_{ab}$) cuyos extremos forman el parátopo (sitio de unión complementario al epítopo del antígeno).
    • Clases de inmunoglobulinas:
      • IgG: Son las más abundantes (aprox. 80 % del total sérico); atraviesan la placenta y confieren protección fetal y neonatal.
      • IgM: Estructura pentamérica; son los primeros anticuerpos liberados en la respuesta primaria.
      • IgA: Estructura dimérica; presentes en secreciones corporales (saliva, lágrimas, moco, leche materna).
      • IgE: Implicadas en respuestas alérgicas e inmunidad contra helmintos y parásitos.
      • IgD: Actúan primordialmente como receptores de superficie en linfocitos B vírgenes.

Tipos de reacciones antígeno-anticuerpo

  1. Precipitación: Anticuerpos bivalentes se unen a antígenos solubles formando complejos tridimensionales insolubles que precipitan y facilitan la fagocitosis.
  2. Aglutinación: Los anticuerpos reaccionan con antígenos situados en la superficie de células o microorganismos, formando agregados visibles que sedimentan rápidamente.
  3. Neutralización: La unión del anticuerpo bloquea los sitios activos de toxinas bacterianas (antitoxinas) o las proteínas de adherencia víricas, impidiendo su entrada en las células diana.
  4. Opsonización: Los anticuerpos (u opsoninas) recubren la superficie microbiana; su región constante es reconocida por receptores de las células fagocíticas, potenciando drásticamente la fagocitosis y destrucción del patógeno.

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