Temario de Biología Celular, Genética, Microbiología e Inmunología

1. Biomoléculas: Lípidos y Proteínas

Lípidos: Clasificación y Funciones

Los lípidos se dividen en saponificables e insaponificables:

• Saponificables: Contienen ácidos grasos en su estructura. Se clasifican en:
  • Simples: Como los acilglicéridos (grasas), formados por glicerina y ácidos grasos, cuya función principal es la reserva energética; y las ceras (céridos), formadas por un ácido graso y un alcohol de cadena larga, con función protectora e impermeabilizante.
  • Complejos: Como los fosfoglicéridos, formados por glicerina, dos ácidos grasos, un grupo fosfato y un aminoalcohol, con una función estructural clave en las membranas celulares; los fosfoesfingolípidos, de estructura similar pero con esfingosina, también presentes en la membrana; y los glucoesfingolípidos, que contienen un glúcido y participan activamente en el reconocimiento celular.
• Insaponificables: No contienen ácidos grasos. Incluyen:
  • Terpenos: Actúan como vitaminas y pigmentos.
  • Esteroides: Como el colesterol, diversas hormonas y la vitamina D.
  • Prostaglandinas: Responsables de regular procesos fisiológicos como la inflamación, el dolor y la fiebre.

Proteínas: Estructura, Propiedades y Funciones

Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos (un tipo de enlace amida, rígido y plano). Presentan cuatro niveles de organización estructural:

• Estructura primaria: La secuencia lineal de aminoácidos.
• Estructura secundaria: El plegamiento local de la cadena (como la hélice alfa, la lámina beta y la hélice de colágeno), estabilizado por puentes de hidrógeno.
• Estructura terciaria: El plegamiento tridimensional global de la proteína, mantenido por enlaces de hidrógeno, interacciones iónicas, puentes disulfuro y fuerzas hidrofóbicas.
• Estructura cuaternaria: La unión de varias cadenas polipeptídicas (como ocurre en la hemoglobina).

La forma tridimensional de una proteína determina de manera estricta su función biológica.

Propiedades de las proteínas:

• Solubilidad: Las proteínas globulares suelen ser solubles, mientras que las fibrosas son insolubles.
• Desnaturalización: Pérdida de la estructura tridimensional (secundaria, terciaria y cuaternaria) y, por tanto, de su función, debido a cambios de temperatura, pH o agentes químicos, sin que se rompa la estructura primaria.
• Especificidad: Cada proteína realiza una función concreta y exclusiva, variando incluso entre especies.
• Capacidad amortiguadora: Regulan el pH del medio gracias a su carácter anfótero (pueden actuar como ácidos o bases).

Funciones de las proteínas:

• Estructural: Colágeno y queratina.
• Enzimática: Biocatalizadores que aceleran las reacciones químicas (ej. amilasas).
• Transporte: Hemoglobina y lipoproteínas (LDL/HDL).
• Contráctil: Actina y miosina en el tejido muscular.
• Defensa: Anticuerpos (inmunoglobulinas).
• Hormonal: Insulina.
• Homeostática: Mantenimiento del equilibrio interno y del pH.
• Reserva: Albúmina y caseína.

2. Ácidos Nucleicos: ADN y ARN

Ácido Desoxirribonucleico (ADN)

El ADN es un polinucleótido compuesto por desoxirribonucleótidos de adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C). Se organiza en una estructura de doble hélice antiparalela y complementaria, con un esqueleto externo de azúcar-fosfato y las bases nitrogenadas unidas en el interior mediante puentes de hidrógeno. Presenta tres niveles estructurales:

• Estructura primaria: Secuencia de nucleótidos.
• Estructura secundaria: La doble hélice.
• Estructura terciaria: El empaquetamiento del ADN con proteínas histonas para formar la cromatina.

Su función principal es almacenar y transmitir la información genética. Es una molécula muy estable, pero puede desnaturalizarse por la acción del calor o variaciones extremas de pH, siendo capaz de renaturalizarse si se restablecen las condiciones óptimas.

Ácido Ribonucleico (ARN)

El ARN es un polinucleótido compuesto por ribonucleótidos de adenina (A), uracilo (U), guanina (G) y citosina (C). A diferencia del ADN, es monocatenario, más corto y químicamente menos estable, aunque puede formar estructuras secundarias locales por complementariedad de bases. Su función principal es expresar la información genética:

• ARNm (mensajero): Copia y transporta el mensaje genético desde el ADN hasta los ribosomas.
• ARNr (ribosómico): Forma parte de la estructura de los ribosomas.
• ARNt (transferencia): Transporta los aminoácidos específicos hacia los ribosomas para la síntesis de proteínas.

3. Inmunología: Defensas del Organismo

Inmunidad Innata

La inmunidad innata es el conjunto de defensas naturales e inespecíficas presentes desde el nacimiento que protegen al organismo frente a los microorganismos patógenos. Si un patógeno logra atravesar estas defensas, se produce una infección y, si causa daño celular, aparece la enfermedad infecciosa.

Barreras primarias:

Impiden la entrada de microorganismos y se clasifican en:

• Físicas: La piel, las mucosas, los cilios del epitelio respiratorio, el moco y la fiebre.
• Químicas: El sudor, la lisozima (presente en lágrimas y saliva), el ácido clorhídrico del estómago, las secreciones ácidas de la vagina y las defensinas.
• Biológicas: La microbiota normal (flora bacteriana) que compite por el espacio y los nutrientes con los patógenos.

Barreras secundarias:

Actúan cuando los microorganismos superan las barreras primarias. Están formadas por proteínas defensivas y células inmunitarias:

• Proteínas defensivas:
  • Sistema del complemento: Favorece la inflamación, la fagocitosis y la lisis de microorganismos.
  • Interferones: Proteínas que impiden la replicación viral en células vecinas.
  • Citocinas: Mensajeros químicos que coordinan la respuesta inmunitaria.
• Células defensivas:
  • Células NK (Natural Killer): Destruyen células infectadas por virus o células cancerosas.
  • Fagocitos: Neutrófilos, células dendríticas, monocitos y macrófagos, capaces de engullir y destruir patógenos, además de actuar como células presentadoras de antígenos para activar la respuesta específica.

La respuesta inflamatoria provoca vasodilatación y un aumento del flujo sanguíneo (llegada de leucocitos) al foco de infección, manifestándose mediante calor, rubor, hinchazón y dolor, con el fin de contener la infección y activar las defensas.

Inmunidad Específica o Adquirida

La inmunidad específica o adquirida se activa cuando los patógenos superan las defensas innatas. Se caracteriza por:

• Especificidad: Los linfocitos reconocen antígenos concretos (moléculas extrañas que desencadenan la respuesta).
• Memoria inmunológica: Permite responder de forma más rápida y eficaz ante una segunda exposición al mismo patógeno.
• Selección clonal: Solo los linfocitos específicos para un antígeno concreto se activan y se multiplican.
• Tolerancia inmunológica: Capacidad de evitar el ataque contra las células y moléculas propias del organismo.

Tipos de linfocitos:

• Linfocitos B: Participan en la inmunidad humoral mediante la producción de anticuerpos, diferenciándose en células plasmáticas (secretoras de anticuerpos) y células de memoria.
• Linfocitos T: Participan en la inmunidad celular:
  • T citotóxicos (CD8+): Destruyen directamente células infectadas o tumorales.
  • T colaboradores o helpers (CD4+): Activan a otras células del sistema inmunitario (como linfocitos B y macrófagos).
  • T reguladores: Frenan y controlan la respuesta inmunitaria para evitar daños colaterales.

Las células presentadoras de antígenos (CPA), como los macrófagos y las células dendríticas, procesan y muestran los antígenos a los linfocitos T a través del Complejo Mayor de Histocompatibilidad (MHC), iniciando así la respuesta adaptativa.

4. Microbiología y Control de Microorganismos

Principales Grupos de Microorganismos

La microbiología es la ciencia que estudia los microorganismos, seres de tamaño microscópico que habitan en los dominios Archaea, Eubacteria y Eukarya, pudiendo presentar organización celular procariota o eucariota. Los principales grupos son:

• Bacterias: Organismos procariotas unicelulares con una pared celular compuesta de peptidoglucano.
• Protozoos: Eucariotas unicelulares, heterótrofos y generalmente dotados de movilidad.
• Hongos microscópicos: Eucariotas unicelulares (levaduras) o pluricelulares (mohos) con pared celular de quitina.
• Algas microscópicas: Eucariotas autótrofos fotosintéticos que habitan principalmente en medios acuáticos.

Según su estilo de vida, los microorganismos pueden clasificarse en:

• Parásitos: Perjudican activamente al hospedador causándole daño.
• Mutualistas: Establecen una relación donde ambos organismos obtienen un beneficio mutuo.
• Saprófitos: Descomponen la materia orgánica muerta, siendo clave en los ciclos biogeoquímicos.
• Oportunistas: Microorganismos normalmente inofensivos que causan patologías cuando las defensas del hospedador disminuyen.

Aunque algunos microorganismos son patógenos, la inmensa mayoría son beneficiosos y esenciales para el equilibrio de los ecosistemas y la vida humana.

Los Virus: Estructuras Acelulares

Los virus son estructuras acelulares microscópicas que carecen de metabolismo propio, nutrición o relación, por lo que generalmente no se consideran seres vivos. Son parásitos intracelulares obligados, ya que requieren introducirse en una célula hospedadora para utilizar su maquinaria molecular y replicarse. Pueden infectar bacterias (bacteriófagos) o células eucariotas.

Presentan dos fases diferenciadas:

• Fase intracelular: Activa, donde se produce la replicación del genoma y síntesis de proteínas víricas.
• Fase extracelular (virión): Inerte. El virión consta de un genoma vírico de ADN o ARN (nunca ambos a la vez), protegido por una cubierta proteica llamada cápsida (formada por subunidades llamadas capsómeros). El conjunto se denomina nucleocápsida.

Algunos virus poseen una envoltura membranosa externa derivada de la célula hospedadora, con glucoproteínas que facilitan el reconocimiento y la unión a nuevas células diana. Según la simetría de su cápsida, se clasifican en helicoidales, icosaédricos o complejos (como los bacteriófagos, que disponen de cabeza, cola y fibras caudales para inyectar su material genético). Es fundamental no confundir la cápsida vírica con la cápsula bacteriana.

Métodos de Control y Esterilización

El control del crecimiento microbiano se realiza mediante diversos métodos:

• Esterilización: Proceso que elimina por completo toda forma de vida microbiana, incluyendo las esporas bacterianas.
• Pasteurización: Tratamiento térmico que reduce la carga de microorganismos patógenos en alimentos líquidos (como la leche) sin alterar significativamente sus propiedades organolépticas, aunque no destruye todas las esporas.
• Desinfección: Eliminación de microorganismos patógenos sobre superficies y objetos inanimados (no destruye necesariamente todas las esporas). Cuando estos agentes químicos se aplican sobre tejidos vivos, se denominan antisépticos.

Clasificación de los métodos de control:

• Físicos: Calor húmedo (autoclave con vapor de agua a presión), calor seco, radiaciones (como la luz ultravioleta) y filtración de fluidos.
• Químicos: Lejía (hipoclorito de sodio), alcoholes, agua oxigenada (peróxido de hidrógeno) y ozono.
• Conservación de alimentos: Técnicas como la desecación, refrigeración, congelación, acidificación, adición de altas concentraciones de sal o azúcar (presión osmótica), conservantes químicos y ahumado, que dificultan o impiden el desarrollo microbiano.

5. Genética Molecular: Mutaciones y Expresión Génica

Mutaciones Génicas o Puntuales

Las mutaciones génicas son alteraciones en la secuencia de nucleótidos de un gen específico. Pueden no manifestar efectos fenotípicos si no alteran la estructura de la proteína resultante o si el cambio de base codifica para el mismo aminoácido (debido a la degeneración del código genético). Se clasifican en:

• Sustituciones de bases:
  • Transiciones: Sustitución de una purina por otra purina (A ↔ G) o de una pirimidina por otra pirimidina (C ↔ T).
  • Transversiones: Sustitución de una purina por una pirimidina o viceversa.
  Estas sustituciones pueden ser silenciosas (no cambian el aminoácido), de cambio de sentido (alteran un aminoácido, pudiendo afectar la funcionalidad proteica, como en la anemia falciforme) o sin sentido (introducen prematuramente un codón de parada).
• Inserciones y deleciones (INDEL): Adición o pérdida de nucleótidos que provocan un cambio en el marco de lectura, alterando toda la secuencia de aminoácidos a partir del punto de mutación, lo que suele tener consecuencias funcionales graves.

Estas mutaciones pueden producirse de forma espontánea por errores durante la replicación del ADN o ser inducidas por agentes mutagénicos que provocan desaminación de bases, formación de radicales libres o dímeros de timina.

Transcripción del ADN

La transcripción es el proceso biológico mediante el cual la información genética contenida en el ADN se copia en una molécula de ARN mensajero (ARNm), que servirá de molde para la síntesis de proteínas. Consta de tres fases:

1. Iniciación: La enzima ARN polimerasa reconoce y se une a una región específica del ADN denominada promotor, que señala el inicio del gen. Tras unirse, la enzima desenrolla y abre la doble hélice del ADN para exponer las hebras molde.
2. Elongación: La ARN polimerasa se desplaza a lo largo de la hebra molde de ADN en dirección 3' → 5', sintetizando una cadena complementaria de ARNm en dirección 5' → 3' mediante la incorporación de ribonucleótidos complementarios (A con U, C con G).
3. Terminación: La enzima alcanza una secuencia de terminación específica en el gen, lo que provoca la detención de la síntesis, la liberación del transcrito de ARNm recién sintetizado y el cierre de la doble hélice de ADN.

Mutaciones Cromosómicas y Genómicas

Las mutaciones cromosómicas son alteraciones en la estructura interna de los cromosomas, detectables mediante técnicas de bandeo cromosómico. Incluyen:

• Deleción: Pérdida de un fragmento cromosómico.
• Duplicación: Repetición de un segmento del cromosoma.
• Inversión: Un fragmento se rompe y se reinserta girado 180 grados (sentido contrario).
• Translocación: Intercambio o transferencia de un segmento cromosómico a otro cromosoma no homólogo.
• Transposones: Elementos genéticos móviles que pueden cambiar de posición dentro del genoma, induciendo reordenamientos estructurales.

Las mutaciones genómicas o cariotípicas alteran el número total de cromosomas del organismo:

• Euploidías: Variación en el número de juegos completos de cromosomas (monoploidía, poliploidía).
• Aneuploidías: Pérdida o ganancia de cromosomas individuales debido a una segregación errónea en la meiosis. Ejemplos comunes son la trisomía 21 (síndrome de Down) y la monosomía X (síndrome de Turner).

Agentes Mutágenos y Mecanismos de Reparación

Los agentes mutágenos incrementan significativamente la tasa de mutación espontánea. Se clasifican en:

• Físicos: Radiaciones ionizantes (rayos X y gamma), radiación corpuscular y radiación no ionizante (luz ultravioleta, que induce la formación de dímeros de timina causantes de cáncer de piel).
• Químicos: Sustancias que modifican químicamente las bases nitrogenadas, provocan emparejamientos erróneos o se intercalan en la doble hélice (ej. ácido nitroso, 5-bromouracilo, benzopireno del humo del tabaco).
• Biológicos: Virus capaces de integrar su material genético en el genoma del hospedador, alterando la expresión de genes celulares y pudiendo inducir procesos oncológicos.

Para salvaguardar la integridad del genoma, el ADN dispone de eficientes mecanismos de reparación, como la actividad correctora de pruebas de la ADN polimerasa (exonucleasa 3' → 5') y sistemas enzimáticos específicos de escisión que eliminan dímeros de timina. Ante daños severos en el ADN, las bacterias pueden activar la respuesta SOS. Cabe destacar que la ARN polimerasa carece de estos sistemas de corrección tan estrictos, ya que los errores en el ARN son transitorios y no se heredan.

6. Metabolismo Celular y Síntesis de Proteínas

Conceptos de Catabolismo, Anabolismo y Enzimas

El metabolismo celular comprende el conjunto de reacciones químicas coordinadas que ocurren en la célula:

• Tipos de rocas, catabolismo: El catabolismo consiste en la degradación de moléculas orgánicas complejas a compuestos más sencillos mediante reacciones de oxidación, liberando energía química.
• Anabolismo: Proceso de síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de precursores sencillos mediante reacciones de reducción, requiriendo un aporte de energía.
• Adenosín trifosfato (ATP): Nucleótido formado por adenina, ribosa y tres grupos fosfato unidos por enlaces pirofosfóricos de alta energía. La síntesis de ATP puede ocurrir por:
  • Fosforilación a nivel de sustrato: Transferencia directa de un grupo fosfato de alta energía desde un intermediario metabólico al ADP.
  • Fosforilación oxidativa (vía ATP sintasa): Se genera un gradiente de protones a través de una membrana transductora de energía; el flujo de protones a favor de gradiente a través de la enzima ATP sintasa aporta la energía necesaria para condensar ADP y fosfato inorgánico en ATP.
• Coenzimas: Moléculas orgánicas no proteicas que asisten a las enzimas en los procesos de oxidación-reducción, actuando como transportadores temporales de electrones y protones (ej. NAD+, FAD).
• Enzimas: Biocatalizadores de naturaleza proteica (o ARN en el caso de las ribozimas) que incrementan la velocidad de las reacciones químicas al disminuir la energía de activación. Actúan de forma específica sobre un sustrato, uniéndose a él en el centro activo para formar el complejo enzima-sustrato y dar lugar a los productos sin consumirse en el proceso.

Factores que regulan la actividad enzimática:

• Concentración de sustrato: Al aumentar la concentración, se incrementa la velocidad de reacción hasta alcanzar la saturación de la enzima.
• Temperatura y pH: Cada enzima posee un pH y una temperatura óptimos en los cuales su actividad es máxima; desviaciones extremas provocan su desnaturalización.
• Inhibidores: Moléculas que reducen o anulan la actividad enzimática. Pueden ser:
  • Irreversibles: Se unen covalentemente a la enzima inutilizándola de forma permanente.
  • Reversibles competitivos: Compiten directamente con el sustrato por el acceso al centro activo.
  • Reversibles no competitivos: Se unen a un sitio alostérico diferente del centro activo, alterando la conformación de la enzima e impidiendo la catálisis.
  • Inhibición por bloques (o acompetitiva): El inhibidor se une exclusivamente al complejo enzima-sustrato ya formado, impidiendo la obtención del producto.

Traducción: Síntesis de Proteínas

La traducción es el proceso de síntesis de proteínas en los ribosomas a partir de la información codificada en el ARNm. Consta de tres etapas:

1. Iniciación: La subunidad menor del ribosoma se une al ARNm y localiza el codón de inicio (AUG). Posteriormente, se acopla el ARNt iniciador que transporta el aminoácido metionina y se ensambla la subunidad mayor del ribosoma.
2. Elongación: El ribosoma avanza a lo largo del ARNm leyendo los codones de forma secuencial. Los ARNt correspondientes ingresan al ribosoma aportando sus aminoácidos, los cuales se unen covalentemente mediante enlaces peptídicos catalizados por la peptidil transferasa, elongando la cadena polipeptídica.
3. Terminación: El ribosoma alcanza un codón de parada o stop (UAA, UAG o UGA). Al no existir ningún ARNt complementario para estos codones, se reclutan factores de liberación que hidrolizan el enlace entre el péptido y el último ARNt, liberando la proteína funcional y disociando el complejo ribosomal del ARNm.

Rutas Catabólicas y Fermentación

Las rutas catabólicas principales para la obtención de energía celular a partir de glúcidos son:

• Glucólisis: Ocurre en el citosol. Una molécula de glucosa se escinde en dos moléculas de ácido pirúvico (piruvato), consumiendo 2 ATP y rindiendo netamente 2 ATP y 2 NADH.
• Oxidación del ácido pirúvico: El piruvato ingresa a la matriz mitocondrial, donde es descarboxilado y oxidado por el complejo piruvato deshidrogenasa para unirse a la coenzima A, produciendo acetil-CoA, CO2 y NADH.
• Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico): Ruta metabólica cíclica que tiene lugar en la matriz mitocondrial. El grupo acetilo del acetil-CoA se condensa con el oxalacetato para formar citrato. A lo largo del ciclo se libera CO2 y se generan equivalentes reductores en forma de NADH y FAD­H2, además de GTP (equivalente a ATP).
• Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa: Localizada en la membrana mitocondrial interna. Los electrones cedidos por el NADH y FADH2 son transportados a través de una serie de complejos proteicos de membrana hasta el aceptor final (oxígeno, que se reduce a agua). Este transporte de electrones bombea protones al espacio intermembrana, generando el gradiente electroquímico que aprovecha la ATP sintasa para producir ATP.
• Fermentación: Proceso anaeróbico que ocurre en el citosol. No genera ATP adicional por sí mismo, pero es esencial para reoxidar el NADH a NAD+ y permitir que la glucólisis continúe produciendo energía. Tipos principales:
  • Fermentación láctica: El ácido pirúvico se reduce directamente a ácido láctico mediante la enzima lactato deshidrogenasa.
  • Fermentación alcohólica: El ácido pirúvico se descarboxila a acetaldehído y este se reduce a etanol, liberando CO2.

Replicación del ADN

La replicación del ADN es el proceso semiconservativo mediante el cual una célula duplica su material genético antes de la división celular, garantizando la transmisión fiel de la información a las células hijas. Consta de tres fases:

1. Iniciación: La enzima helicasa rompe los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas de las dos hebras de ADN, separándolas y originando la horquilla de replicación. Proteínas de unión a cadena sencilla (SSB) estabilizan las hebras abiertas para evitar que se vuelvan a aparear, mientras que las topoisomerasas alivian la tensión torsional por delante de la horquilla.
2. Elongación: La ADN polimerasa sintetiza las nuevas cadenas añadiendo desoxirribonucleótidos complementarios a las hebras molde. Dado que esta enzima solo puede sintetizar en dirección 5' → 3', una de las hebras (hebra conductora) se sintetiza de forma continua, mientras que la otra (hebra retardada) se sintetiza de manera discontinua en forma de fragmentos de Okazaki, requiriendo cebadores de ARN sintetizados por la primasa. Posteriormente, los cebadores son eliminados, los huecos se rellenan con ADN y la enzima ligasa sella las muescas uniendo los fragmentos.
3. Terminación: El proceso concluye cuando todo el genoma ha sido copiado con alta fidelidad, dando como resultado dos moléculas de ADN idénticas, cada una constituida por una hebra parental (antigua) y una hebra de nueva síntesis.