Glúcidos: Biomoléculas Esenciales

Los glúcidos, también conocidos como carbohidratos o hidratos de carbono, son biomoléculas fundamentales compuestas principalmente por átomos de carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O). Algunos glúcidos también pueden contener nitrógeno (N), azufre (S) o fósforo (P). Las unidades más simples de los glúcidos son las osas o monosacáridos, que químicamente se definen como polihidroxialdehídos y polihidroxicetonas.

Propiedades Generales de los Glúcidos

• Estado físico: Sólidos.
• Color: Blanco.
• Sabor: Dulces.
• Cristalización: Cristalizables.
• Carácter reductor: Muchos glúcidos poseen un grupo carbonilo libre que les confiere esta propiedad.
• Actividad óptica: Capacidad de desviar el plano de la luz polarizada.

Monosacáridos Importantes

Los monosacáridos se clasifican según el número de átomos de carbono que contienen:

• Triosas: (3 carbonos) como el gliceraldehído y la dihidroxiacetona.
• Tetrosas: (4 carbonos) como la eritrosa.
• Pentosass: (5 carbonos) como la ribosa, xilosa, arabinosa y ribulosa.
• Hexosas: (6 carbonos) son las más abundantes y biológicamente relevantes:
  • Glucosa: Es el monosacárido más abundante y esencial, presente en la respiración celular como principal fuente de energía.
  • Galactosa: Forma parte de la lactosa (azúcar de la leche), de polisacáridos complejos y de heterósidos.
  • Manosa: Componente de polisacáridos presentes en vegetales y bacterias.
  • Fructosa: También conocida como levulosa, debido a su capacidad de desviar el plano de la luz polarizada hacia la izquierda (levógira).

Oligosacáridos: Cadenas Cortas de Monosacáridos

Los oligosacáridos son glúcidos formados por cadenas cortas de entre 2 y 10 unidades de monosacáridos. Los más importantes son los disacáridos, que constan de dos monosacáridos unidos mediante un enlace O-glucosídico.

El Enlace O-Glucosídico

El enlace O-glucosídico se forma entre dos grupos hidroxilo (-OH) de diferentes monosacáridos. Este proceso implica una reacción de deshidratación, donde se libera una molécula de agua (H₂O), y los dos monosacáridos quedan unidos a través de un puente de oxígeno.

Existen dos tipos principales de enlace O-glucosídico:

• Monocarbonílico: Se establece cuando interviene el grupo hidroxilo del carbono anomérico de un monosacárido y un grupo alcohol (no anomérico) del segundo monosacárido. Esto permite que el segundo monosacárido conserve su carácter reductor.
• Dicarbonílico: Se forma cuando participan los grupos hidroxilo de los carbonos anoméricos de ambos monosacáridos. En este caso, el disacárido resultante pierde su carácter reductor.

Disacáridos Relevantes

• Maltosa: Conocida como «azúcar de malta», es un producto de la hidrólisis del almidón y del glucógeno. Está formada por dos moléculas de α-D-glucosa unidas por un enlace monocarbonílico α(1→4). Posee carácter reductor.
• Lactosa: El «azúcar de la leche», compuesta por la unión monocarbonílica β(1→4) de β-D-galactosa y β-D-glucosa. Tiene carácter reductor y no forma polímeros.
• Sacarosa: El «azúcar de mesa», formada por la unión dicarbonílica α(1→2) de α-D-glucosa y β-D-fructosa. Al ser un enlace dicarbonílico, la sacarosa no posee poder reductor.
• Celobiosa: Producto de la hidrólisis de la celulosa. Está formada por dos moléculas de β-D-glucosa unidas por un enlace monocarbonílico β(1→4).

Polisacáridos: Macromoléculas Complejas

Los polisacáridos son macromoléculas de elevada masa molecular, formadas por la unión de muchas unidades de monosacáridos. Sus unidades constituyentes pueden romperse mediante hidrólisis. A diferencia de los monosacáridos y disacáridos, los polisacáridos generalmente carecen de sabor dulce y, en su mayoría, no tienen carácter reductor.

Se clasifican en:

• Homopolisacáridos Estructurales: Abundantes en la naturaleza, formados por un solo tipo de monosacárido. Su función principal es proporcionar soporte y protección. Ejemplos incluyen la celulosa (componente principal de la pared celular vegetal) y la quitina (presente en el exoesqueleto de artrópodos y paredes celulares de hongos).
• Homopolisacáridos de Reserva: Se acumulan en gránulos insolubles dentro de las células para almacenar energía. Ejemplos notables son el almidón (reserva energética en plantas), el glucógeno (reserva energética en animales y hongos) y los dextranos (polisacáridos bacterianos).

Proteínas: Estructura y Funciones Vitales

El Enlace Peptídico

Las proteínas son polímeros de aminoácidos (aa). Los aminoácidos se unen entre sí mediante enlaces peptídicos, que son enlaces covalentes de tipo amida. Este enlace se forma entre el grupo carboxilo (-COOH) de un aminoácido y el grupo amino (-NH₂) de otro, con la consiguiente liberación de una molécula de agua (H₂O). Los aminoácidos unidos por enlaces peptídicos dentro de una cadena polipeptídica se conocen como residuos.

Niveles Estructurales de las Proteínas

Estructura Primaria

La estructura primaria es el nivel más básico y fundamental de organización de una proteína, presente en todas ellas. Consiste en la secuencia lineal específica de aminoácidos que componen la cadena polipeptídica. Esta secuencia, determinada genéticamente, es la más sencilla pero la más importante, ya que define los niveles estructurales superiores y, en última instancia, la función de la proteína.

Estructura Secundaria

La estructura secundaria se refiere a los patrones de plegamiento local que adopta la cadena polipeptídica de la estructura primaria para alcanzar una conformación más estable. Estos patrones se mantienen gracias a los enlaces de hidrógeno entre los grupos peptídicos. Los modelos más frecuentes son:

• Estructura α-hélice: La cadena polipeptídica se enrolla en espiral sobre sí misma, formando una estructura helicoidal. Se estabiliza por enlaces de hidrógeno intracatenarios (entre aminoácidos de la misma cadena).
• Conformación β (lámina plegada): La cadena polipeptídica adopta una forma de zigzag, formando láminas. Se estabiliza por enlaces de hidrógeno intercatenarios (entre diferentes segmentos de la misma cadena o entre cadenas distintas). La conformación β puede presentar dos tipos de cadenas polipeptídicas: paralelas o antiparalelas.
• Hélice de colágeno: Es una estructura secundaria particular que presenta el colágeno. Su estructura es muy rígida y se caracteriza por su alto contenido en el aminoácido prolina.

Estructura Terciaria

La estructura terciaria describe la forma tridimensional global que adopta una proteína en su estado nativo y funcional en el espacio. Es una estructura altamente estable, mantenida por diversas interacciones entre las cadenas laterales de los aminoácidos, incluyendo:

• Enlaces de hidrógeno
• Interacciones hidrófobas
• Fuerzas de Van der Waals
• Enlaces iónicos
• Puentes disulfuro (enlaces covalentes entre residuos de cisteína)

La estructura terciaria puede estar constituida por uno o varios dominios. Un dominio es una región de la cadena polipeptídica que se pliega de forma independiente y suele tener una función específica. Los dominios se unen entre sí mediante porciones proteicas flexibles que actúan como «bisagras», y son estructuras muy estables.

Estructura Cuaternaria

La estructura cuaternaria se presenta en aquellas proteínas que se componen de dos o más cadenas polipeptídicas (subunidades) que se asocian para formar una macromolécula funcional. Cada una de estas cadenas polipeptídicas se denomina subunidad, monómero o protómero, y pueden ser iguales o diferentes entre sí. Ejemplos clásicos de proteínas con estructura cuaternaria son el colágeno y la hemoglobina.

Propiedades de las Proteínas

• Solubilidad: Muchas proteínas son solubles en agua, formando dispersiones coloidales, gracias a su capacidad para establecer puentes de hidrógeno con las moléculas de agua.
• Desnaturalización: Es la pérdida de las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria de una proteína, debido a la rotura de los enlaces que las mantienen, sin afectar la estructura primaria. Esto provoca la pérdida de su función biológica.
• Capacidad amortiguadora (efecto tampón): Las proteínas, al poseer grupos amino y carboxilo libres, pueden comportarse como ácidos o bases (comportamiento anfótero), ayudando a mantener el pH de los fluidos biológicos.

Funciones de las Proteínas

Las proteínas desempeñan una vasta gama de funciones esenciales en los seres vivos:

• Reserva: Almacenan aminoácidos (ej. ovoalbúmina, caseína).
• Transporte: Llevan sustancias a través del organismo o membranas (ej. hemoglobina, transportadores de membrana).
• Contráctil: Permiten el movimiento (ej. actina, miosina).
• Protectora/Defensa: Protegen contra agentes externos (ej. anticuerpos, fibrinógeno).
• Hormonal: Actúan como mensajeros químicos (ej. insulina, hormona del crecimiento).
• Estructural: Forman parte de tejidos y órganos (ej. colágeno, queratina).
• Enzimática: Catalizan reacciones bioquímicas (ej. amilasa, ADN polimerasa).
• Homeostática: Mantienen el equilibrio interno del organismo.
• Reconocimiento de sustancias químicas: Receptores de membrana.

Clasificación de las Proteínas

Las proteínas se pueden clasificar en:

• Holoproteínas: Formadas exclusivamente por aminoácidos.
• Heteroproteínas: Compuestas por una parte proteica (apoproteína) y una parte no proteica, denominada grupo prostético (ej. glucoproteínas, lipoproteínas, cromoproteínas).

Cromosoma: La Unidad de la Herencia

Los cromosomas representan la máxima compactación de la cromatina durante la división celular. Un cromosoma metafásico típico está formado por dos cromátidas hermanas idénticas, unidas por un centrómero.

Estructura del Cromosoma

• Centrómero: Es la región constreñida que divide el cromosoma en dos brazos. Contiene heterocromatina constitutiva y es crucial para la segregación cromosómica durante la división celular.
• Cinetocoro: Estructura proteica compleja situada a ambos lados del centrómero. Sirve como punto de anclaje para los microtúbulos del huso mitótico o meiótico, desde donde se polimerizan para separar las cromátidas o cromosomas homólogos. Por cada centrómero, aparecen dos cinetocoros (uno por cromátida).
• Constricciones Secundarias: Zonas estrechas adicionales identificables en los brazos cromosómicos. Algunas de estas constricciones contienen genes de ARN ribosómico y se corresponden con la región organizadora nucleolar (NOR), donde se forma el nucleólo en la interfase.
• Bandas: Segmentos de cromatina que pueden ser fácilmente identificados mediante técnicas de tinción específicas, creando un patrón de bandas característico para cada cromosoma.
• Telómeros: Estructuras protectoras especializadas, situadas en cada uno de los extremos de los cromosomas eucarióticos. Su función es evitar la pérdida de información genética durante cada ciclo de replicación del ADN, aunque se van acortando progresivamente con cada división celular.
• Satélite: Fragmento de ADN que aparece unido al cromosoma por una constricción secundaria, generalmente en los brazos cortos de algunos cromosomas.

Tipos de Cromosomas según la Posición del Centrómero

La posición del centrómero permite clasificar los cromosomas en:

• Metacéntricos: El centrómero se localiza en una posición medial, dividiendo el cromosoma en dos brazos de longitud aproximadamente igual.
• Submetacéntricos: El centrómero se encuentra en una posición submedial, resultando en un brazo más corto y otro más largo.
• Acrocéntricos: El centrómero está en una posición subterminal, con un brazo muy corto y otro muy largo.
• Telocéntricos: El centrómero ocupa un extremo del cromosoma, de modo que solo se observa un brazo (estos no se encuentran en humanos).

Mitocondria: La Central Energética Celular

La mitocondria es un orgánulo celular esencial, conocido como la «central energética» de la célula. Es capaz de realizar oxidaciones celulares y producir la mayor parte del ATP (adenosín trifosfato), la principal moneda energética de la célula, mediante la respiración celular.

Estructura de la Mitocondria

La mitocondria posee una estructura compleja de doble membrana:

• Membrana Mitocondrial Externa (MME): Limita la mitocondria y la separa del citoplasma. Su estructura es una bicapa lipídica con proteínas asociadas. Es relativamente permeable a pequeñas moléculas e iones gracias a la presencia de proteínas transmembrana llamadas porinas.
• Membrana Mitocondrial Interna (MMI): Se encuentra en el interior de la MME y presenta numerosos pliegues hacia la matriz, denominados crestas mitocondriales. Es altamente selectiva y contiene la cadena de transporte de electrones y la ATP sintasa.
• Espacio Intermembrana: Región situada entre la membrana mitocondrial externa e interna. Contiene enzimas que utilizan el ATP y participan en diversas vías metabólicas.
• Matriz Mitocondrial: Es el compartimento más interno, un material semifluido con consistencia de gel debido a su alta concentración de proteínas hidrosolubles. Contiene:
  • Moléculas de ADN mitocondrial (circular y bicatenario) y ARN mitocondrial.
  • Ribosomas mitocondriales.
  • Numerosas enzimas (como las del ciclo de Krebs).
  • Iones y metabolitos.
• Partículas Elementales F (ATP sintasa): Son complejos proteicos insertos en la membrana mitocondrial interna y orientados hacia la matriz. Están separadas entre sí y son responsables de la síntesis de ATP. Constan de una cabeza esférica (F1), un pedúnculo y una base (F0).

Funciones Principales de la Mitocondria

Las mitocondrias son cruciales para múltiples procesos metabólicos:

• Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico): Se lleva a cabo en la matriz mitocondrial, generando precursores para la cadena respiratoria.
• Cadena Respiratoria: Ubicada en la membrana mitocondrial interna, transporta electrones para generar un gradiente de protones.
• Fosforilación Oxidativa: Proceso acoplado a la cadena respiratoria, donde la ATP sintasa utiliza el gradiente de protones para sintetizar ATP.
• Beta-oxidación de Ácidos Grasos: Degradación de ácidos grasos para producir acetil-CoA, que ingresa al ciclo de Krebs.
• Regulación de la concentración de iones: Participa en la homeostasis de iones como el calcio en la cámara interna.

Plastos: Orgánulos Clave en Células Vegetales

Los plastos son un grupo de orgánulos celulares exclusivos de las células vegetales y algas, esenciales para procesos como la fotosíntesis y el almacenamiento de sustancias.

Tipos de Plastos y Pigmentos

• Leucoplastos: Son plastos incoloros que carecen de pigmentos. Su función principal es el almacenamiento de sustancias de reserva, como el almidón (amiloplastos), lípidos (oleoplastos) o proteínas (proteinoplastos).
• Cromoplastos: Son plastos que contienen pigmentos, lo que les confiere diversos colores (amarillo, naranja, rojo).
  • Si el pigmento principal es la clorofila (verde), se denominan cloroplastos.
  • Si el pigmento principal es un carotenoide (rojo), se denominan rodoplastos (en algas rojas).

Características Generales de los Plastos

• Función energética: Transforman la energía lumínica en energía química a través del proceso de la fotosíntesis (especialmente los cloroplastos).
• Estructura interna: En su interior, especialmente en los cloroplastos, se distinguen las grana (pilas de tilacoides).
• Localización: Se encuentran en el citoplasma de las células vegetales y no tienen una posición fija.
• Movimiento: Están sometidos a movimientos de ciclosis (corrientes citoplasmáticas).
• Morfología: Suelen presentar forma ovoidal o lenticular.
• Variabilidad: Su tamaño y número varían significativamente dependiendo de la especie vegetal y el tipo celular.

Estructura del Cloroplasto (ejemplo de Plasto)

Tomando el cloroplasto como ejemplo, su estructura interna es la siguiente:

• Membrana Externa e Interna: La membrana externa es más permeable a iones y moléculas grandes que la membrana interna, la cual es prácticamente impermeable y contiene proteínas transportadoras específicas.
• Tilacoides: Son sacos aplanados membranosos que pueden encontrarse aislados o, más comúnmente, apilados e interconectados. Cuando se apilan, forman estructuras llamadas grana (plural de granum). El espacio entre dos grana adyacentes se conoce como intergrana o tilacoides del estroma. Sobre las caras externas de los tilacoides se sitúan los complejos fotosintéticos (fotosistemas) y la ATP sintasa (similar a los complejos F1 mitocondriales).
• Estroma: Es el compartimento interno del cloroplasto, un fluido gelatinoso que rodea los tilacoides. En su interior, el estroma contiene:
  • Plastorribosomas: Donde se realizan los procesos genéticos del cloroplasto (síntesis de proteínas).
  • ADN circular propio del cloroplasto.
  • Todas las enzimas encargadas de las reacciones oscuras de la fotosíntesis, incluyendo la RuBisCO (ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa), enzima clave en la fijación del carbono.

Funciones de los Plastos

Además de la fotosíntesis, los plastos realizan otras funciones vitales:

• Fotosíntesis: Conversión de energía lumínica en energía química (en cloroplastos).
• Biosíntesis de ácidos grasos: Producción de lípidos.
• Reducción de nitritos a nitratos: Participación en el metabolismo del nitrógeno.
• Almacenamiento: De almidón, lípidos y proteínas (en leucoplastos).

Interfase: Preparación para la División Celular

La interfase es el período que transcurre entre dos mitosis sucesivas y ocupa la mayor parte del ciclo celular. Durante esta fase, la célula experimenta una intensa actividad metabólica, crece en tamaño y duplica su material genético, preparándose activamente para la división celular. La interfase se subdivide en tres fases principales:

Fases de la Interfase

Fase G1 (Gap 1)

La fase G1 (del inglés «Gap 1» o «Growth 1») comienza al finalizar la fase M (mitosis) y se extiende hasta el inicio de la fase S. Durante G1, la célula sintetiza activamente las proteínas y orgánulos necesarios para su crecimiento y funcionamiento, lo que resulta en un aumento significativo de su tamaño. Para algunas células que no se dividen activamente, el ciclo celular se detiene en la fase G1 y entran en un estado de quiescencia, conocido como fase G0.

Fase S (Síntesis)

La fase S (de «Síntesis») es el período crucial donde se produce la replicación del ADN, asegurando que cada cromosoma tenga dos cromátidas hermanas idénticas. Simultáneamente, se sintetizan nuevas histonas, las proteínas alrededor de las cuales se enrolla el ADN para formar la cromatina.

Fase G2 (Gap 2)

La fase G2 (del inglés «Gap 2» o «Growth 2») es un período de duración relativamente corta. Durante esta fase, la célula continúa creciendo y sintetiza proteínas adicionales, incluyendo aquellas que serán necesarias para la mitosis. Se transcriben y traducen genes que codifican proteínas esenciales para la división. Además, en las células animales, se produce la duplicación de los centriolos, que son fundamentales para la formación del huso mitótico.