Conceptos Fundamentales de Biología Celular y Molecular

EXAMEN A

1) Potencial de Membrana

El potencial de membrana es la diferencia de potencial eléctrico entre el interior y el exterior de una célula. Este fenómeno es crucial para diversas funciones celulares, especialmente en células excitables como neuronas y células musculares.

Flujo de Iones y Gradientes

• Flujo de Potasio (K+): Las partículas solubles en agua, como los iones, no pueden atravesar libremente la membrana celular, ya que esta está compuesta por una bicapa de fosfolípidos y colesterol. Los iones de potasio (K+) y, en menor medida, los de sodio (Na+) deben pasar a través de canales iónicos específicos. El potasio, al ser más abundante en el interior de la célula, tiende a salir por su gradiente químico (de concentración) cuando los canales se abren. Sin embargo, el gradiente eléctrico (la carga negativa del interior celular) atrae al potasio de vuelta hacia el interior. Dado que el gradiente químico es ligeramente más fuerte, se produce una pequeña salida neta de potasio, lo que contribuye a la carga positiva de la zona externa de la célula y a la negatividad del interior.
• Flujo de Sodio (Na+): Tanto el gradiente químico como el gradiente eléctrico impulsan la entrada de sodio en la célula. No obstante, la entrada de sodio es limitada debido a la escasez de canales de sodio abiertos en reposo.

Bomba de Sodio-Potasio (Na+/K+-ATPasa)

La bomba de sodio-potasio es una proteína transmembrana esencial que contribuye activamente al mantenimiento del potencial de membrana. Por cada ciclo de su actividad, esta bomba expulsa 3 iones de sodio (Na+) de la célula e introduce 2 iones de potasio (K+). Este intercambio desigual de cargas positivas hace que el interior de la célula sea más negativo, estableciendo y manteniendo el potencial de membrana en reposo.

Es importante destacar que algunas células, como las neuronas y las células musculares, tienen la capacidad de modificar rápidamente su potencial de membrana, generando potenciales de acción para transmitir señales.

2) Conceptos Químicos Fundamentales en Biología

Electrolito

Un electrolito es una sustancia que, al disolverse en un disolvente (generalmente agua), se disocia en iones (partículas cargadas eléctricamente), lo que le permite conducir la corriente eléctrica. Los electrolitos son fundamentales en los sistemas biológicos para mantener el equilibrio hídrico, la función nerviosa y muscular, entre otras. Generalmente, los electrolitos se presentan como ácidos, bases o sales.

pH

El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una disolución. Se define por la concentración de iones libres de hidrógeno (H+) en una sustancia. La escala de pH va de 0 a 14:

• Entre 0 y 7: la disolución es ácida.
• En 7: la disolución es neutra.
• De 7 a 14: la disolución es básica o alcalina.

Mol

Un mol es la unidad del Sistema Internacional de Unidades (SI) que mide la cantidad de sustancia. Se define como la cantidad de cualquier sustancia que contiene tantas entidades elementales (átomos, moléculas, iones, etc.) como átomos hay en 0.012 kilogramos de carbono-12. La masa de un mol de una sustancia, expresada en gramos, es numéricamente igual a su masa atómica o masa molecular.

Molaridad (M)

La molaridad (M), también conocida como concentración molar, es una medida de la concentración de una disolución. Se define como el número de moles de soluto disueltos por cada litro de disolución.

Peso Equivalente

El peso equivalente de un elemento o compuesto es la cantidad del mismo que se combina o reemplaza a 8.000 partes de oxígeno o 1.008 partes de hidrógeno. De manera más general y moderna, se calcula dividiendo la masa molar de la sustancia por el número de unidades reactivas (por ejemplo, el número de iones H+ en un ácido, OH- en una base, o la valencia total en una sal).

3) Lípidos: Estructura y Función en Membranas Biológicas

Lípidos Formadores de Membrana (Lípidos Complejos)

Los lípidos formadores de membrana, también conocidos como lípidos complejos, son componentes esenciales de las membranas celulares. Están compuestos por un alcohol (como la glicerina o la esfingosina), uno o varios ácidos grasos, y a menudo, una molécula de ácido ortofosfórico.

Según su composición, se clasifican en varios tipos:

• Glicerolípidos:
  • Glicerofosfolípidos: Son los más abundantes. Compuestos por glicerina, dos ácidos grasos y un ácido ortofosfórico. Su característica principal es que son moléculas anfipáticas, lo que significa que poseen una cabeza polar (hidrofílica) y una cola apolar (hidrofóbica). Al interactuar con el agua, forman espontáneamente bicapas lipídicas, que constituyen la estructura fundamental de las membranas celulares.
  • Gliceroglicolípidos
• Esfingolípidos:
  • Esfingofosfolípidos
  • Esfingoglicolípidos

Esteroides

Los esteroides son un tipo de lípidos simples e insaponificables (no forman jabón al hidrolizarse). Su estructura común se basa en un sistema de cuatro anillos fusionados, conocido como ciclopentanoperhidrofenantreno. Todos los esteroides son modificaciones de esta estructura básica.

Colesterol

El colesterol es el esteroide más importante y abundante en las células animales. Desempeña un papel crucial en la modulación de la fluidez de las membranas celulares. En membranas con ácidos grasos saturados (que tienden a empaquetarse densamente), el colesterol aumenta la fluidez. En membranas con ácidos grasos insaturados (que son más fluidas), el colesterol tiende a reducir la fluidez, estabilizando la membrana.

Existen dos fuentes principales de colesterol:

• Colesterol endógeno: El que es sintetizado por el propio organismo.
• Colesterol exógeno: El que se obtiene a través de la dieta.

Un exceso de colesterol en el organismo puede ser perjudicial, ya que contribuye a la formación de placas ateroscleróticas en el interior de las arterias, un proceso conocido como aterosclerosis. Esto endurece las arterias y aumenta significativamente el riesgo de enfermedades cardiovasculares, como infartos o accidentes cerebrovasculares.

Otros Esteroides Importantes

Además del colesterol, otros esteroides biológicamente relevantes incluyen:

• Sales biliares: Producidas en el hígado, son esenciales para la emulsificación de las grasas en el intestino delgado, facilitando su digestión y absorción.
• Vitamina D: Crucial para la regulación del calcio y el fósforo en el cuerpo, promoviendo la absorción de calcio en el intestino y su movilización desde los huesos.
• Hormonas esteroideas: Incluyen las hormonas sexuales (como la testosterona en hombres y el estradiol en mujeres) y las hormonas producidas por la corteza suprarrenal (como el cortisol y la aldosterona), que regulan una amplia gama de funciones fisiológicas.

4) Síntesis Proteica: Del ADN a la Proteína

La síntesis proteica es el proceso fundamental mediante el cual las células construyen proteínas, uniendo secuencialmente aminoácidos en un orden específico. El correcto funcionamiento de la célula depende directamente de la síntesis de proteínas, ya que estas determinan sus características físicas y químicas, y llevan a cabo la mayoría de las funciones celulares.

Toda la información necesaria para formar proteínas está codificada en el ADN. El ADN está compuesto por unidades llamadas nucleótidos, cada uno formado por un grupo fosfato, un azúcar (desoxirribosa) y una base nitrogenada (adenina, guanina, citosina o timina).

Transcripción

La transcripción es el primer paso de la síntesis proteica. Consiste en la síntesis de una copia de un segmento de ADN en forma de ARN mensajero (ARNm). Durante este proceso, la enzima ARN polimerasa lee la secuencia de bases del ADN y fabrica una molécula de ARNm con bases nitrogenadas complementarias al ADN (con uracilo en lugar de timina).

Traducción

Una vez que el ARNm ha sido sintetizado y procesado, se traslada desde el núcleo (en eucariotas) al citoplasma, donde se inicia el proceso de traducción. La traducción es el proceso de ensamblar aminoácidos en el orden que establecen las bases nitrogenadas del ARNm. Este proceso ocurre en los ribosomas, que se deslizan sobre la molécula de ARNm, leyendo las combinaciones de tres bases (codones) y utilizando esta información para construir la secuencia correspondiente de aminoácidos, formando así la proteína.

5) Características Fundamentales de los Seres Vivos

Complejidad Molecular

Los organismos vivos se distinguen por su complejidad molecular. Las principales sustancias responsables de su funcionamiento son macromoléculas (como proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y carbohidratos) que no están presentes en la materia inerte o lo están en una organización mucho más simple.

Organización Jerárquica

Los seres vivos presentan una organización jerárquica altamente estructurada, desde los niveles más simples hasta los más complejos:

• Elementos químicos
• Moléculas
• Macromoléculas
• Orgánulos
• Célula (unidad básica de la vida)
• Tejido
• Órgano
• Sistema de órganos
• Organismo
• Especie
• Población
• Comunidad
• Ecosistema

Intercambio de Materia y Energía con el Medio (Metabolismo)

Los seres vivos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con su entorno. El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren dentro de una célula u organismo, permitiendo los procesos vitales. Se divide en dos categorías principales:

• Catabolismo: Reacciones de ruptura e hidrólisis de macromoléculas complejas en moléculas más simples, liberando energía (ej. respiración celular).
• Anabolismo: Reacciones de síntesis de macromoléculas a partir de moléculas más simples, que requieren un aporte de energía (ej. fotosíntesis, síntesis de proteínas).

Reproducción

La reproducción es la capacidad de los seres vivos para generar descendencia, asegurando la continuidad de la vida. Las células se dividen para dar origen a nuevas células o a organismos completos. La reproducción lleva asociados dos fenómenos clave:

• Herencia: Mantiene las características genéticas de una generación a otra, asegurando que los descendientes se parezcan a sus progenitores.
• Variabilidad: La aparición de diferencias genéticas entre los descendientes, lo que es fundamental para la adaptación y la evolución de las especies.

Ciclo Vital

Todos los seres vivos experimentan un ciclo vital, pasando por distintas etapas a lo largo de su vida, que incluyen nacimiento, crecimiento, desarrollo, reproducción y muerte.

Sensibilidad y Autorregulación

Los seres vivos poseen sensibilidad, la capacidad de detectar y reaccionar ante los cambios que se producen en su entorno (estímulos medioambientales). Esta capacidad les permite elaborar respuestas adecuadas para mantener su homeostasis (equilibrio interno) y adaptarse. La autorregulación es la capacidad de mantener constantes las condiciones internas a pesar de las fluctuaciones externas.