lunes, 24 de marzo de 2014

El desarrollo vegetal y las fitohormonas (I): Introducción al desarrollo vegetal

En el ciclo vital de una planta cualquiera (en este caso vamos a hablar de plantas con semilla; no nos vamos a meter con helechos ni musgos) a menudo nos encontramos que un individuo nuevo surge a partir de una semilla que contiene un diminuto embrión surgido de la fecundación de una ovocélula femenina por un gameto masculino producido y transportado por los granos de polen.

El polen se produce en los estambres, o estructuras reproductoras masculinas, de las flores (en las gimnospermas como el pino se produce en los estróbilos masculinos, que producen una cantidad enorme de granos polen).Éste será transportado desde la flor que lo produjo hasta otra flor que sea capaz de captarlo (es decir, que tenga una estructura femenina, que en las flores es una especie de botella llamada pistilo, en cuya base se encierra el ovario que almacena la célula a fecundar).

domingo, 19 de enero de 2014

Transporte a través de la membrana

La membrana de las células no sólo es semipermeable; a cambio de su vertiginoso dinamismo, la vida de las células necesita combustibleeliminar desechos derivados de la degradación de dicha "gasolina". Así, la membrana plasmática es muy esquisita; deja pasar a través de ella sólo lo que es estrictamente necesario (lo que se conoce como permeabilidad selectiva), y si la célula no puede conseguir ciertas sustancias con las leyes físicas a priori de su lado, se las ingeniará para introducirlas de todas formas en ella a toda costa, pues nos encontramos que la bicapa lipídica efectivamente deja pasar a través de ella moléculas pequeñas y sin carga eléctrica, como las moléculas de agua, de oxígeno o de etanol... pero cuando se trata de moléculas con un tamaño más importante, como es la glucosa, o simplemente con carga eléctrica, como son los iones, es del todo impermeable. Por ello, las células han desarrollado en sus membranas diferentes tipos de proteínas diseñadas para dejar pasar ese tipo de sustancias, algunas de forma más selectiva que otras.

Panorámica de la célula procariota

En esta entrada vamos a ver resumidamente la estructura básica de los procariotas. 

Una vez tuve un profesor de geología que se presentó comentando la brevedad e insignificancia de nuestra existencia, que la vida era como una especie de tumor o quiste en el planeta y que éste, una y otra vez, "se esforzaba" por eliminar (a mí personalmente me caía bien). Su introducción fue la fugacidad, en realidad, de todas las cosas sobre la Tierra, de cómo los agentes erosivos, toda la dinámica terrestre, acabarían eliminando todo lo que conocemos ahora mismo. No somos eternos (y en mi humilde opinión, ni falta que hace). Pero lo que me ha quedado muy claro desde entonces es que las humanas gentes somos, en realidad, los últimos en llegar.

martes, 14 de enero de 2014

Metabolismo de los carbohidratos: La gluconeogénesis y el ciclo del glioxilato

En esta entrada exponemos cómo el cuerpo mantiene
un aporte de glucosa continuo a los tejidos en situaciones
de ayuno. Terminaremos comentando cómo consiguen
glucosa los tejidos vegetales en desarrollo de una semilla
en germinación, que todavía no pueden fotosintetizar.
El nivel de azúcar en la sangre se denomina glucemia. La concentración normal de glucosa es por promedio de 4,5 mM. Los valores de glucosa en sangre en una persona sin problemas metabólicos como la diabetes dependen de la última vez que se comió, pudiendo diferenciar entre tres o cuatro estados: el estado de postabsortivo (después de la ingesta), el estado de ayuno y de ayuno prolongado, y el estado de realimentación. Cuando recién hemos terminado de comer, los niveles de glucosa tienden a dispararse en la sangre (si van por encima de unos valores aceptables definimos el estado de hiperglucemia), y cuando llevamos mucho sin comer, tienden a disminuir (si van por debajo de unos valores aceptables definimos el estado de hipoglucemia). 
 
Los perfiles metabólicos cambian radicalmente de un estado a otro, pero para situarnos, podemos decir que la conclusión es que el nivel de glucosa en la sangre no debe variar por fuera de un rango relativamente amplio, relativamente estrecho. Si hay glucosa de más en la sangre (como en el estado postabsortivo), el cuerpo tiende a absorberla, a gastarla y a almacenarla. Si, en cambio, los niveles de azúcar descienden, el cuerpo reacciona aportándolo a la sangre a través de las reservas. Recordemos que el cerebro es un órgano muy exquisito: si puede, sólo se alimenta de glucosa. Sólo en condiciones de ayuno muy prolongado e inanición, al no tener nada más, puede adaptarse para utilizar los cuerpos cetónicos como fuente de energía, pero un descenso relativamente brusco por debajo de los 40 mg de glucosa por 100 mL de sangre, se considera que la memoria empieza a fallar, se producen mareos, náuseas y, si se continúa bajando un poco más, puede alcanzarse el coma y la muerte.
 
Las reservas de glucosa en el cuerpo humano son, básicamente, el glucógeno del hígado y el glucógeno del músculo. El glucógeno del músculo es utilizado por el propio tejido; el glucógeno del hígado es exportado a la sangre en forma de glucosa. Y cuando las reservas de glucógeno se han agotado, puede tener lugar al gluconeogénesis.

martes, 7 de enero de 2014

Metabolismo de carbohidratos / Los cloroplastos (III) : Fase oscura de la fotosíntesis

En la pasada entrada sobre el metabolismo de los carbohidratos en este blog se comentó la fase luminosa de la fotosíntesis:
http://biologiadelatortilla.blogspot.com/2013/11/metabolismo-de-carbohidratos-los.HTML

La luz impulsa una cadena de transporte electrónico
localizada en las membranas tilacoidales de los cloroplastos
para generar energía química redox a partir de la energía
de los fotones de luz. Esta energía química se utilizará
para la producción de carbohidratos a partir del dióxido
de carbono del aire. Esta reacción no es espontánea, pero
seres vivos como las plantas han evolucionado sabiendo
aprovechar la luz del Sol como fuente de energía.
Ecológicamente, esto implica que la entrada de esta energía
al mundo orgánico, quedando disponible para otros
organismos, como nosotros, que no podemos acceder
a ella de otra manera que a través de las plantas.
Aquí concluimos que en los cloroplastos, orgánulos subcelulares de las células vegetales de las partes verdes, tiene lugar la conversión de energía lumínica en energía química redox almacenable en forma de ATP y poder reductor NADPH. Todo esto era posible gracias a una serie de macrocomplejos proteicos insertados en la membrana de los tilacoides, dos de ellos fotosistemas y el otro un citocromo. Cada fotosistema se componía de un complejo antena formado por diferentes pigmentos (clorofilas y pigmentos accesorios tipo carotenoides) y un centro de reacción. Cuando un haz de luz iluminaba los cloroplastos, los fotones que impactaban en alguno de los pigmentos de los complejos antena excitaban la molécula de pigmento contra la que chocaban (elevaban uno de sus electrones a un orbital superior). En este estado tan inestable, los cedían a una molécula de pigmento vecina, y así sucesivamente hasta que el electrón llegaba al centro de reacción, que consistía en dos pares de clorofila a que cedían ese electrón excitado a otro compuesto, un aceptor de electrones que lo transportaría hasta otra molécula. El recorrido de electrones por la cadena de transporte llegaba hasta la ferredoxina, que reducía el NADP+; el citocromo b6f, al mismo tiempo, pasaba dos protones procedentes de la reducción de la plastoquinona al lumen tilacoidal, generando así un gradiente de protones que una ATP sintasa aprovechaba para producir ATP.

En esta entrada vamos a poner de forma explícita en qué se gastan este ATP y este poder reductor generados por las reacciones fotoquímicas que se denominan tradicionalmente como fase luminosa porque dependen directamente de la luz. Ahora toca la fase oscura, que comprende reacciones que se ha pensado que no dependen directamente de la luz; no quiere decir que la fase luminosa ocurra de día y la oscura de noche... de hecho por la noche, la fase oscura no funciona (#chistaco)

lunes, 6 de enero de 2014

Metabolismo de aminoácidos: Ciclo biogeoquímico y asimilación y fijación del nitrógeno en las plantas

Nitrógeno líquido (para hacer bonito)
En esta entrada vamos a introducir los fundamentos de cómo el nitrógeno elemental presente en el aire y el suelo se incorpora a los organismos. Efectivamente, va a ser una entrada larga y no es un tema especialmente sencillo ni divertido... pero es importantísimo, al final resumiremos por qué, y es que el nitrógeno se trata de un elemento fundamental para todos nosotros: forma parte de los aminoácidos, de los nucleótidos, de decenas de cofactores enzimáticos, de porfirinas, de alcaloides... la hemoglobina de tu sangre, tu ADN, tus proteínas, la cafeína, las clorofilas, la nicotina... todos son compuestos en los que el nitrógeno es clave. Sin él, tal como estamos diseñados, no tenemos nada que hacer.

domingo, 15 de diciembre de 2013

Caracterizando biomoléculas: estructura primaria de ADN y ARN



Estructura de un nucleótido: una pen-
tosa (ribosa o desoxirribosa) unida en
C1 a una base nitrogenada y en C5 a
un grupo fosfato.
ADN y ARN conforman juntos un grupo de moléculas de los seres vivos: los ácidos nucleicos. Los ácidos nucleicos están formados por subunidades, llamadas nucleótidos, que se forman a partir de un azúcar (ribosa en el caso del ARN y desoxirribosa en el caso del ADN) al que se une un grupo fosfato (que reacciona muy bien) y una de las cuatro bases nitrogenadas que hay para escoger (adenina, timina, guanina y citosina en el ADN; adenina, uracilo, guanina y citosina en el ARN).



Bases nitrogenadas típicas de los ácidos nucleicos. Modificaciones químicas como transaminaciones
o metilaciones permiten pasar de unas purinas/pirimidinas a otras o servir como mecanismo de protección
frente a enzimas degradadoras de ácidos nucleicos (ver fenómenos de restricción).

lunes, 9 de diciembre de 2013

Metabolismo de lípidos: Degradación de ácidos grasos y cetogénesis

En esta entrada vamos a introducir el apasionante mundo
del metabolismo de las grasas.
La grasa corporal es el almacén de energía más grande que tiene nuestro cuerpo. Cuando no hay hidratos de carbono a los que acudir, las grasas (bueno, a partir de ahora los llamaremos triglicéridos) se empiezan a consumir para satisfacer las demandas energéticas mediante la degradación oxidativa de los ácidos grasos.
 
En esta entrada vamos a tratar por qué el cuerpo prefiere almacenar la energía en forma de grasa que en forma de azúcares y qué es lo que sucede cuando el catabolismo de los ácidos grasos va más rápido que el catabolismo de los azúcares.

miércoles, 20 de noviembre de 2013

Relaciones hídricas en las células vegetales

Sabemos que el agua es una parte fundamental de los seres vivos, que las plantas mueren si no las regamos y que absorben este líquido por las raíces, en la mayoría de los casos bajo tierra. Para un estado fisiológicamente activo, las células vegetales y la planta entera necesitan grandes cantidades de agua, que transporta solutos (minerales y orgánicos, nutrientes y desechos), mantiene la turgencia de las células y por tanto de los tejidos, actúa como amortiguador de altas temperaturas, colabora en reacciones químicas del metabolismo, impide la condensación o coagulación o desecación de los protoplastos...


martes, 19 de noviembre de 2013

Metabolismo de carbohidratos / Los cloroplastos (II): Fase luminosa de la fotosíntesis

Ahora que ya se han tocado en esta página web los fundamentos del catabolismo o degradación de los azúcares, consideramos empezar a hablar de su síntesis.

El flujo de energía desde el sol a los organismos y la capacidad
de éstos de convertirla en energía aprovechable  nos permi-
te clasificar a los seres vivos en productores, consumi-
dores primarios, consumidores secundarios y tercia-
rios y descomponedores. Juntos, naciendo, crecien-
do y muriendo en un ecosistema, cerramos un ciclo
de materia y energía que se recicla y transforma.
Sintetizar carbohidratos a partir de sustancias inorgánicas es una capacidad restringida. Nosotros, los animales, podemos recuperar la glucosa a partir de diversas estrategias metabólicas, pero siempre de moléculas orgánicas presentes en nuestro organismo o suministradas por la ingestión de otro organismo diferente, pero no podemos sorber dióxido de carbono del aire y convertirlo en glucosa. Esa es precisamente la transformación que hacen las plantas.

Este proceso de síntesis de materia orgánica a partir de materia inorgánica representa en ecología la clave del flujo de energía y materia en cualquier ecosistema vivo, y toda la energía que utilizamos los organismos (salvo casos puntuales sobre todo en el mundo de las bacterias) procede en último término del Sol. La energía solar es absorbida y canalizada por los cloroplastos de las partes verdes de las plantas y utilizada para impulsar la fotosíntesis, o proceso de transformación del CO2 atmosférico en glucosa, que puede ser usada para sintetizar el resto de principios inmediatos o degradada para convertirse en energía química aprovechable por las células vivas.

domingo, 17 de noviembre de 2013

Evolución biológica: los cinco postulados de Darwin y la especiación

Cualquier bio-cosa que estemos estudiando, cualquier bio-tema que estemos leyendo... no tiene ningún sentido ni ningún significado si despreciamos el hecho de que a lo largo de la Historia de la Tierra los linajes de organismos se han ido transformando y diversificando.
Let's talk about evolution!



En esta entrada introducimos ideas sobre la evolución de las especies, los cinco postulados de Darwin y algunas de las pruebas que demuestran que la evolución ocurre y, a veces, incluso más rápido de lo que nos parece.
 
Cuando uno estudia el mecanismo de un ser vivo, da igual un animal que una bacteria, acabará por darse cuenta de que el diseño es brutal. Hay miles y miles de moléculas, ninguna sobra; todos los órganos y orgánulos tienen su función; todos los procesos bioquímicos están regulados de manera rigurosa, y las moléculas no tienen voluntad propia ni consciencia alguna. Una célula no está viva a propósito; simplemente lo está. Y es un hecho que donde acaba nuestra ciencia empiezan irremediablemente las preguntas filosófico-religiosas, porque no tenemos respuestas completas a las preguntas de "¿Qué es?" o "¿Para qué?" o "¿Cómo apreció la vida?" "¿Qué es la consciencia?". Al ver nuestro diseño perfecto es comprensible que podamos pensar en una inteligencia superior, Padre de todo, que nos diseñó porque estamos acostumbrados a que sea la consciencia y la voluntad la que construya las cosas.

viernes, 15 de noviembre de 2013

Metabolismo de carbohidratos: Vía de las pentosas fosfato

En el proceso catabólico que conocemos como respiración celular, la glucosa en nuestros tejidos es fosforilada a glucosa-6-fosfato y degradada a piruvato vía glucólisis. La mayor parte de este piruvato es oxidado en el ciclo de Krebs para producir ATP, en cuyos enlaces anhídrido de fosfato queda almacenada la energía química de la glucosa degradada. Sin embargo, existen otros caminos posibles para la glucosa-6-fosfato destinados, en último término, a generar productos especiales que la célula necesita.

En esta entrada se trata uno de esos caminos diferentes: la ruta de las pentosas fosfato o ruta del fosfogluconato, vía metabólica alternativa a la glucólisis que nos va a aportar tres cosas:
  1. Formación de NADPH.
  2. Formación de ribosa-5-fosfato.
  3. Conversión de hexosas en pentosas (y viceversa).

sábado, 9 de noviembre de 2013

Metabolismo de carbohidratos: síntesis y degradación del glucógeno

Hay una razón de fundamentos bioquímicos de peso por la que los deportistas se atiborran de pasta la noche antes de una competición, y está directamente relacionada con las reservas de glucosa en nuestro cuerpo.

La glucosa es un bien demasiado preciado como para no almacenarla de alguna forma, y si en el citoplasma de una célula cualquiera tenemos gran cantidad de glucosa disuelta, entrará agua por ósmosis y la célula podría llegar a estallar, o, por lo menos, gastaría mucha energía regulando el bombeo de iones para equilibrar las concentraciones. Es así que, en las células animales, la glucosa se almacena polimerizada, esto es, unidades de glucosa se concatenan formando moléculas glucídicas muy grandes (polisacáridos), que no tienen actividad osmótica.

viernes, 8 de noviembre de 2013

Metabolismo de carbohidratos. Respiración celular. // Los orgánulos energéticos: La mitocondria (II)

En esta entrada hablaremos de
mitocondrias, metabolismo aeróbico,
síntesis de ATP...
¿bien, no?
Estabas pidiéndolo; estabas deseándolo; estabas creyendo que ya nos habíamos olvidado... Has esperado casi un año y por fin vamos a hablar de la mitocondria de nuevo! En realidad, esta entrada está enfocada a una ruta importantísima y de dos fenómenos acoplados de vital importancia para nuestras células, pero que ocurren todos en las mitocondrias y no en el citosol.
 
Aprovecho para hacer publicidad de la entrada inmediatamente anterior a ésta y que trata de cómo se transforma la glucosa en piruvato (que también aparece aquí) y de dos posibles caminos que éste puede tomar en ausencia de oxígeno.
 
 
Pero no. Todo lo que viene a continuación ocurre sólo en presencia de oxígeno, y por eso el conjunto se conoce como respiración celular: las células consumen oxígeno y expelen dióxido de carbono y agua al degradar el piruvato; el proceso íntegro sucede en las mitocondrias, que, según la teoría endosimbiótica postulada por la gran Lynn Margulis, son los actuales representantes de primitivas bacterias aeróbicas que fueron fagocitadas por una célula mayor probablemente ya nucleada; entre ambas se habría establecido una relación de simbiosis tan favorable que ha evolucionado y perdurado hasta nuestros días con el éxito evidente. Realmente, el metabolismo aeróbico que las mitocondrias nos proporcionan es lo que nos mantiene en pie.

Vamos a analizarlo.

miércoles, 6 de noviembre de 2013

Metabolismo de carbohidratos. Glucólisis y fermentaciones

Los azúcares son la fuente de energía preferida por la práctica totalidad de nuestro cuerpo. A todos nos encantan; incluso a las plantas, que generan la suya propia. En el interior de las células, la glucosa se degrada, se oxida, se quema... para obtener la energía liberada en este proceso y aprovecharla para las funciones vitales. Pero el mecanismo no es tan vasto ni tan sencillo como prenderle fuego al azúcar... En realidad, la molécula de glucosa es transformada por numerosas enzimas que añaden y quitan grupos funcionales (especialmente fosfatos), cambian la disposición de sus átomos, cortan, pegan...

La ruta metabólica que se va a tratar en esta entrada es la vía glucolítica, glucólisis o vía de Embden Meyerhoff, que tiene lugar en el citosol de las células una vez la glucosa ha sido absorbida. Presumiblemente, ocurre en todas las células con metabolismo energético alto, no sólo animales, sino también células vegetales, bacterianas, fúngicas... y el objetivo va a ser degradar la glucosa a una molécula más pequeña que conocemos con el nombre de ácido pirúvico o piruvato (si hablamos a pH ~ neutro).

miércoles, 9 de octubre de 2013

Enzimología básica 3: Cinética de las reacciones catalizadas enzimáticamente

Recapitulación: Las enzimas son proteínas representadas a menudo como moléculas más o menos grandes con una oquedad en la que se encuentran una serie de aminoácidos concretos a los que se va a unir un sustrato al cual van a atacar modificando, reorganizado, destruyendo y creando enlaces entre  los átomos inmiscuidos. Como además el sustrato es colocado en una posición correcta para que la reacción suceda, si en el medio en el que se encuentra el sustrato existe enzima, es mucho más probable que la reacción suceda que en el caso de que el sustrato esté solo. Hasta aquí ya lo hemos visto todo antes... Pero, ¿cuánto más rápido? ¿Qué cantidad o concentración de enzima se necesita para metabolizar la sustancia que quiero cuanto antes? ¿Y si lo que me interesa es inhibir la actividad de la enzima que me está molestando?
 
Puede que te parezca que estudiar la cinética enzimática sea un vicio más de los biólogos, pero sus connotaciones son importantes, entre muchas otras cosas, desde el punto de vista médico. Por ponerte un ejemplo, el medicamento de muchos inhaladores es una enzima purificada que hidroliza alguna sustancia clave en la inflamación o que evita la proliferación de microbios; la lisozima, que se encuentra de forma ubicua en nuestras lágrimas y mucosidades, desensambla la molécula de peptidoglucano que conforma la pared bacteriana, reduciendo el crecimiento de colonias de bacterias; la aspirina (ácido salicílico) es una molécula que inutiliza las enzimas ciclooxigenasas que convierten el ácido araquidónico (producido cuando las células se dañan) en tromboxanos, que colaboran a la inflamación y mayor percepción del dolor. Y las dosis importan. ¡En química, las proporciones lo son todo!
 
La enzima mágica esta transforma vagabundas en princesas.
Una vagabunda para la enzima está bien... dos, no hay proble-
ma... tres, ¡el trabajo se hace en dos patadas! Pero si la enzima
tiene cientos de clientas esperando su fosforilación, su deshidro-
genación, su lo que sea... la rapidez de la reacción no aumentará
por muchas vagabundas que se pongan a hacer cola; simple-
mente se tienen que esperar a que la enzima esté libre
y las pueda atender.
Después de esta introducción de por qué es importante saber analizar la cinética química (o que por lo menos haya gente que sepa hacerlo), vamos al grano:

Los principios de la cinética de las reacciones químicas, que estudia la velocidad a la que transcurre una transformación química (es decir, la cantidad de reactivo que se consume/la cantidad de producto que se forma por unidad de tiempo), son aplicables a la cinética de las reacciones bajo catálisis enzimática. No obstante, la cinética este último tipo de reacciones tiene una serie de rasgos característicos, el más destacable: la saturación de la enzima por el sustrato.


Este comportamiento fue estudiado por Leonor Michaelis y Maud Menten en 1913.

Maud Menten (1879-1960) y Leonor Michaelis (1875-1949).
Aun a la época en la que vivió, afortunadamente sus trabajos en cinética enzimática
e histología recibieron el reconocimiento que Maud Menten merecía, pese a la tendencia
histórica de apartar a las sombras el trabajo de grandes mujeres por el hecho de serlo. 
En su modelo se distinguen tres fases:
  • A bajas concentraciones del sustrato, la velocidad de la reacción es directamente proporcional a dicha concentración. La cinética es es de primer orden (relación lineal).
  • A altas concentraciones del sustrato, la velocidad de la reacción se hace prácticamente constante e independiente de dicha concentración. La cinética es de orden cero (no hay relación).
  • A concentraciones intermedias de sustrato , la velocidad del proceso se vuelve mixta.
 
Se interpretamos la gráfica y la fórmula, nos daremos cuenta de que, al principio, cuanto más vamos aumentando la concentración de sustrato más rápido ocurre la reacción. Teniendo en cuenta que es con el sustrato con lo que trabaja una enzima y que las enzimas nunca se gastan (dicho bien, la concentración de enzima total permanece constante), es lo lógico, ¿no? Sin embargo, alcanzamos un punto en el que por mucho que el sustrato esté en gran cantidad, la velocidad de la reacción no aumenta. Esto es tan lógico como lo anterior, pues repetimos que la concentración de enzima total sigue constante, pero tenemos que distinguir entre enzima libre y complejo enzima-sustrato: llegados a un nivel de concentración de sustrato en el que todos los sitios activos de toda la enzima presente en el medio están ocupados, la cinética de la reacción se vuelve independiente de la [S]; la cantidad de enzima se ha convertido en un limitante y se dice, entonces, que está "saturada por el sustrato".
 
La expresión algebraica de la curva que expresa la relación entre las concentraciones de sustrato y enzima viene dada por la ecuación de Michaelis-Menten:

En la fórmula nos aparecen dos parámetros que caracterizan a cada enzima: su velocidad máxima (es decir, la velocidad que alcanza cuando ha sido saturada y la cual no se supera) y su constante de Michaelis-Menten o Km, que representa la concentración de sustrato (por tanto se mide en unidades de concentración) a la que se alcanza la mitad de la velocidad máxima
  • La velocidad máxima no sólo no se supera (a ver, se llama máxima por algo) sino que, a veces, en la práctica, puede salirnos un pico y la velocidad comienza a bajar. Esto se supone que se llama "inhibición por exceso de sustrato", y las causas son variadas. Por ejemplo, a mí y a algunos de mis compañeros de prácticas nos ocurrió que, trabajando en la medida de la cinética de la alfa-amilasa (que hidroliza enlaces glucosidicos beta1-4 en cadenas lineales de almidón), cuando se alcanzó la velocidad máxima, la velocidad de la reacción comenzó a bajar porque, se interpreta, el almidón es muy viscoso y sus restos entorpecen la libre difusión de la enzima, por lo que la reacción se ralentiza, al no poder llegar los sitios activos a sus puntos de "corte". A otras compañeras sí les salieron unas mediciones bastante bien hechas... Pero vamos, que esto solamente lo cuento como experiencia personal, para que se vea que las matemáticas y las leyes impepinables a menudo tienen que matizarse en la vida real...
Volviendo a lo que importa: la Km...
En principio, una Km baja indicaría que la enzima presenta alta afinidad por determinado sustrato; cuanto más baja, más afín es a tal sustrato, pues quiere decir que alcanza la mitad de la velocidad máxima a concentraciones más pequeñas de reactante. Sin embargo, esto no es muy fiable, y el motivo es el siguiente:
  • La constante de Michaelis-Menten es el resultado de la combinación de tres constantes: la constante cinética de formación del complejo enzima-sustrato, la constante de disociación del complejo en enzima y producto y la constante de disociación del complejo en enzima y sustrato (es decir, sin que ocurriera reacción). Y podríamos tener una Km baja igualmente si el complejo ES se forma pero la enzima no transforma el sustrato y lo devuelve intacto, o si la formación del complejo enzima-sustrato no fuera frecuente aunque ocurriera transformación, o que la transformación ocurriera más lenta que la formación del complejo... es decir, general, que K1 fuera más alta que K2+K-1.
 
Pero no llores, tenemos una ponderación que es la prueba del algodón para comprobar la eficacia de la enzima, y está relacionada con la Km y la llamada Kcat, o número de recambio, que representa en realidad el número de moles de sustrato que son modificados por un mol de enzima por unidad de tiempo. El cociente Kcat/Km se llama constante de especificidad, y no hay fallo: cuanta más alta es la constante de especificidad de una determinada enzima frente a un determinado sustrato, más específica es esa enzima para ese sustrato y, por tanto, tanto más afín a él y a transformarlo.
  • No es que quiera impresionarte, pero si analizamos que la catalasa (que abunda en nuestras células hepáticas y se encarga de eliminar el peróxido de hidrógeno), a una concentración de 10^-9 M, cataliza la degradación de 0,4 M de H2O2 por segundo (datos extraídos de un ejercicio de clase), estamos viniendo a decir que el número de recambio es (0,4 M/s)/10^-9 M = 4·10^6 1/s, o lo que es lo mismo, que la duración de la catálisis es de 2,5·10^-8 s. 0,000000028 segundos tarda en suceder el ciclo catalítico. Ni siquiera Speedy González... ni siquiera las señales nerviosas se mueven tan rápido... ¿vemos las dimensiones de lo que estamos hablando? 
Espero no haberte aburrido mucho hasta aquí, porque toca decir que a menudo al ecuación de Michaelis-Menten, TAL COMO la acabamos de ver, no es exactamente práctica en todos los casos... puede parecer fácil y fiable hacerlo a ojo a partir de la gráfica de Michaelis-Menten, que es preciosa... pero a veces esta gráfica no sale así. Ocurre cuando, por ejemplo, en el medio hay presencia de inhibidores competitivos, o "peor", alostéricos. En el último caso, la gráfica no sale una hipérbola rectangular como a nosotros nos gustaría, sino una curva sigmoidea. Sea como sea, puede ser mejor explorar otras opciones.
 
Es por eso que a menudo es más práctico transformar la ecuación de Michaelis y Menten. Una de ellas, no la única, pero una de ellas es la representación de los dobles inversos, o representación de Linenweaver-Burk, que consiste en nada más que invertir la ecuación de Michaelis-Menten, tal que así:
 
 
Esta ecuación es una ecuación de recta: y = m·x + n. Km/Vmax es la pendiente de la recta que nos aparece si representamos gráficamente 1/V frente a 1/[S]. El punto de corte de la recta con el eje de las Y es el inverso de la Vmáx, y el punto de corte con el eje de las X es el inverso negativo de la Km. Se puede resolver gráfica y analíticamente y es muy cómoda de manejar.
 
Hasta aquí todo lo que tengo que decir sobre cinética enzimática. No olvidemos, ante todo, que hablamos de moléculas, de microentornos catalíticos, de ataques nucleofílicos y reordenación de enlaces y todo a velocidades intrépidas que solo atestiguan los propios experimentos y las mediciones y los cálculos. No sabría decir qué es más fascinante... el mecanismo enzimático o que sepamos y podamos estudiarlo. 
La bibliografía está en el apartado Sobre el blog.
 
Espero que te haya gustado esta entrada.
Tal vez te interese.
Enzimología básica 1: Qué es una enzima
Enzimología básica 2: Cómo funciona una enzima.

lunes, 23 de septiembre de 2013

Características generales de los hongos

Ahora que en mi hemisferio entramos en otoño y el clima de las regiones templadas en las que vivo lo propicia, es buen momento para salir a buscar setas, que es lo primero que se nos viene a la cabeza al hablar de un hongo, ¿verdad? Pero en realidad, la seta es solamente una parte del verdadero hongo, su cuerpo fructífero, su parte reproductora. Es como si a ti te reconocieran por tus genita... bueno, lo que quería decir es que el verdadero organismo se encuentra entre el sustrato, creciendo bajo la madera y el suelo.
 
Como experiencia personal, puedo contaros que en las prácticas de botánica de primer curso, uno de nuestros profesores trajo un enorme saco que no le cabía en los brazos de lo grande que era, lleno de algo blanco y consistente que parecía yeso. Todos nos sorprendimos mucho cuando nos dijo que aquello era el cuerpo de un hongo, y arriba del todo se veían unas pequeñas setitas pálidas, encima de toda aquella mole.
 
Vamos a situarnos: Como "hongo" clasificamos a todos aquellos organismos vegetales eucariotas, criptógamos, de organización talofítica y heterótrofos no fotosintéticos. Vamos punto por punto.
  • Son eucariotas, es decir, sus células, ya sea una o miles, tienen su material genético (ADN, por supuesto) guardado por una envoltura nuclear típica (con su doble membrana, sus poros, etc.), forman cromosomas, realizan mitosis y meiosis... eso los aproxima a nosotros y los aleja de los procariotas. La mayoría de las células fúngicas tienen paredes celulares, de composición variable, eso sí, pero predominan paredes celuloso-pecticas encontrándose además calosa, hemicelulosas... e incluso quitina, que forma típicamente el exoesqueleto de animales artrópodos. Estos componentes se encuentran en proporciones distintas dependiendo de la especie de hongo, tipo celular, estado de desarrollo, etc. etc. Además de paredes celulares, tienen una vacuola acuosa (como las células vegetales), pero carecen de plastos (como las células animales).
Salta a la vista que, desde el punto de vista celular, los hongos conforman un reino aparte.
 
  • Con criptógamos queremos decir que no poseen órganos sexuales aparentes: no tienen flores, no tienen semillas. Es un término botánico ligeramente en desuso.
  • Con que son talófitos nos referimos a que poseen organización de talo: carecen de la especialización y diferenciación interna de las plantas superiores, de tal manera que los hongos no forman verdaderos tejidos, al igual que las algas. No hay tejidos formados por células especializadas en la absorción y transporte de agua y nutrientes, ni en el sostén, ni en la excreción de sustancias...
Así, los hongos son para nosotros "criptógamas no vasculares", junto con las algas, los líquenes y las briófitas (musgos, antocerotas, hepáticas).

Nos queda por matizar que son seres completamente heterótrofos para el carbono, variables para el nitrógeno y la mayoría son totalmente autótrofos para el azufre. Se los puede encontrar adaptados al parasitismo, como saprófitos o como simbiontes.
  • Los hongos parásitos viven a expensas de otros organismos vivos (animales, plantas, incluso de otros hongos...) y al mismo tiempo les producen un estado de patología que incluso puede llevarles a la muerte. Algunos nos afectan de forma directa; otros, afectan a los cultivos; históricamente, han existido grandes pérdidas económicas y épocas de hambruna por la infección de un hongo.
  • Los hongos saprófitos viven descomponiendo la materia orgánica de individuos muertos. Son de gran importancia ecológica, ya que devuelven sus componentes al sustrato, reciclando la materia para las futuras generaciones. Es frecuente encontrarlos, por ejemplo, sobre la madera de troncos caídos y tocones, distinguiendo dos tipos de destrucción de la madera: la podredumbre marrón, en la que la celulosa es el componente descompuesto mientras que la lignina no se metaboliza, y la podredumbre blanca, en la que se descomponen tanto celulosa como lignina.
  • Los hongos simbiontes viven en asociación con otros organismos. Las simbiosis fúngicas más conocidas son los líquenes (que se dan entre un hongo y un alga verde) y las micorrizas (que se dan entre un hongo y las raíces de una planta).
En este dibujo se nos presenta el basidiocarpo o cuerpo
fructífero de un hongo Basidiomiceto (todas las setas
pertenecen al grupo de los Basidiomicetos). Sus hifas,
como se ve, están tabicadas.
El aparato vegetativo de los hongos suele estar formado por finos filamentos ramificados cuyo conjunto se denomina micelio. Los filamentos (hifas), de crecimiento frecuentemente apical, pueden estar tabicados o no. En el primer caso (por ejemplo, los Ascomicetos y los Basidiomicetos), el cuerpo está formado por hifas cuyas células están separadas por tabiques con un poro en el centro, de manera que los citoplasmas de las células vecinas siguen comunicados. En el segundo caso (por ejemplo, en los Zigomicetos), los filamentos micelianos no presentan tabicación, y se dice entonces que presentan organización cenocítica o sifonal en lugar de tabicada.
  • Importante señalar que no todos los hongos verdaderos se componen de hifas. El talo de las levaduras, por ejemplo, consiste en un micelio de gemación, compuesto por células aisladas.
Aunque pueden presentar reproducción sexual, los hongos tienen gran capacidad de reproducción asexual liberando al medio gran cantidad de esporas, generalmente sin flagelos (aplanósporas). Por espora entendemos una célula germinativa, capaz de dar lugar a un nuevo individuo sin necesidad de fusionarse con ninguna otra célula; es la contraposición, por tanto, de un gameto, aunque en algunos grupos podemos encontrarnos sorpresas.

Hablamos de mitóspora cuando la espora se ha generado por mitosis, y de meióspora cuando se ha generado por meiosis (en este caso, la espora es siempre haploide, claro.

La reproducción sexual (gamia) puede tener lugar por mecanismos variados: podemos tener una isogamia (cuando los gametos son iguales), anisogamia (cuando los gametos son morfológicamente distintos), oogamia (que es un tipo de anisogamia más pronunciada, en la que la gámeta "femenina" es inmóvil y grande y la "masculina" es flagelada y pequeña), sifonogamia (cuando los gametos "masculinos" pasan al oogonio a través de un puente o sifón), cistogamia (cuando se fusionan los gametocistes enteros) o incluso talogamia/somatogamia (hifas de talos micelianos diferentes pero compatibles se fusionan para dar un talo que generará la estructura reproductora).

 
Es importante diferenciar porque en los ciclos vitales de los hongos son muy variados.

Ahora la clasificación, que no es sencilla, y es que el grupo de los hongos es un grupo polifilético: esto quiere decir que es una agrupación artificial, en la que los organismos que se meten en el mismo saco por poseer unas características convergentes (lo que decíamos: eucariotas, heterótrofos, criptógramos, talófitos...), pero sus grupos representantes derivan de ancestros diferentes. Filogenéticamente, no es en absoluto válido utilizar grupos polifiléticos, porque no representan una relación evolutiva directa entre los organismos, pero de momento, cuando hablamos de hongos, clásicamente tenemos que diferenciar entre hongos sensu stricto y hongos sensu lato. Con este esquema simplificado lo entiendes seguro:
 
Hongos sensu lato ("sentido amplio") incluyen a los hongos mucilaginosos (que forman los llamados plasmodios, masas citoplasmáticas reptantes sobre el sustrato), a los pseudohongos y a los hongos sensu stricto, a los hongos verdaderos, que son los que conforman el reino Fungi, que es el grupo que cuenta, por otro lado, con más divisiones. Volvemos a insistir en que hongos mucilaginosos, pseudohongos y eumicetos no derivan de un ancestro común directo, pero se agrupan por compartir ciertas características que impiden colocarlos en otros grupos, tal como está montada la clasificación actual.
 
Realmente, la clasificación de las especies es una tarea infernal... lo que a día de hoy se busca en una clasificación es que refleje los grados de parentesco entre los seres clasificados, y a veces (muchas veces) el aspecto físico no basta, o incluso es una trampa. Hay mucho más desorden y tinieblas de lo que la gente piensa. De hecho, la división Deuteromycetes (dentro del reino Fungi) es una etiqueta provisional para hongos de los que se desconoce su mecanismo de reproducción sexual y, por tanto, no podemos justificar en qué otro grupo podríamos meterlos.
 
Pero como no quiero que estas rencillas tan incómodas en cuanto a filogenia le quite belleza al asunto de los hongos, dejo un video de la BBC, de la serie documental Planeta Tierra (no podéis moriros sin haberla visto):
 
 
Y este otro para hacerle caso a los mohos:


Y para terminar de llamarte la atención sobre ellos, puedo decirte sin miedo a equivocarme que sabemos de los hongos que no son plantas, que pueden crecer sobre pan, fruta madura, troncos de árboles vivos, troncos de árboles en descomposición, animales muertos, nuestros tegumentos; que existen hongos parásitos cuyo ciclo de vida está especializado en atacar a los cultivos de centeno y de maíz... que existen hongos que viven de forma natural sobre nuestra superficie corporal y forman parte de la microbiota normal de nuestra piel; que otros nos sirven para hacer pan, cerveza, vinos gracias a sus capacidad de fermentación; que hay mohos, levaduras, pezizas, boletus, trufas, cornezuelos, rúsulas, pedos de lobo, champiñones, incluso están los hongos de mentira y los plasmodios... Algunos nos benefician, otros nos enferman, otros directamente nos matan y otros nos ignoran completamente, y todas las formas, colores, matices y particularidades de cada uno de sus ciclos de vida son solamente una demostración más de la vomitiva, maravillosa y exasperante variedad que ofrece la enigmática "vida".

¿Cuánto sabemos en realidad de los hongos?
 

martes, 17 de septiembre de 2013

Los ciclos biológicos


Con ciclo biológico o ciclo de vida nos referimos a las etapas o generaciones por las que pasa una especie en su reproducción. Algo así como una cadena "flor, fruto, semilla y flor", desde que el individuo madura y puede reproducirse hasta que se llega un individuo similar al inicial.
Los seres humanos, por ejemplo, somos seres diploides (2n) y tenemos sexos separados, chicos por uno y chicas por otro lado. Cada uno de los dos produce gametos o células sexuales haploides (n) que se fusionan y dan un cigoto diploide (2n) que se desarrolla por mitosis controladas hasta dar un nuevo ser humano diploide de uno de los dos sexos.  Es un ejemplo muy fácil con una sola generación, la nuestra, la diploide, pero en otras especies...
 
Empecemos, para entendernos, señalando que la meiosis puede ocurrir para tres cosas, depende de la especie:
  • En especies con una sola generación diploide (2n), la meiosis se utiliza para generar gametos (n), es decir, ocurre antes de la fecundación, en la que los gametos se fusionarán para formar un cigoto diploide (2n). Se trata de una meiosis gamética. Es un ciclo típico de los animales.
  • En especies con una sola generación haploide (n), la meiosis ocurre después de la fecundación, le sucede al propio cigoto (2n); si hay gametos, éstos se generaron por mitosis, no por meiosis, ya que el organismo que los produjo ya era haploide. Es típico de hongos, pero la génesis de gametos se puede ver sustituida a menudo por otros mecanismos.
  • En especies con alternancia de generaciones, la meiosis puede servir para producir para producir esporas. La generación diploide (2n) usa la meiosis para generar (meio)sporas (n) que germinan y producen individuos de la generación haploide (n), que por mitosis harán gametos, que se fusionarán para dar un cigoto 2n, que se desarrollará hasta un nuevo individuo de generación diploide (2n). Se da típicamente en las plantas terrestres.
Conviene señalar ahora, para que quede bien explícito, que la diferencia entre esporas y gametos es básicamente la capacidad o incapacidad de dar un individuo por sí solas, aunque en algunos casos nos podemos llevar sorpresas. De todas formas, en sentido general, lo que llamamos esporas no necesitan unirse unas con otras; cada una, al germinar, produce un nuevo individuo (y podemos encontrar esporas tanto producidas por mitosis, mitósporas, como por meiosis, meiósporas). Los gametos, en cambio, tienen que fusionarse (dando por sentado que son compatibles) para formar el cigoto.
  • En botánica, el individuo generador de esporas se llama esporofito, y el individuo generador de gametos, gametofito. El esporofito es siempre diploide, y el gametofito es siempre haploide.
Si ha quedado claro esto, podemos pasar al nivel 2.
 
Cuando hablamos de un ciclo vital en general, o cuando se nos habla de él, siempre se nos dice lo siguiente: el número de generaciones independientes, el aspecto relativo de los individuos, la/s fase/s nuclear/es y cuál es la generación dominante.
  • El número de generaciones independientes puede ser una, dos y excepcional y discutiblemente tres. Esto se representa con las palabras monogenético, digenético y trigenético (de existencia discutida).
  • El aspecto de los individuos de la generación haploide puede ser igual o diferente a los de la generación diploide. Es algo que una vez se estudia la especie se ve a simple vista. En respectivos casos, el ciclo será isomórfico o heteromórfico.
  • En las fases nucleares puede ser que solo haya una generación libre o dos. En el caso de que sea una, ésta puede ser haploide o diploide. Si son dos, lo normal es que haya una alternancia entre fase haploide y fase diploide. Entonces, tenemos palabras para cada uno de los tres casos: haplofásico, diplofásico y haplodiplofásico (o diplohaplofásico, da igual).
  • En la generación dominante (en el caso de que la haya) basta decir si es el esporofito o el gametofito. Un criterio para decidir esto es quién dura o vive más de los dos.
Y ojo: no hay que confundir nada de esto con las palabras haplobióntico y diplobióntico. El término -fásico hace referencia a las fases nucleares. -bióntico hace referencia al organismo en sí.
  • Un ser haplobióntico es uno en cuyo ciclo de vida solamente hay una generación, diploide o haploide; puedes compararlo a monogenético, pero este es un término para el ciclo. "Los organismos haplobiónticos tienen ciclos monogenéticos", eso te sirve.
  • Un ser diplobióntico es uno en cuyo ciclo de vida (digenético) hay dos generaciones alternadas.
Un ejemplo: vamos a ver de forma muy simplificada el ciclo vital de un helecho (división Pteridophyta).
 
 
Tenemos dos generaciones. Es muy frecuente en las plantas la llamada alternancia de generaciones, así que no nos debe de sorprender, aunque es muy poco probable que hayas visto alguna vez la segunda generación de cualquier helecho, ya que no mide más de unos pocos centímetros, exagerando mucho... Lo que llamamos helecho (la fronde, grande, con sus rizomas o tallos subterráneos, sus... bueno, el helecho...) es el esporofito, la generación diploide. Si le damos la vuelta a la fronde en la época adecuada del año, podremos ver unas formaciones en forma de botón o grano de color amarillento. Si nos fijamos todavía más, veremos que esos granos están compuestos de otros granitos aún más pequeños, que son los esporangios (las formaciones donde se generan esporas por meiosis). Las agrupaciones de esporangios, por si te interesa, se llaman soros.
 
Estas esporas (n), producidas en los esporangios del esporofito (2n) germinarán y darán lugar al llamado prótalo (n), que no es otra cosa que el gametofito, de vida muy breve (al menos en comparación a todo lo que dura el helecho). Tiene forma, echándole imaginación, de corazón verde, y en una parte tiene los gametangios femeninos (los arquegonios, donde, por mitosis, se producirá el gameto femenino, inmóvil) y en otra parte tiene los gametangios masculinos (los anteridios, donde se producirán los gametos masculinos, en este caso flagelados y que cuando hay agua nadan hasta la ovocélula). De la unión de las gámetas (n) se forma el cigoto (2n), que se desarrolla a embrión y posteriormente a un nuevo esporofito (2n), cerrándose y volviendo a empezar el ciclo.
 
Visto lo visto, tenemos dos generaciones independientes la una de la otra (digenético), diferentes en cuanto a tamaño, forma y duración de vida (heteromórfico), presentando alternancia de fases nucleares (haplodiplofásico) y dominando la forma de helecho (con esporofito dominante).
 
Ciclo digenético heteromórfico haplodiplofásico con esporofito dominante. Se trata de un organismo diplobionte. Fin del ciclo.
 
Y todos los ciclos que te encuentres en el mundo vegetal son o monogenéticos haplofásicos, monogenéticos diplofásicos, digenéticos haplodiplofásicos y, si cabe, quizás trigenéticos en alguna especie de alga; un caso especial y exclusivo son las dicariofases en los "hongos superiores" y que no tiene sentido profundizar en ellas en esta entrada... Quitando estos esquemas generales, luego hay centenas de pequeños matices y variaciones... cada especie tiene su propio estilo... pero lo primero que hay que identificar siempre a la hora de estudiarlos (y lo digo por dolorosa experiencia) es el tipo de ciclo que siguen, y lo verdaderamente interesante es cuando la generación 1 es completamente distinta a la generación 2...
 
 

lunes, 16 de septiembre de 2013

Caracterizando biomoléculas: Aminoácidos

Hace unos mil años subí una entrada en este mismo blog sobre los aminoácidos, pero la he desechado porque no servía para nada (era tan joven...). Así que reeditamos.

Los "aminoácidos", que se llaman así porque presentan un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo ácido (-COOH) unidos al mismo átomo de carbono, son las subunidades monoméricas que, al enlazarse unos con otros mediante el llamado enlace peptídico, forman los péptidos y (a partir de un determinado peso molecular) polipéptidos. La unidad biológicamente funcional constituida por uno o más polipéptidos asociados es lo que llamamos proteína.
 
Los aminoácidos se disponen en secuencias lineales combinándose como se combinan las letras (salvando las distancias...) para formar palabras. Existen algunos péptidos con funciones biológicas, pero son todavía más variadas las proteínas, de una diversidad enorme, y que no sólo son al cuerpo lo que los ladrillos a una casa, sino que regulan miles de procesos químicos relacionados desde con la extracción de energía de los alimentos hasta con el comportamiento del mismo individuo.
 
Se conocen más doscientos aminoácidos diferentes, pero sólo veinte forman proteínas (aminoácidos proteicos) y se encuentran en todos los seres vivos, aunque no podemos sintetizarlos todos; algunos solo se pueden obtener a través de la alimentación, y se les apoda "aminoácidos esenciales"; varían según la especie.

 
Clasificamos los aminoácidos proteicos según las características de sus cadenas laterales
y los dividimos en neutros apolares, neutros polares, ácidos y básicos, una cuestión de los los grupos ionizables (o de la ausencia de éstos).
  • Los aminoácidos neutros apolares, como su nombre sugiere, no poseen grupos ionizables ni grupos que les doten de polaridad molecular. Se trata de aminoácidos de cadenas laterales hidrófobas, como radicales de hidrocarburos. El más sencillo es la alanina (Ala), cuyo radical es un metil. Le siguen la valina (Val), la leucina (Leu), la isoleucina (Ile, llamada así porque tiene la misma fórmula molecular que la leucina), la prolina (Pro, que en realidad no es un aminoácido sino un iminoácido por tener un grupo funcional imino >C=NH), la fenilalanina (Phe, que se llama así porque es la alanina con un anillo aromático añadido) y el triptófano (Trp, también con un anillo aromático). A veces se incluye o no la glicina (Gly), el aminoácido más sencillo y el único que carece de actividad óptica, al no tener carbono quiral (el carbono alfa está unido a dos hidrógenos).
 
  • Los aminoácidos neutros polares (también llamados aminoácidos polares no ionizables) son aquellos que contienen grupos polares (#aplausos #perogrullada).
La polaridad molecular surge, básicamente, por la diferencia de electronegatividades entre átomos enlazados; me explico: la electronegatividad es una propiedad atómica que varía a lo largo y ancho de la tabla periódica (siendo los elementos más electronegativos cuando más avanzamos en un periodo y más retrocedemos en un grupo) y consiste en una tendencia mayor a atraer los electrones del enlace formado, provocando que éstos se acerquen más a estos átomos y por tanto les doten de una densidad de carga negativa (los electrones tienen carga negativa, ya sabes). El átomo del que los electrones del enlace se se encuentran algo alejados queda con densidad de carga positiva. Así, aunque el grupo no está cargado eléctricamente, puede establecer interacciones tipo fuerzas de van der Waals o puentes de hidrógeno con otros grupos polares o iones.
 
Son la serina (Ser, cuyo grupo polar es un hidroxilo), la treonina (Tre), la tirosina (Tyr), la metionina (Met), la cisteína (Cys), la asparagina (Asn) y la glutamina (Gln). Los tres primeros tienen grupos -OH, aunque en algunas clasificaciones la tirosina se pone aparte por poseer un anillo aromático de benceno en su estructura. La metionina y la cisteína tienen un átomo de azufre (en el caso de la cisteína, en forma de grupo tiol, importante para la estructura tridimensional de las proteínas, en las que puede formar los llamados puentes disulfuro entre diferentes cisteínas). La asparagina y la glutamina, en cambio, tienen otros átomos de nitrógeno. La glutamina podría considerarse una molécula de glutamato sustituida con un grupo amino en su extremo radical terminal, de ahí su nombre.
 
 
  • Los aminoácidos ácidos y básicos son, en definitiva, aminoácidos con grupos radicales ionizables, es decir, que según varía el pH del medio, pueden disociarse y adquirir carga eléctrica. Los aminoácidos ácidos (que tienen un grupo carboxilo a mayores) son el glutamato o ácido glutámico (Glu) y el aspartato o ácido aspártico (Asp). La terminación -ato hace referencia a sus formas iónicas o sales, que es como se encuentran a pH neutro/celular. Los aminoácidos básicos son la histidina (His), la lisina (Lys) y la arginina (Arg), con átomos de nitrógeno.
A pH=7, la carga de los aminoácidos básicos es positiva, la de los aminoácidos ácidos es negativa. Es la única forma por la que un aminoácido puede tener carga eléctrica distinta de 0 a pH neutro, ya que a éste, tanto el carboxilo terminal como el amino terminal están ionizados, y como el grupo ácido tiene carga negativa y el grupo básico tiene carga positiva, se anulan. Lo que desequilibra la balanza es la ionización de sus grupos radicales, y cada uno tiene su grado de disociación.
 
Esto es puramente química: todos los ácidos y todas las bases tienen una constante de disociación, que llamamos Ka o Kb según nos refiramos a ácidos o bases. El -logK es el pK, que coincide con el pH al cual el grupo se comienza a disociar. Tanto el grupo carboxilo terminal (grupo ácido, cede H+) como el amino terminal (grupo básico, captan H+) tienen sus pK, y varían con cada aminoácido (se han medido, calculado y hay tablas donde se pueden mirar). Las cargas de esto grupos se pueden neutralizar mutuamente, convirtiendo el aminoácido en cuestión en una sal formada por un ion híbrido (que tiene carga positiva y negativa) que llamamos zwitterión
 
A pH 1 (ácido) el medio está muy acidificado, lleno de protones en exceso, por lo que el grupo amino tiende a captarlos, como base que es. Sin embargo, conforme se va alcalinizando el medio y el pH aumenta, se alcanza el pKa y el grupo carboxilo comienza a disociarse. Así, si antes había una gran cantidad de moléculas del aminoácido con carga positiva empieza a aumentar el número de moléculas en estado zwitterión (carga neta 0). El punto de acidez en el que todas las moléculas del aminoácido se encuentran en carga 0 se denomina punto isoeléctrico (pI). Si seguimos alcalinizando el medio, llegaremos al pKb, y el grupo amino empezará a disociarse para contrarrestar el descenso en la concentración de protones, y la sustancia comienza a adquirir carga neta negativa.
 
El pI se calcula como la semisuma de los dos pK que flanquean el zwitterión: (pK1+pK2)/2. Esto parece fácil de entender, pero se puede complicar cuando tenemos varios grupos ionizables añadidos.
Me molesto en poner un ejemplo de mis propios apuntes: en este caso es la alanina. En la forma I vienen señalados los tres grupos ionizables con sus respectivos pK. En un medio muy ácido, casi todas las moléculas se encuentran protonadas (carga total +2), y al ir disminuyendo la acidez, al llegar a pH 1.8 el grupo carboxilo empieza a disociarse (carga total +1). Al llegar al pK 9.0, el grupo alfa-amino empieza a disociarse también (carga total 0), y al superar el 12.5, la sustancia entera empieza a quedarse con carga -1.
 
Para calcular el punto de acidez al que toda la sustancia adquiere carga neta nula, tenemos que hacer la semisuma del pK del grupo alfa-amino y el pK del grupo amino radical, pues es entre ellos en los que aparece el zwitterión.
 
Obsérvese también que conforme nos acercamos a los pK, el aumento de pH comienza a hacerse poco notable. Tenemos ciertos momentos de fiesta, pero enseguida el pH vuelve a moderarse aunque sigamos añadiendo equivalentes. Esto es, ni más ni menos, que un efecto tamponador que poseen los aminoácidos. Es decir, los aminoácidos en solución puede funcionar como amortiguadores de pH, ya que en las proximidades a sus pK, los grupos captan y captan (o ceden y ceden) protones al medio que estamos intentando modificar, anulando nuestro influjo. Esto ocurre hasta un cierto punto, claro... llega un momento en el que las proporciones son demasiado altas y el pH empieza a dispararse hasta que un nuevo grupo se empieza a ionizar, pero esto permite mantener el pH estable en ciertos rangos, y la química celular juega mucho con esta propiedad.
...
 
En fin... nada que ver con la entrada de aminoácidos antigua... ><"
 

domingo, 15 de septiembre de 2013

Tejido sanguíneo

Si tienes entre 18 y 65 años, pesas más de 50 kg y tienes
buena salud te animamos desde aquí a que compartas un
poco de tu propia sangre. Puede que el número de deman-
das de sangre sólo en los hospitales de tu localidad te
sorprendiera.
La sangre, como todos ya sabemos, es el fluido más o menos viscoso, de color rojo que fluye por nuestras venas y arterias. Una persona adulta y normal tendrá un promedio de cinco litros de sangre que el corazón bombea a través de los vasos del sistema circulatorio para distribuir con ella nutrientes, moléculas de señalización, electrolitos y oxígeno a las células de todo el organismo y,  al mismo tiempo, retirar de su entorno sustancias de desecho, entre ellas el dióxido de carbono, para su eliminación.

La sangre consta de dos fracciones: una fracción líquida que llamamos plasma y una fracción celular de elementos formes. Las células sanguíneas y las plaquetas tienen una vida limitada, por lo que la mayoría son renovadas de forma diaria mediante el proceso denominado hematopoyesis (o "formación de células sanguíneas"). La hematopoyesis postnatal tiene lugar en el momento del parto en adelante y ocurre en la médula ósea de huesos como las tibias o el esternón, donde diariamente se crean y sustituyen, a partir de células madre hematopoyéticas, las células progenitorias que darán a su vez las precursoras de las distintas líneas celulares, bajo estricto control por citoquinas y factores de crecimiento. (Es un proceso complicado en el que no me voy a meter más).

Que la sangre está formada por un líquido amarillento y una serie de elementos celulares no es, a día de hoy, difícil de comprobar. Al centrifugar 100 ml de sangre en un tubo de ensayo heparinizado, se separa una fracción que contiene células y elementos formes y otra fracción líquida. Los 44 ml del fondo del tubo corresponden a los eritrocitos (glóbulos rojos); los 55 ml superiores tienen un aspecto amarillento translúcido que corresponde al plasma; entre ellos hay una capa de 1 ml formada por leucocitos (glóbulos blancos).
  • Esto nos sirve para aislar los distintos elementos de la sangre, lo cual se hace con más frecuencia de lo que te imaginas... por ejemplo, cuando una persona dona sangre, ésta no se inyecta directamente en el paciente, sino que se centrifuga para obtener las tres fracciones: así, una sola donación puede servir para unas tres o cuatro personas, ya que el plasma se dona a quien necesita plasma; los glóbulos rojos a quien necesita glóbulos rojos, las plaquetas a quien necesita plaquetas... incluso podría usarse para hacer medicamentos. Y es que la sangre no es posible sintetizarla de forma artificial en un laboratorio.
Por lo que estamos comentando, aunque la sangre tenga consistencia fluida sigue siendo un tejido: es una asociación de células inmersas en un medio extracelular donde crecen y se alimentan y desempeñan sus funciones en el cuerpo. Como tejido, tiene unas funciones muy importantes:
  • Transporta los nutrientes y el oxígeno extraídos del medio hasta las células.
  • Transporta reguladores hormonales, por lo que regula procesos fisiológicos.
  • Regula el pH por su condición de tampón, ya que en el plasma sanguíneo existe un equilibrio entre ácido carbónico (que se disocia fácilmente en agua y dióxido de carbono) y su base conjugada, el ion bicarbonato. Cuando se altera este equilibrio por adición de un ácido o una base, las concentraciones de ambas sustancias se reordenan hasta alcanzar el pH original de la sangre, próxima a la neutralidad pero ligeramente alcalina: 7,4.
  • Enfría órganos como el hígado o los músculos, donde se produce exceso de calor.
  • Actúa como defensa del cuerpo gracias a los glóbulos blancos, especializados en la detección y eliminación de patógenos.
  • Evita su propia pérdida a través de las heridas mediante mecanismos de coagulación.
Esta imagen corresponde a lo que se ve a microscopio
óptico con un frotis sanguíneo teñido con tinción de rutina
(hematoxilina-eosina). La hematoxilina tiñe de violeta los
núcleos y la eosina tiñe de rosa los citoplasmas. Los glóbulos
rojos aparecen teñidos de rosa porque pierden el núcleo
cuando se incorporan al torrente sanguíneo, en oposición
a los glóbulos blancos, que como se ve, tienen núcleos muy
pronunciados.
Aunque la sangre, cuando sale de una herida, aparezca como un líquido rojo y homogéneo, en realidad el plasma es un líquido más bien amarillento (formado en su mayor parte por agua y proteínas, entre las que destacan las globulinas, las albúminas y el fibrinógeno, una de las proteínas destinadas al proceso de coagulación). Lo que aporta el color rojo a la sangre es el hierro de la hemoglobina encerrada en los eritrocitos.

Los eritrocitos sanos, normales y corrientes, tienen aspecto de discos bicóncavos y son, con diferencia, las células sanguíneas más numerosas. Miden unos 7 micrómetros de diámetro, y su cantidad es variable.

Carecen de orgánulos, incluido el núcleo, cuando son maduros. Su función se limita al transporte e intercambio de oxígeno por dióxido de carbono y viceversa con los demás tejidos. Es una tarea posible gracias a la presencia de hemoglobina. Preferentemente, estas células ceden oxígeno y recogen dióxido de carbono en regiones con tensión baja de oxígeno y alta de dióxido de carbono (es decir, la mayoría de los tejidos corporales); y captan oxígeno y liberan dióxido de carbono en las regiones ricas en oxígeno y pobres en dióxido de carbono, como ocurre en los pulmones (todo cuestión de presiones parciales). La mayor parte del CO2 viaja disuelto en la sangre en forma de iones bicarbonato; una pequeña parte de CO2 viaja en el grupo globina de la hemoglobina (formando carbaminohemoglobina).
 
La hemoglobina es una proteína compuesta de cuatro
 cadenas. Dos alfa y dos beta. Cada una de ellas con un grupo
hemo
, a cuyo átomo de hierro (II) del anillo porfirínico
se puede unir el oxígeno.

En esta animación se ve en el círculo el grupo hemo de una cadena y cómo la unión (oxihemoglobina) y desunión (desoxihemoglobina) de una molécula de gas oxígeno altera a las cadenas vecinas. Este efecto se llama cooperatividad; aunque la afinidad al oxígeno de la hemoglobina, en principio, es baja, una vez unida las demás subunidades son estimuladas y la afinidad aumenta. Esto se refleja en una gráfica de unión sigmoidea.
  • La membrana de los glóbulos rojos, digo más por curiosidad, es más conocida que cualquier otra membrana de cualquier otra célula. Como los eritrocitos, tan abundantes y fáciles de conseguir, son básicamente una membrana plasmática con un citoplasma carente de orgánulos, solo tenemos que hallar la manera de vaciar su contenido y quedarnos con la plasmalema para poder estudiarla. Este fue el planteamiento y se consiguió sometiendo a estas células a bajas concentraciones salinas. Debido a la ósmosis, el agua entra en ellas y las hincha hasta hacerlas reventar, liberando la mayor parte del contenido, incluyendo la hemoglobina. Lo que queda de los glóbulos rojos se conoce como los "fantasmas de los eritrocitos", que es una membrana plasmática vacía. Gracias a estos "fantasmas" se ha podido ir conociendo las funciones de muchas proteínas que están ampliamente esparcidas en otras células (como canales o proteínas de unión al citoesqueleto), además de otras exclusivas de los eritrocitos.
Por su parte, los leucocitos varían de 6.500 a 10.000 por milímetro cúbico de sangre. Puedes tomarlos como los patrulleros del sistema circulatorio, aunque su función no está realmente en el torrente sanguíneo: sólo lo utilizan como medio de transporte, porque cuando llegan a su lugar de destino, atraviesan los capilares y vénulas para pasar al tejido conjuntivo subyacente donde se les indica que hay un patógeno suelto.
 
Se han establecido dos grandes grupos de leucocitos: agranulocitos, carentes de orgánulos específicos (linfocitos y monocitos), y granulocitos, con gránulos específicos (neutrófilos, eosinófilos y basófilos).
 
  • Los linfocitos son células con un gran núcleo redondeado, ligeramente más grandes que los eritrocitos y que son aproximadamente la cuarta parte de la población leucocitaria. Se distinguen tres tipos básicos, aunque hay más subtipos: linfocitos B, linfocitos T y células nulas. Todos están implicados en la respuesta inmunitaria. Los linfocitos T crecen y maduran en el Timo, y su función es reconocer patógenos y marcarlos para su destrucción. Los linfocitos B maduran en la médula ósea (Bone marrow) participan en la respuesta humoral, convirtiéndose en células plasmáticas sintetizadoras de anticuerpos cuando son estimuladas por un antígeno. El resto de células linfocíticas se dividen en células madre y linfocitos Natural-Killers (células NK).
  • Los monocitos se reconocen por su núcleo arriñonado y son las células de mayor tamaño en el torrente circulatorio. Cuando abandonan la circulación, pasan al tejido conjuntivo y se convierten en macrófagos, que fagocitan células muertas o células alteradas y patógenos invasores, ya sean antígenos inertes o microorganismos vivos. Secretan moléculas de señalización que inducen respuestas inflamatorias y la proliferación de células implicadas en la respuesta inmunitaria. Incluso pueden fusionarse unos con otros para convertirse en células gigantes capaces de fagocitar moléculas de mayor tamaño.
  • Los neutrófilos son más de la mitad de la población leucocitaria, y poseen un núcleo muy lobulado. Se trata de granulocitos, y en su citoplasma encontramos tres tipos de gránulos: gránulos específicos (constituidos por moléculas que usa la célula para destruir microorganismos), gránulos azurófilos (lisosomas, compuestos por enzimas hidrolíticas y oxidativas) y gránulos terciarios (rellenos de algunas glucoproteínas, alcaloides como catepsinas, gelatinasa...). Son atraídos por moléculas quimiotácticas que secretan células del tejido conectivo invadido. Tras haber destruido los patógenos invasores, los neutrófilos forman el pus junto con las bacterias muertas y el líquido extracelular.
  • Los eosinófilos son difíciles de ver porque conforman una porción bastante pequeña de la población leucocitaria. Cuando aparecen en un frotis sanguíneo, se reconocen por la abundante cantidad de gránulos específicos eosinófilos, de gran tamaño, y gránulos azurófilos similares a los lisosomas de los neutrófilos. Se encargan de destruir parásitos y fagocitar y degradar complejos antígeno-anticuerpo.
  • Los basófilos son todavía menos abundantes que los eosinófilos. Poseen un núcleo en forma de S, pero se reconocen por la abundante cantidad de gránulos teñidos de azul/púrpura de la hematoxilina: se trata de gránulos específicos con histamina, heparina, peroxidasa, proteasas neutras, condroitín-sulfato y factores quimiotácticos de neutrófilos y eosinófilos. Ponen en marcha respuestas inflamatorias con la liberación de la histamina y la heparina, algo parecido a la función de los mastocitos del tejido conjuntivo.
Finalmente, lo que llamamos plaquetas no se trata de células, sino que fragmentos celulares formados a partir de megacariocitos de la médula ósea. Intervienen en la coagulación sanguínea y la protección de vasos dañados. Cuando se injuria el revestimiento endotelial y entran en contacto con el colágeno, las plaquetas se activan y se fijan al área dañada (adhesión plaquetaria) y entre sí mismas (agregación plaquetaria). La formación del coágulo depende de la interacción de factores derivados del plasma, las propias plaquetas y el tejido dañado. Se trata de una cascada de factores que no voy a explicar porque (como todas las cascadas) son un rollazo increíble de leer.
Dejo varios videos, uno en español y otro en inglés, que me han resultado entretenidos.
 
 
 
 
Me despido con un tercer video de recapitulación. La verdad es que me considero muy afortunado, entre muchas otras cosas, por vivir en una época tan audiovisual (de "contenido multimedia", que dirían mis profesores...) y poder acceder a imágenes e información tan sorprendentes de forma tan fácil... ¿soy el único estudiante al que le pasa?