Transporte y Vida Media del mRNA y Splicing Alternativo.

Dejé la última entrada habiendo explicado, en líneas generales, el tema del Splicing y la composición de los genes en Exones e Intrones. En ésta voy a adentrarme en un par de cuestiones relacionadas con ello y cuya importancia es bastante grande.


Transporte y Vida Media.

El primero de los dos fenómenos que describiré es el del transporte de mRNA. Hasta ahora, todos los fenómenos sobre los que he tratado a nivel de biología molecular ocurren a nivel nuclear, en el interior del núcleo de la célula. Esencialmente, la célula eucariota presenta dos compartimentos claves y diferenciales, el núcleo y el citoplasma o citosol. Ya señalé que en el núcleo queda contenido el material hereditario, el DNA, que, como es lógico por lo que ya describí sobre Replicación y Transcripción, se encuentra acompañado de enzimas, RNA, nucleótidos y otras biomoléculas. Fundamentalmente, el núcleo es el contenedor de la información genética y el centro director de la expresión de ésta. Es en el núcleo donde se siguen y tienen efecto las instrucciones apropiadas que codifican los elementos reguladores de los genes y donde se obtienen los paquetes de información apropiada, en forma de RNA, para que la célula produzca las micromáquinas enzimáticas que deben operar en cada momento (ya sean constitutivas o específicas).

Sin embargo, como ya indiqué, el DNA es el mensaje inicial y total de la información genética y el mRNA es una forma específica y transitoria que originará las proteínas pero éstas no son producidas en el núcleo. Aunque no me adentraré todavía en el proceso de Traducción, indicaré que esto se debe a que los ribosomas, las macro-micromáquinas (valga el contrasentido) que interpretan los mRNA destinados a la producción de proteínas se hallan en el exterior del núcleo, libres en el citoplasma o asociados a un orgánulo celular, el Retículo Endoplásmico, y es en esa región exterior donde llevan a cabo el ensamblaje de las proteínas. Ya que mRNA y proteínas se producen en lugares diferentes y unas surgen a partir del otro, queda la pregunta de cómo llega el mRNA hasta el exterior del núcleo. La respuesta radica en dos puntos: secuencias específicas en las regiones terminales 3'-OH de los mRNAs y proteínas asociadas a los mismos, normalmente en los EJCs que mencioné anteriormente.

Figura 1. Imagen de las proteínas de los EJCs por su relación con el Transporte.

Estas señales permiten el paso de los mRNAs a través de los poros de la membrana nuclear. Estos poros son altamente selectivos en cuanto a los productos que permiten transitar a su través pero en su estructura incorporan algunas proteínas capaces de interactuar, bien con las proteínas señalizadoras de transporte o bien con las secuencias apropiadas del mRNA. Aunque esto sea algo que parece simple, es realmente clave para el funcionamiento celular, ya que sin ello no podría llegar a haber proteínas.

La cuestión de la Vida Media del mRNA, que he mencionado en el título, es también una cuestión relevante, aunque no una de las principales, fundamentalmente porque la información sobre las bases de este fenómeno no son claras: en efecto, se ha descrito una asociación entre ciertas secuencias del extremo 3' del mRNA y la vida media pero no está del todo claro si la base radica en la secuencia en sí o en las estructuras secundarias que forma. En cualquier caso, la vida media de un mRNA es una cuestión clave en la biología molecular, puesto que a mayor vida media, mayor producción de la proteína que codifica ese mRNA y, en consecuencia, mayores niveles estacionarios de ésta*.


Splicing Alternativo.

El otro punto principal de esta entrada es el del Splicing Alternativo. Ya mencioné de pasada la importancia de la estructura modular de los genes en los eucariotas pero en esta ocasión voy a enfatizar aún más esta cuestión. Esencialmente, los eucariotas han desarrollado a lo largo de millones de años y por las presiones selectivas oportunas, la capacidad de almacenar muchísima más información genética en el DNA disponible gracias a esa estructura dividida en exones e intrones. Aunque las bases teóricas indican que los intrones son espacio desechado, la realidad, como siempre, es menos estricta y éstos pueden incluir secuencias reguladoras de la expresión de los genes que indiquen inicio o fin de la Transcripción, haciendo que en un mismo gen aparezcan varias secuencias aptas para transcribir o concluir el proceso. Además, ciertas señales, en los mismos intrones o los exones, permiten ignorar ciertos exones en la Transcripción. La flexibilidad aportada por estas modificaciones en el proceso canónico es la base de un tremenda capacidad de almacenamiento de información, ya que significa que cada gen puede producir más de una proteína diferente al transcribirse en los mRNAs series de exones diferentes y eso sin incluir los efectos propios del Splicing en sí.

Figura 2. Ejemplos de cómo el Splicing alternativo de un mismo transcrito primario puede producir dos mRNAs diferentes (en este caso de dos formas de la troponina).

Figura 3. Cinco formas diferentes de Splicing de un mismo gen (pinchar para agrandar).

Esta expresión alternativa o diferencial de los juegos de exones de un mismo gen está, sobre todo, asociada a los casos de células de tejidos distintos y a la inducción por parte de señales externas, ya sean de los mismos procesos de desarrollo ontogénico del ser vivo o de tipo homeostático (como en el caso de la producción de hormonas relacionadas con el metabolismo de la glucosa en sangre: insulina y glucagón). La cuestión de la regulación de este Splicing alternativo hace que las cadenas de regulación se compongan de múltiples pasos que, incluso, pueden tener su origen en un evento del desarrollo embrionario por la distribución de un gradiente de proteínas en el óvulo que ya se produce mientras éste madura en los conductos ováricos de la hembra.

Figura 4. Formas Constitutiva y Regulada de Splicing alternativo. a)Splicing normal en la célula tipo 1 (que no expresa el represor)y alternativo en la tipo 2 (que si lo expresa). b) idem que a pero en este caso se trata de un Splicing alternativo por inducción.

En consecuencia, los fenómenos de Splicing Alternativo han permitido multiplicar la capacidad de almacenamiento de información del material hereditario al proporcionar un sistema de procesamiento de información que permite la reutilización de un mismo gen para producir proteínas con funciones diferentes.


*Una entrega próxima (la siguiente será la de Traducción) la dedicaré a comentar las cinéticas de producción de proteínas y cómo se regulan los niveles estacionarios de éstas, algo que es importantísimo para la vida celular.

Fenómenos Asociados a Transcripción.

En primer lugar, permitidme desearos a todos un feliz año 2008. Después del intermedio de las fiestas vuelvo a la carga en esta entrega con unos cuantos temas relacionados con la última entrada sobre Transcripción. Se trata de varios fenómenos asociados a este proceso, normalmente post-transcripcionales, y que lo modifican de forma más o menos sutil pero terminante y que a la hora de la expresión genética tienen una importancia bastante grande. Para poder organizar mejor esta columna, primero listaré los fenómenos y posteriormente entraré en detalle. Espero que todo sea lo más comprensivo posible.

Fenómenos Asociados a Transcripción:
-Formación del CAP 5' y Poli-adenilación.
-Elementos Reguladores de la Transcripción.
-Intrones.
-Splicing.
-Edición.


Formación del CAP 5' y Poli-adenilación.

Estos dos fenómenos ocurren secuencialmente durante la terminación de la transcripción en el caso de la RNApol II, la enzima que produce los mRNA, es decir, los RNA que originan las proteínas, y es, por decirlo de alguna forma, un etiquetado específico que permite su reconocimiento por otras enzimas del núcleo con las finalidades que ya veremos más adelante. De los dos fenómenos, la formación del CAP 5' es anterior a la poli-adenilación simplemente porque ocurre en el extremo que primero se forma según el proceso de transcripción, mientras que la poli-adenilación se da en el extremo 3', justo a partir del momento en que la RNApol ha alcanzado la señal de terminación y el transcrito primario es liberado.

Figura 1. Formación del CAP 5'.

La formación del CAP 5' es una adición de un nucleótido de guanina para formar un enlace 5'-5' entre los fosfatos del primer nucleótido del transcrito primario y los de este nucleótido añadido, lo que bloquea la reactividad de ese grupo trifosfato, entre otras cosas. Además, ese nucleótido es metilado en posición 7 de la guanina, lo que da un nucleótido modificado e invertido en el extremo del RNA que es único y exclusivo de los productos de la RNApol II y que, en consecuencia, indica que ese RNA se convertirá en mRNA y producirá proteínas.

Figura 2. Proceso de Poli-Adenilación.

La poli-adenilación, por otra parte, es simplemente la adición de una cantidad variable de nucleótidos con adenina (alrededor de 200, para los picajosos con los números) que son añadidos por la enzima poli-A polimerasa al interactuar con una proteína de reconocimiento de la señal de terminación del gen en el transcrito primario. Esa cola de poli-A (como es conocida vulgarmente) es reconocida, a su vez, por las proteínas de unión a poli-A, que la recubren y la blindan. En conjunto con el fenómeno anterior, esto indica que el transcrito primario se ha convertido en un mRNA y que, por tanto, tiene las marcas para producción de proteínas en el otro gran fenómeno de la biosíntesis de proteínas: la Traducción.


Elementos Reguladores de la Trascripción.

Aunque en la última entrada me referí de forma bastante general y abierta a los elementos reguladores de la Transcripción, quiero hoy hacer hincapié en una serie de cuestiones. Fundamentalmente, los elementos reguladores de la Transcripción no sólo se hallan curso arriba (en inglés upstream), es decir: antes de la posición de inicio de la Transcripción (y por tanto indicados con números negativos en las marcas de posición). Éstos pueden hallarse también curso abajo (downstream) respecto al mismo, e incluso curso abajo respecto al gen entero. Además, estos elementos no son sólo estimuladores (enchancers) sino que puede tratarse de represores.

Figura 3. Ejemplo de la abundancia y disposición de las secuencias reguladoras en diferentes organismos (bacterias, levaduras (hongos unicelulares) y humanos). La flecha indica el punto de inicio de la Transcripción.

Lo que hace que estos elementos reguladores actúen radica en su estructura por dos motivos generales: su estructura de nucleótidos, que puede hacer que formen estructuras tridimensionales complejas que hagan que las enzimas de la transcripción no puedan progresar (se caigan del DNA, separándose de él) o unirse al DNA; o que lo faciliten; y la unión de elementos en trans*, es decir, otras proteínas que hacen lo mismo o parecido a esas estructuras tridimensionales de antes, impidiendo la unión de Factores de Transcripción o favoreciéndola. La posición de estos elementos puede estar alejada del mismo gen debido a lo que tan machaconamente he repetido en otras ocasiones: la flexibilidad de la estructura tridimensional del DNA permite que elementos linealmente separados por muchos nucléotidos en el espacio queden próximos entre sí.

Figura 4. Ejemplo de cómo la disposición lineal de los elementos reguladores no refleja su importancia e influencia debida a la estructura tridimensional del DNA. El activador es un Factor de Transcripción en Trans. El gen comienza a transcribirse a partir de la región en gris oscuro del dibujo.

Intrones.

A la hora de hablar de los genes y cómo éstos se convierten en proteínas parecería que el gen es transcrito tal cual en mRNA y que luego éste se convierte en una proteína en la Traducción tal cual. Bien, permitidme aquí hacer una cierta disgresión y referirme a la naturaleza del conocimiento y cómo éste se comunica: en la mayoría de los casos, cuando se trata de instruir a otras personas y comunicar un conocimiento, lo normal es empezar por las generalidades y luego pasar a los detalles concretos, lo que hace, en líneas generales, que una persona más o menos iniciada tenga una colección de mentiras verdaderas. Al progresar en ese campo, claro, esa misma persona se dará cuenta de que lo que se le había contado o lo que había aprendido en el nivel anterior era cierto pero no del todo. En lo que ahora tratamos ocurre lo mismo.

Los genes no se transcriben tal cual siempre, por lo menos no es así en las Arqueas (un subgrupo de procariontes que se caracterizan por, habitualmente, ser habitantes de ambientes extremos y poseer metabolismos poco comunes) y en los Eucariotas. En estos organismos, aunque es especialmente importante en los Eucariotas, los genes poseen, a partir del punto de iniciación de la transcripción, una composición dividida en exones e intrones. Los exones son fragmentos de los genes que luego serán traducidos para dar lugar a la proteína, mientras que los intrones son fragmentos que están entre medias y que no codifican nada para la traducción. Esta estructura dual de los genes hace que existan fragmentos del DNA que al transcribirse luego estorben para la traducción, por lo que hace falta que se eliminen. No obstante lo anterior, esto proporciona una composición modular a los genes que tendrá importancia, como veremos más adelante.


Splicing.

Para la eliminación de los intrones antes de la Traducción, los mRNA deben atravesar un proceso denominado Splicing. El término exacto en castellano sería ayuntamiento (gerundio de ayuntar, que es formar una soga nueva al entretejer de los cabos de otras dos), sin embargo el término que ha cuajado es el anglófono, sobre todo porque ya tiene un sentido de especificidad bastante marcado.

El Splicing, esencialmente, es un fenómeno que ocurre entre uno de los extremos (el anterior o 5') del intrón y una posición interna de éste en la denominado sitio de ramificación y conjugado con la unión entre el extremo 3'-OH del exón anterior, que queda libre, y el 5' del exón posterior al intrón. El resultado es que los exones quedan ayuntados y el intrón se libera con una forma de lazada o bucle al formarse un enlace entre el extremo 5' y el sitio de ramificación.

Figura 5. Ejemplo de Splicing.

Existen por lo menos tres tipos generales de splicing: 1) splicing mediado por spliceosoma o nuclear, una maquinaria enzimática compleja parecida a la de la iniciación de la Transcripción lleva a cabo el plegado del mRNA y cataliza las reacciones; 2) auto-splicing de tipo I; 3) auto-splicing de tipo II. La diferencia entre estos dos últimos es la naturaleza de la estructura tridimensional formada por el propio RNA del intrón a la hora de catalizar su propia escisión (la de tipo I se denomina del bolsillo de Guanina por la intervención de este nucleótido y la estructura que se forma). Las dos formas de auto-splicing son más propias de las arqueas. Además de esto, puede también tener lugar Trans-splicing, en el que el exón de un mRNA se une al exón de otro mRNA diferente, como ocurre en los mRNAs de los tripanosomas (un grupo de parásitos eucariotas, como el que causa la malaria).

Figura 6. Los tres tipos de Splicing: nuclear por Spliceosoma, Auto-Splicing tipo II y Auto-Splicing tipo I (Bolsillo de Guanina).

En el Splicing hay dos implicaciones muy relevantes: en primer lugar la capacidad de auto-splicing que muestran algunos intrones refiere a la capacidad autocatalítica y catalítica del RNA, lo que sostiene la hipótesis de que el papel de las enzimas fue desempeñado originalmente por RNA en forma de ribozimas y por tanto este ácido nucleico pudo aportar la base para el desarrollo posterior de las enzimas/proteínas, más estables y eficientes energéticamente; en segundo lugar, en el splicing nuclear en eucariotas, en las juntas de unión de exones resultantes de la eliminación de los intrones se colocan ciertos complejos protéicos (los Exon Junction Complex o Complejos de Juntura de Exones) que marcan la posición en que se hallaban los exones después de su eliminación. La función de estos EJCs parece ser la de asegurar que no se han producido errores en el splicing y que el mRNA producido genera la proteína correcta. Esto se debe a que los EJCs son retirados por el ribosoma durante la Traducción; si no hay una señal de terminación incorrecta, todos ellos habrán sido retirados pero, si no es así y alguno permanece, se disparará un mecanismo de destrucción (Decaimiento Mediado por Secuencias Sin Sentido o Nonsense Mediated Decay) para eliminar este mRNA y que no siga produciendo proteínas alteradas.

Figura 7. Ejemplo de colocación de los EJCs (detallados varios de sus componentes) y su papel en exportación nuclear. Tomada de Hir et al., 2001. No se incluye el paso de desensamblaje durante la Traducción.

Indirectamente, y de ello tratará la próxima entrada, la estructura de los genes con exones e intrones permite el denominado splicing alternativo/diferencial, consistente en la producción de mRNAs definitivos que poseen unos u otros exones en función de diferentes factores a la hora de la Transcripción.


Edición.

La edición es un fenómeno consistente en la transformación de una base en otra en el mRNA. Esto rompe el dogma central de la biología molecular ya que se altera el mensaje genético entre el DNA y la proteína. La forma biologicamente más habitual de esta edición consiste en un cambio de Citosina por Uracilo, usual en plantas, sin embargo es también un fenómeno que puede ser diferencial entre tejidos, lo que cooperaría en la regulación de la expresión génica en los organismos.

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Salvo la figura 7., imágenes tomadas del Molecular Biology of the Gene (Fifth Edition) de Watson et al. Editado por Cold Harbor Laboratory Press a través de Benjamin Cummings (Grupo Pearson).

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Enlaces de Interés:

CAP 5'.
Poli-Adenilación.
Exones.
Intrones.
Edición.

Transcripción.

Hoy escribiré sobre el segundo proceso (en orden, no en importancia) más relevante de la Biología Molecular: la Transcripción. Sin embargo, en la última entrada traté sobre la Replicación pero dejé fuera un punto importante más por no complicar el contenido que por descuido propio, así que lo resolveré antes de adentrarnos en el otro tema.

Los Telómeros.

Si recordáis un poco la última entrada y cuando hablaba de los cebadores o primers para la replicación comenté que éstos servían para iniciar, como un punto de apoyo, como si dijéramos, la Replicación al ofrecer un extremo 3'OH para unir nucleótidos. Lo que no comenté fue qué ocurre con los primers una vez han cumplido su función. Pues bien, las DNApol normalmente tienen una función exonucleasa por la que eliminan nucleótidos, ya sea porque hay un missmatch (un desapareamiento o apareamiento erróneo por el que no hay enlaces de hidrógeno compatibles) o por otros motivos, como en el caso de los cebadores, por ejemplo.

La cuestión radica en que al eliminar estos cebadores, en los extremos de la hebra retardada de dobles hebras de DNA lineales, como es el caso de los cromosomas de células eucariotas, se produciría un acortamiento que reduciría la longitud de los cromosomas y una consecuente degradación del material genético de las células. Los extremos de los cromosomas reciben el nombre de telómeros y tienen una composición en la que interviene el DNA nuclear junto con ciertas proteínas de andamiaje especiales y, como se descubrió recientemente, RNA. La solución para el acortamiento de los telómeros se descubrió que radica en una enzima, la telomerasa. Esta enzima presenta en su estructura un fragmento de RNA complementario con el DNA telomérico, una de cuyas características fundamentales es que presenta patrones de repetición bastante particulares y que hacen que exista una buena complementariedad entre enzima y telómero. Una vez la enzima anilla en la posición apropiada, su RNA sirve de primer para elongar la hebra retardada, compensando el acortamiento de otra forma inevitable.

Dado que algunos estudios han relacionado el acortamiento de los telómeros con el envejecimiento celular y también se ha relacionado la telomerasa con la inmortalidad de las células tumorales cancerosas, se ha postulado que una activación controlada de la telomerasa podría, en efecto, permitir combatir envejecimiento y deterioro de de la salud. No obstante, es todo tremendamente hipotético por toda una serie de complicaciones inherentes a la expresión de este gen así como de los efectos aparejados al mismo (la cuestión misma de la relación con cáncer no es nada casual).


Transcripción.

El proceso de la Transcripción es uno de los fenómenos más importantes en la biología. Este proceso consiste, esencialmente, en la producción de RNA transcrito a partir del DNA como molde de referencia. Al igual que en el caso de la Replicación, existen diferentes RNA-polimerasas (RNApol) pero en éste cada enzima tiene una función normalmente relacionada, de forma expresa, con un tipo de RNA diferente dentro de una serie de grupos. El RNA producido directamente a través de la Transcripción es siempre denominado como Transcrito Primario, ya que normalmente sufren modificaciones posteriores que serán objeto de otra entrada.

El proceso ocurre en tres fases canónicas: Iniciación, Elongación y Terminación. El paso de Iniciación consiste en la unión de todos los Factores de Transcripción (TF) oportunos al DNA; éstos son, en general, proteínas que se producen de forma constitutiva (continuada) o regulada por factores internos o externos. El posicionamiento de estos Factores de Transcripción sobre la hebra se da de acuerdo con secuencias prefijadas en los procariotas y eucariotas (en los procariotas es canónica la secuencia de Shine-Delgarno, por ejemplo, y en eucariotas la caja TATA) que aparecen en diferentes combinaciones, denominadas motivos y cajas y que constituyen lo que se denomina Promotor. La unión de los TFs apropiados permite, posteriormente, la unión de la RNApol que corresponda al gen, la unión de un primer de RNA y que se produzca la elongación.

Figura 1. Unión de los diferentes TFs (Factores de Transcripción) típicos de RNApol II en Eucariotas. Pinchad para aumentar la imagen.

Figura 2. Promotor típico de RNApol II. Los números indican distancia al punto de inicio del gen y de la transcripción. Los elementos con más de una letra en una misma posición indican que el elemento puede tener más de una secuencia válida.

La Elongación es, simplemente, la prolongación de la hebra de RNA a partir del primer en correspondencia complementaria con el DNA. Esto hace que la hebra que se transcribe, siempre, sea la hebra anti-sentido del DNA de cada gen, ya que el transcrito primario será siempre igual que el gen en la hebra con sentido.

Figura 3. Esquema general del proceso de Transcripción. Pinchad para aumentar la imagen.

La Terminación, el último paso del proceso, es la conclusión de la Transcripción, que se produce por el reconocimiento de ciertas secuencias y motivos en el extremo terminal de los genes y que producen el desacoplamiento de la RNApol.

Los detalles más relevantes del proceso estriban en que la Transcripción ocurre en ambas hebras y en sentidos completamente opuestos. De hecho, en procariotas y en mitocondrias y cloroplastos (orgánulos de las células eucariotas) la Transcripción puede ocurrir en un mismo gen en las dos hebras, lo que representa un enorme ahorro de espacio. Además, al producirse RNA a partir de DNA los nucleótidos de Adenina son complementados con nucleótidos de Uracilo, por lo que en la secuencia, aunque sea complementaria de la hebra con sentido, tiene U donde antes había T.

Por otro lado, hay un par de detalles bastante importantes que diferencian la Transcripción en Eucariotas y en Procariotas. En Procariotas, por ejemplo, el RNA transcrito para mRNA puede ser policistrónico, es decir, codificar varios genes a la vez en una misma hebra que luego son traducidos como proteínas separadas. En los Eucariotas esto nunca ocurre, cada proteína se transcribe y se traduce como una proteína separada. Sin embargo, muchos genes eucariotas tienen diferentes señales de iniciación y/o finalización de Transcripción, por lo que un mismo gen puede codificar diferentes proteínas al variar la longitud del transcrito correspondiente, lo que ocurre, normalmente, en función de los TFs que se acoplen al DNA en uno u otro extremo. Esto último ocurre por la interacción de diferentes factores y suele ser un fenómeno propio de genes con una regulación muy fuerte, propia del desarrollo de tejidos y órganos, o asociada a condiciones especiales que requieran adaptación de la célula.

Como conclusión, me gustaría señalar que este fenómeno es un reflejo de la enorme complejidad conceptual de la biología. El hecho de que las propias instrucciones de montaje de las piezas-máquinas que permiten la misma vida (las enzimas y proteínas) tengan una forma de regulación y control de su expresión con tantos niveles y que acumula una cantidad de información tan enorme es algo realmente asombroso dado que queda lejísimos de los más eficientes de los diseños informáticos. Sin embargo, tampoco hay que asombrarse, ya que en eso la vida nos lleva millones de años de ventaja y afinamiento y su proceso de control de calidad ha sido mucho más restrictivo que el de cualquier compañía de software.

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Imágenes tomadas del Molecular Biology of the Gene (Fifth Edition) de Watson et al. Editado por Cold Harbor Laboratory Press a través de Benjamin Cummings (Grupo Pearson).

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Enlaces de Interés:

Telómeros.
Transcripción.
Factores de Transcripción.

Replicación y Niveles de Organización Superiores del DNA.

Bienvenidos de nuevo. Lamento que la actualización de esta semana haya caído tarde pero intentaré compensar este puente y adelantar entradas. Esta semana ha sido un poco agobiante en el trabajo. De hecho creo que voy a recurrir más habitualmente a escanear imágenes de algunos de mis libros para poder ganar tiempo.

En esta entrada vamos a tratar sobre dos cuestiones bastante relevantes, aunque no serán de mucha extensión. El primero, sobre el que comenté alguna cosa en la última columna, es el de la Replicación, es decir, cómo el DNA se perpetúa molecularmente y es copiado para producir el doble de material y, así, las células puedan dividirse y cada célula surgida de la original pueda tener el mismo material genético (tanto en contenido como en cantidad) que la progenitora.

Replicación.

Ya comenté al escribir sobre los nucleótidos que la forma trifosfato (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) de los desoxinucleótidos son la forma que se emplea para la polimerización del DNA y, por lo tanto, en el caso de la Replicación, ocupan un papel fundamental. Esos fosfatos de las moléculas acumulan energía química que permitirá los enlaces y la consecuente construcción de la molécula en toda su extensión pero el proceso de Replicación, y la polimerización en general, requiere algo más que los desoxinucleótidos-trifosfato (dNTPs) y el ADN original como molde, también exige un cebador o primer para el inicio del proceso. Este cebador es un fragmento pequeño de DNA, aproximadamente de 20 bases de longitud, cuya secuencia no es específica y que se complementa con las hebras de DNA. Este cebador permite la unión de los dNTPs por la enzima DNA-polimerasa (DNA-pol; que posee isoformas también para otros procesos, como la reparación del DNA cuando hay daños o para el DNA mitocondrial y para otros procesos), extendiendo una hebra de forma que al final del proceso se obtiene el doble de material que al principio.

Figura 1. Rendimiento de la Replicación: como se puede ver, el material heredado por las células originadas en la división es mitad nuevo, mitad antíguo.

No obstante, hay sutilezas en el proceso con consecuencias importantes: para empezar, la DNA-pol lee en sentido 3'-5', mientras que sintetiza en sentido 5'-3', esto es así en las dos hebras del DNA, lo que hace que una de las dos hebras sea sintetizada a trozos (hebra retardada) mientras que la otra lo es del tirón (hebra contínua). Esto ocurre así porque la DNA-pol forma un macrocomplejo compuesto por dos unidades de la DNA-pol, una topoisomerasa/helicasa (una enzima que separa las dos hebras de DNA rompiendo los enlaces de hidrógeno), un pequeño complejo (complejo Gamma) que coloca proteínas en la hebra retardada de DNA para estabilizarla y evitar que renaturalice con la contínua; y una proteínas que mantienen el resto unidas entre sí. Este macrocomplejo crea lo que se denomina una horquilla de Replicación.

Figura 2. Gráfico con el modelo de la horquilla de Replicación del DNA. Se pueden apreciar en amarillo las proteínas SSB (colocados por el complejo gamma en azul) estabilizando la hebra retardada y en naranja y verde discontínuo los fragmentos de Okazaki.

Los fragmentos de DNA que complementan la hebra retardada se denominan fragmentos de Okazaki. Estos fragmentos tienen una longitud limitada pero regular debido a que son producto de la geometría del complejo de la horquilla de Replicación. Aunque en principio la producción de los fragmentos de Okazaki podría sugerir que la hebra retardada queda como discontínua, la DNA-pol posteriormente los enlaza entre sí con un pequeño gasto de energía formando así una hebra coherente.

Lo interesante del proceso de Replicación es que bastantes de los elementos que podemos observar en este proceso aparecen posteriormente en otros procesos relacionados con el DNA, como puede ser en la reparación del DNA, en la Transcripción y en la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR), sobre las que escribiré más adelante.

Cromatina.

Los niveles de organización superiores del DNA a los que me refiero en el título son las formas del DNA que aparecen en las células eucariotas (con auténtico nucleo y endomembranas) a partir de la estructura de la doble hebra que ya describí anteriormente. Su importancia va más allá de una simple cuestión de organización para ahorrar espacio, como explicaré más abajo. La primera estructura que forma el DNA después de la doble hebra es la que se denomina estructura nucleosomal. Los nucleosomas son unidades regulares formadas por el DNA y unas proteínas, muy conservadas filogeneticamente (o sea, a lo largo de la evolución), denominadas histonas. Las histonas (H2A, H2B, H3, H4) forman un octámero alrededor del que se arrolla el DNA de una forma bastante regular (en número de bases) y que se cierra por la quinta histona (H1). La Hebra de DNA e histonas es lo que se denomina estructura de collar de perlas. Esta estructura puede compactarse, que es lo que ocurre en el nivel de fibra de 30nm (nanometros). A su vez, esta fibra es la forma de unión a las proteínas de andamiaje (scaffolding) que dan la base estructural física de los cromosomas.

Imagen que aclara los niveles de organización del DNA en la Cromatina.

El conjunto de DNA y proteínas que conforman los cromosomas son lo que se denomina cromatina y el estado de compactación tiene una gran importancia funcional por una cuestión puramente física. Cuanto más compactado se halla el DNA, menos accesible es este para las enzimas que se ocupan de la Replicación y de la Transcripción, ya que no disponen de espacio para unirse al DNA y poder realizar su función. Aunque en los primeros tiempos del estudio de la compactación de la cromatina se creía que era un fenómeno sólamente asociado al gran cambio de compactación que ocurre al entrar la célula en mitosis (los cromosomas se compactan extraordinariamente para el proceso de división celular ya que deben repartirse por igual entre una célula y otra), la realidad es más compleja y los cromosomas alteran su estado de compactación de forma selectiva con fines funcionales de expresión genética, por lo que esta forma física de impedir el acceso de las enzimas de la Transcripción al DNA es un nivel más de regulación de la expresión de los genes.

Es en este nivel de regulación en el que las histonas muestran por qué tienen tal importancia: las histonas presentan unas colas que sobresalen de la estructura del octámero nucleosomal y que pueden ser objetivo de modificaciones de diferente tipo: acetilación, metilación SUMOilación. Estas modificaciones alteran la hidrofobia o hidrofilia de las colas, que se doblan sobre el nucleosoma y por tanto lo cierran o lo abren, participando en la regulación de la expresión genética a un nivel fundamental. Esta es una de las cuestiones que justifican la importancia de la conservación de las histonas y que unen el concepto estructural y el concepto funcional.


Enlaces de Interés:
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Nucleosomas.
Histonas.
Cromatina.

Biomoléculas (V).

Nucleótidos.

Llegamos al final del primer gran tramo de la bioquímica, las entradas dedicadas a las biomoléculas, y por fin nos adentraremos en el campo de la biología molecular. La columna de hoy está dedicada a los ácidos nucleicos. Los ácidos nucleicos son dos tipos de moléculas, fundamentalmente, el DNA/ADN* o Ácido DesoxirriboNucleico; y el RNA/ARN o Ácido RiboNucleico. Fundamentalmente, DNA y RNA comparten la misma estructura polimérica en la que los monómeros son los nucleótidos. Cada nucléotido se compone de una pentosa, Ribosa en el RNA y Desoxi-Ribosa en el caso del DNA (la diferencia entre ambas es que en la Ribosa hay un grupo hidroxilo más en el carbono C2'), que une en su carbono C5' entre uno y tres fosfatos, a través de enlaces éster; y en su carbono C1' una base nitrogenada del grupo de las purinas o del de las pirimidinas mediante enlace glucosídico (la numeración se indica con un apóstrofe o signo de prima porque los carbonos principales son de la base nitrogenada). Las bases nitrogenadas son, en tres casos, las mismas para ambos ácidos nucleicos: Adenina, Citosina y Guanina. La cuarta base varía, siendo la Timina para el DNA y el Uracilo en el RNA.

La polimerización de los nucleótidos es muy estereotipada: los fosfatos en 5' unen siempre con otros nucleótidos por el hidroxilo 3'. Esto hace que se forme siempre una cadena con el eje pentosa-fosfato y las bases nitrogenadas en el lado. La diferente combinación de las bases nitrogenadas, por otro lado, es lo que compone el mensaje genético en un formato u otro (DNA o RNA). La cuestión es que las bases nitrogenadas presentan diferentes cargas en sus anillos, lo que da pie a la formación de diferentes oportunidades para enlaces de hidrógeno. Normalmente, esos puentes de hidrógeno se cierran entre Citosina y Guanina, por una parte, y entre Adenina y Timina o Uracilo por otra. Además, los nucleótidos no sólo tienen el papel estructural en los ácidos nucléicos sino que también tienen funciones energéticas y de señalización: el ATP (Adenosin-TriFosfato) es la molécula fundamental de transferencia de energía en los seres vivos en virtud de toda la energía química que se acumula en los enlaces entre los fosfatos 2 y 3 (lo que ocurre, precisamente, en forma de activación de mecanismos enzimáticos al proporcionar la energía para la transición de estado de las reacciones catalizadas que comentaba en la última entrega) pero además es una molécula que actúa como señalizador y segundo mensajero al convertirse en la forma cíclica de AMPc (Adenosin-MonoFosfato cíclico).

Después de lo expuesto, se puede comprender que los nucleótidos son esenciales para toda forma de vida conocida pero ¿por qué dos tipos de moléculas? EL DNA es, fundamentalmente, el material genético permanente de las células (en el núcleo cuando hay uno, sobre todo) y el RNA es un material producido a partir del DNA con diferentes funciones. Normalmente, según el Dogma Central de la Biología Molecular, el DNA es el molde para la producción de RNA y éste es la forma de transmisión del mensaje genético dentro de la célula para producir proteínas. Esto lleva implícita una jerarquía por la que el RNA nunca induce cambios en el DNA, lo que no es cierto del todo (la excepción está en los retrovirus, que llevan RNA y una enzima, la transcriptasa inversa, que produce DNA a partir de RNA) pero que, a grandes rasgos, es válido en lo que nos concierne. El DNA se mantiene como los planos completos de las células a partir de los que se producen planos parciales con los que producir las piezas.

DNA y RNA.

Entre las características del DNA está que es duplexo: forma una doble helicoide sostenida por los puentes de hidrógeno entre Guanina y Citosina (3 puentes) y entre Adenina y Timina (2 puentes) en la que una cadena será denominada como cadena con sentido y la otra como cadena anti-sentido. La helicoide será más estable cuanto mayor sea la proporción de G+C y menor la de A+T. El equilibrio entre estabilidad y flexibilidad tiene su importancia para ciertas interacciones pero el hecho de que sea duplexo lo diferencia categoricamente del RNA. El RNA rarisimamente es duplexo: se produce casi siempre (otra vez la excepción son los virus) a partir de un DNA molde y en forma simplexa.

La estructura duplexa del DNA, esa doble helicoide que nos resulta tan familiar ahora, fue un hallazgo fundamental porque permitió todo el desarrollo posterior de la biotecnología al revelar la replicación semiconservativa del DNA (es decir, que el DNA en las células en división se duplica empleando las dos hebras originales como molde para otras dos siguiendo la complementariedad A+T C+G y, así, en las células que se originan a partir de la original, la mitad del DNA es viejo. Además, la estructura de doble helicoide tiene unas propiedades en cuanto al paso de vuelta y el sentido de giro que son bastante uniformes (aunque haya en realidad varias formas conocidas dextrógiras y una levógira, por lo menos, la Z, nombradas por letras del alfabeto y que tienen que ver con fenómenos de la biología molecular).

El RNA, por otra parte, es un material más complejo en la variedad de moléculas que lo componen. Existen, no obstante, tres variedades mayoritarias diferentes, mRNA (RNA mensajero), tRNA (RNA transferente) y rRNA (RNA ribosomal). El primero es el producto de la Transcripción, es una hebra de RNA producida a partir de la cadena anti-sentido como molde (la nomenclatura de sentido y anti-sentido se refiere sólo a que la hebra de DNA coíncide con el mRNA pero tiene importancia en los fenómenos que veremos posteriormente) y que es la forma de expresión de los genes. El mRNA es, precisamente, procesado en los ribosomas (pequeños orgánulos compuestos por proteínas y rRNA) para producir las proteínas en la Traducción con participación de los tRNA. La mejor forma de visualizar esto es de la siguiente forma: el DNA es la base de datos central con los planos generales de la célula, a partir de esta base de datos central se producen planos parciales que corresponderían a las piezas de la célula, las proteínas. Los planos parciales son enviados desde el núcleo en forma de mRNA y leídos en los ribosomas, que serían los lectores y ensambladores de las proteínas. Los tRNA son los elementos portadores de los aminoácidos, los repartidores que proporcionan éstos para formar las proteínas. La interacción entre la estructura secundaria de los tRNA y los rRNA de los ribosomas ajusta la entrada de los primeros en los los sitios funcionales de estos orgánulos mientras que los extremos sensibles de los tRNA encajan con los mRNA como tripletes.

Por el momento, dejo aquí el tema. Los procesos de biología molecular necesitan algo más de trabajo y la columna se ha alargado bastante. Además, mañana es mi cumpleaños y creo que me puedo permitir la indulgencia.

Referencias interesantes:

Nucleótidos.
DNA.
RNA.

*Nota personal: reconozco que ahora uso más la forma inglesa por manejo habitual de los artículos y publicaciones pero he tardado los séis años de carrera en quitarme el hábito de usar las siglas en castellano.

P.S.: como no tengo ahora mismo otra tribuna para expresar mi asombro, utilizo ésta, vaya. He visto en un corte de los Algos previo a Nada por Aquí, de Cuatro, a uno de los muñecos invocando a Azathoth y a Shub-Niggurath. Definitivamente, los creativos están infiltrados.

Biomoléculas (IV).

Se va acabando: esta entrada corresponde a las proteínas, la penúltima dedicada al repaso elemental de las biomoléculas y, sin embargo, casi diría que la más importante. Seguro que habréis oído hablar sobre la importancia de las proteínas de una forma muy difusa porque los lípidos y los glúcidos siempre se han asociado a la energía pero las proteínas no han tenido un papel tan obvio al que asociarlas. En esta columna voy a intentar despejar las dudas al respecto para que podáis comprender la grandísima importancia de las proteínas.

Composición y Estructura.

Las proteínas son, químicamente, polímeros de aminoácidos. Los aminoácidos son moléculas orgánicas relativamente sencillas cuya característica unificadora es la presencia en todos de un grupo carboxilo y un grupo amino, de lo que derivan su nombre. El grupo carboxilo y el grupo amino se unen al carbono C2 y, de forma mayoritaria en los seres vivos, son L-aminoácidos, ya que, como en el caso de la estructura lineal de algunos glúcidos, para ir del carboxilo al amino se gira levogiramente (al contrario que las agujas del reloj). El resto de la molécula, el resto o resíduo del aminoácido, es la parte diferenciadora. Existen alrededor de 20 aminoácidos (22, si mi memoria no falla) corrientes y comunes en la biología de todos los seres vivos conocidos definidos por sus restos. Estos restos, a la vez, pueden agruparse en polares ácidos, polares básicos y apolares (pero cuidado, que la carga eléctrica es luego otra cuestión. Esta lista de la wikipedia no está mal).

La forma de polimerizar de los aminoácidos os parecerá parecido a las de los glúcidos, aunque el nombre que recibe es diferente. El enlace peptídico se forma entre el -OH del carboxilo de uno de los aminoácidos y un H del grupo amino del siguiente aminoácido, desprendiéndose agua en el proceso. Mediante la repetición de estos enlaces se forma la Estructura Primaria de las proteínas, la cadena lineal formada por los aminoácidos que las componen. Sin embargo, las interacciones electrostáticas entre los resíduos de los aminoácidos complican las cosas: la Estructura Secundaria es el producto de la atracción y/o repulsión entre los átomos de los restos que componen la proteína, de ahí que sea importante la polaridad (hidrofobia o hidrofilia) y la carga (ácida o básica) de estos resíduos. Se han descrito dos formas de Estructura Secundaria básicas y mayoritarias: alfa-hélice y beta-lámina: la primera es una helicoide en la que los resíduos quedan hacia el interior del eje formado por los carbonos unidos por los enlaces peptídicos, sosteniéndose por los enlaces de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals entre ellos. En el caso de la beta-lámina la cadena lineal se dispone en paralelo y sobre un mismo plano al volver sobre sí misma una vez o más. Naturalmente, hay dominios de la proteína que no caen en niguna de las dos formas, limitándose a la forma lineal pero dotando de plasticidad a la proteína (y normalmente se puede aludir a estas regiones como dominios hinge o bisagra).

Las interacciones entre las estructuras secundarias de la proteína y a la vez con el medio intracelular son las que generan la Estructura Terciaria. Esta estructura es el plegamiento en el espacio (tridimensional) de la proteína y determina la forma final de la misma en la mayoría de los casos. Se trata de la mayoría de los casos porque ciertas proteínas aún presentan una Estructura Cuaternaria que resulta de la unión electrostática de varias proteínas, que pasan de ser proteínas de por sí a subunidades protéicas. Por supuesto, lo que referí en la entrega anterior sobre la termodinámica y la probabilidad de establecer estos enlaces y estas estrcuturas en el espacio se aplica aquí.

Funciones.

Lo más importante sobre las proteínas es el conjunto de papeles que desempeñan en los organismos vivos. Aunque normalmente se hace una distinción a grandes rasgos entre proteínas estructurales y enzimas, esta división es sólo una arbitrariedad para poder operar y manejar un conjunto que tiene un amplio espectro, en realidad, porque todas las proteínas tienen un papel estructural en parte y un papel enzimático en parte.

El papel estructural se debe a que, obviamente, son componentes de la estructura física de la célula, aunque sea como proteínas solubles, ya que éstas tienen que ver con la ósmosis y ayudan a regular el estado de equilibrio osmótico de la célula. Aquellas que forman parte de una membrana tienen un papel más evidente pero las que son la máxima representación del papel estructural son aquellas que forman el citoesqueleto (sobre el que escribiré más adelante, por ahora baste con indicar que es el elemento que sostiene la superestructura de la célula y sirve de vía de transporte de las vesículas).

En cuanto a las enzimas... Bueno, la mayoría de las proteínas, como ya indiqué, tienen un papel enzimático, la cuestión es cómo definir lo que es una enzima de forma facilmente accesible a los legos. En el Suplemento de Física aclaré unas cuestiones de termodinámica pero dejé en el tintero (electrónico, claro) referirme a la Energía de Activación. Las reacciones químicas, para ocurrir, requieren una energía de activación para pasar del estado inicial de los reactivos, al estado final de los productos. Cuando las reacciones son espontáneas en la naturaleza (y tienen por tanto un valor negativo de G), ocurrirán antes o después pero antes debe superarse una cierta energía de activación (es decir: el valor de entropía multiplicado por la temperatura, como se seguía de la fórmula de cálculo de G, debe ser mayor que el valor de H y por tanto ser negativo). Esa energía de activación, cuando las reacciones son espontáneas o se les aporta energía externamente, se alcanza porque se provee a las moléculas de los reactivos de la excitación y energía suficiente como para que cambien sus enlaces y den lugar a los productos. Esto, en la naturaleza, ocurre porque la Entropía, la medida del caos molecular y de la energía que se consume en la realización de trabajo útil (la transformación de reactivos en productos, en este caso), tiende a ser máxima con el transcurrir del tiempo. Es lo que se conoce como Segundo Principio de la Termodinámica y la extensión de su argumento resulta en que el Universo un día se deshará en una sopa de materia simple aderezada con radiación infrarroja de fondo.

Pero eso última era divagación sobre la que, con suerte, volveremos otro día. En la cuestión de las Enzimas que nos ocupa ahora todo esto tiene relevancia porque las proteínas con algún papel enzimático actúan como catalizadores, es decir, actúan como moléculas que, en una reacción, rebajan la energía de activación favoreciendo que se alcance la energía que produce la transformación de los reactivos en los productos antes y, en consecuencia, acelerándola. Además, como catalizadores, no se ven modificados en el transcurso de la reacción, permaneciendo al final iguales a como eran al principio (lo que no quita para que se produzcan modificaciones covalentes durante la reacción que luego reviertan: la enzima, en ese caso, actuaría como una molécula intermedia de transición).

Como toda esta charla de reactivos y productos puede resultar árida prefiero introducir aquí mi propia imagen de lo que son las enzimas y, por tanto, la mayoría de las proteínas: las enzimas son nanomáquinas o máquinas de tamaño molecular. Son los servo-motores, engranajes, relés y partes móviles de la gran maquinaria vital que es la célula. Las enzimas transforman los glúcidos en CO2 y agua produciendo los compuestos que almacenan la energía química con la que funcionamos (el ATP/GTP y el NADH+H, que trataré en alguna entrega futura); forman los motores de las vesículas de las células (hay unas cuantas peliculitas sobre esto que se pueden ver por internet si introducís en Google: vesicle movement movie, si os interesa); son los agentes de la contracción muscular (actina y miosina en este caso concreto) y los puertos de comunicación entre células y las antenas receptoras de señales hormonales. Sin las proteínas no tendríamos metabolismo ni, por extensión, vida, y son tan esenciales para nosotros que indicar cualquier función del organismo es indicar un proceso en el que hay proteínas implicadas: demasiadas para enumerarlas todas aquí, por lo que indicaré cuando progresemos en los niveles de organización. En estos últimos dos años (y en los últimos veinte, si nos remitimos a la literatura de ciencia-ficción que se dedicó a adelantarnos el presente en los años ochenta) se ha oído hablar mucho de nanotecnología y máquinas moleculares pero lo cierto es que todo eso ha existido desde hace millones de años y se ha diversificado y afinado de las maneras más complejas y eficientes posibles por la Evolución y los procesos de la Selección Natural. Aunque ahora algunos intenten imitarlo mucho van a tener que correr para llegar a los rendimientos de la simple naturaleza.

P.S.: me referiré más adelante a las isoformas de las enzimas. Que os suene el término, sólamente, de momento, como no he señalado nada específico, no necesitáis saber más.

Ah, echad un ojo a este enlace. A mí me ha divertido mucho.

Suplemento de Física.

Un de las entradas pasadas era el suplemento de química orgánica, para proporcionar cierta base sobre los grupos orgánicos más habituales en las biomoléculas. No era nada complicado y si era necesario para los que tengan la materia olvidada o aparcada. La de hoy es una actualización breve pero que está dedicada a revisar unas partes fundamentales de la física que opera en la biología.

Termodinámica.

La primera parte es la Termodinámica, que, a pesar de las descripciones tradicionales, se puede entender como la rama de la física que estudia los procesos químico-físicos y los flujos de la energía durante las reacciones químicas. La parte que nos atañe concierne a una parte pequeña de la termodinámica, concretamente, la que hace referencia a uno de sus potenciales: la Energía Libre de Gibbs. La Energía Libre de Gibbs determina, como valor, la probabilidad de que una reacción o sistema de reacciones químicas ocurran en la naturaleza. La ecuación de la Energía Libre de Gibbs es:

En esta ecuación, H es la entalpía, la Energía disponible dentro de un sistema (la reacción a la que atañe) para realizar Trabajo (en este caso sería el curso de la reacción en el sentido indicado, por ejemplo: 2 H2 + O2 --> 2 H2O tendría un valor de H); T es la temperatura; y S es la Entropía del sistema (que mide el caos a nivel molecular y el desgaste de la energía para producir un trabajo útil). El valor resultante en G puede ser positivo, negativo o cero, y ahí está el punto clave de lo que nos importa: las reacciones con G negativa ocurren espontáneamente en el sentido en que han sido escritas; las que tienen valor cero se hallan en equilibrio; y las que tienen valor positivo no ocurren en el sentido indicado de forma espontánea (claro que pueden ser forzadas aportando energía desde fuera, ya que ese es el significado de la temperatura en este caso).

Todo lo indicado sobre termodinámica es importante porque se aplica en bioquímica tanto para reacciones entre moléculas como para el cálculo de la probabilidad de que se establezcan enlaces intermoleculares no covalentes. Esta expresión que parece complicada hace sólo referencia a los enlaces entre moléculas basados en las fuerzas electrostáticas generadas por la carga eléctrica resultante en los átomos de las diferentes moléculas. Por ejemplo, los enlaces de hidrógeno son las fuerzas que sostienen la estructura del agua y son claro ejemplo del resultado de electronegatividad y electropositividad pero también abundan las fuerzas de Van der Waals. Esta relación entre las fuerzas electrostáticas no covalentes intermoleculares y el cálculo de su espontaneidad mediante la energía libre de Gibbs es la base del cálculo de la probabilidad de las estructuras bidimensionales y tridimensionales en proteínas, ácidos nucléicos e incluso estructuras más complejas, como las membranas biológicas.

Difusión y Ósmosis.

La difusión es el tránsito de moléculas de una substancia, líquida, en disolución o gaseosa, de un punto del espacio a otro de acuerdo con la termodinámica y el espacio disponible. Es un fenómeno que ocurre de forma natural de acuerdo con un gradiente de concentración, es decir, desde donde está más acumulada (concentrada) la substancia a donde lo está menos. La difusión, en términos de física, sigue la ecuación de la Ley de Fick:

En esta ecuación, J es el flujo en cantidad de materia (por ejemplo moles, o sea el Número de Avogadro de moléculas de la substancia) dividido por unidad de superficie y unidad de tiempo; D es el coeficiente de difusión (en unidades de superficie divididas por unidad de tiempo); Phi/Fi es la concentración (en unidades de materia divididas por unidades de volumen); y x es la posición. Básicamente, lo que ocurre es que, naturalmente, las moléculas de los líquidos, gases o sólidos en disolución tienden a ocupar el espacio disponible de forma uniforme (es decir, el mismo número por unidad de volumen) de forma natural (termodinamicamente espontánea).

Lo relativo a la difusión es de gran importancia en el fenómeno biológico de la ósmosis. Normalmente se habla de la ósmosis en noticias y de forma más o menos coloquial y supone, aproximadamente, lo mismo que difusión. No, no es así del todo. La ósmosis es la difusión de agua a través de una membrana semipermeable, es decir, una membrana que es selectiva respecto a las moléculas que pueden traspasarla. Es un concepto clave en la biología y que se aplica, sobre todo, a solutos iónicos a ambos lados de una membrana. En general, como ya relataré, las membranas biológicas son permeables a agua y gases pero son más selectivas frente a los iones por las propiedades derivadas de su composición, lo que hace que un determinado ión o molécula esté en concentraciones diferentes a ambos lados de la membrana. Eso, en el caso de los iones, tiene como consecuencia principal la generación de una diferencia de carga y el consecuente potencial eléctrico, una de las características intrínsecas de los seres vivos.

A la vez, como consecuencia de la semipermeabilidad de las moléculas, ocurre que las diferentes concentraciones de iones se intenten igualar con ese tránsito de agua también de forma termodinamicamente positiva (y por lo tanto espontáneamente). El agua, así, circulará desde el lado de la membrana con menor concentración (hipotónico) al lado con mayor concentración (hipertónico), hasta alcanzar la igualdad de concentraciones a ambos lados (isotonía). Es cierto que aún así los solutos transitan en el sentido de difundir e igualar las concentraciones (salvo aquellos que físicamente no pueden superar la membrana porque requerirían energía para el transporte) pero en el caso biológico es siempre más rápido el tránsito del agua.

Todo esto no se termina aquí, muchos de los procesos biológicos a bastantes niveles tienen una relación clave con la ósmosis y a medida que los expliquemos se podrá referir la importancia de este fenómeno físico.

Biomoléculas (III).

Después de la última entrada sobre los glúcidos, hoy toca escribir sobre los lípidos. Aunque para la población general los lípidos son conocidos vulgarmente como grasas, este grupo abarca más tipos de moléculas que las que componen exclusivamente esa categoría vernácula y que son los ácidos grasos y triglicéridos. De hecho, los lípidos forman, normalmente, el 50% de la masa seca de cualquier célula y, por extensión, de cualquier ser vivo. Y no estoy hablando de las células de hombres blancos occidentales, cebados por nuestro estilo de vida facil, no, las de cualquier célula. Los lípidos son un componente estructural clave en los seres vivos y sin ellos la vida no existiría, por lo menos no tal como la conocemos, porque tienen una serie de características clave para comprender la aparición celular, como veremos en una entrega próxima, cuando termine la clasificación de las biomoléculas. Además, también existen lípidos con funciones fisiológicas muy importantes.

Los lípidos se agrupan en las siguientes categorías:
-Ácidos Grasos.
-Acilglicéridos.
-Derivados de Ácidos Grasos (sobre todo del ácido Araquidónico).
-Derivados del Isopreno (Isoprenoides).
-Fosfolípidos.
-Esfingolípidos.
-Ceras.
-Estéridos.

Ácidos Grasos.

Los ácidos grasos son, basicamente, una larga cadena hidrocarbonada con un grupo carboxilo (ácido orgánico) en un extremo. La cadena varía en longitud, normalmente tienen entre 12 y 24 átomos de carbono, y en ocasiones la cadena incluye dobles enlaces entre los átomos de carbono, denominados, en lípidos, insaturaciones, que tienen consecuencias funcionales sobre las que escribiré en otra ocasión. Normalmente, los ácidos grasos de células animales suelen tener mayor número medio de insaturaciones pero el número de ácidos grasos con insaturaciones es menor. En el caso de las células vegetales, las proporciones se invierten, lo que explica porque son más saludables, en general, las grasas vegetales (hablaré de la fisiología molecular de los lípidos cuando me refiera a las membranas biológicas). La longitud media de los ácidos de carbono es también diferente entre unas y otras células, siendo el rango más amplio, normalmente, en animales (o sea, entre 14 y 24) pero la longitud media es mayor en vegetales (entre 16 y 20). Las bacterias, en este aspecto, están un poco a medio camino.

Dos Ácidos Grasos de Cadena Larga: la insaturación en el C9 del oléico hace que la molécula se doble en el espacio*, con consecuencias posteriores para las membranas en las que se halle.

Acilglicéridos.

Los acilglicéridos son ésteres de ácidos grasos y glicerol. El glicerol es un alcohol de tres carbonos con tres grupos hidroxilo (alcohol). A través de esos grupos hidroxilo, une a los grupos carboxilo de los ácidos grasos en cualesquiera de sus tres posiciones (átomos de carbono) y forman los ésteres desprendiendo una molécula de agua por cada unión y quedando unidos entre sí los esqueletos carbonados por el átomo de oxígeno. Normalmente las uniones se producen primero en los extremos del glicerol (y ese será el carbono C1), ocupándose después el central (C2) y por último el carbono C3. En función del número de carbonos esterificados en la molécula, se habla de mono-, di- o triacilglicérido (o mono-, di- o triglicérido, como podéis haber oído por ahí). Es habitual que el carbono C2 esté ocupado por un ácido graso de cadena larga (18 o 20 carbonos, por ejemplo).

Glicerol y Triacilglicérido: las combinaciones entre el alcohol y los numerosísimos ácidos grasos hacen que éste sea un grupo muy plástico y variable.

Los triglicéridos son la forma habitual de almacenar ácidos grasos, ya sea con fines energéticos o estructurales. Es así como se almacenan en las células del tejido adiposo (esos michelines que tanto afean/joden) y cuando son necesarios, los enlaces éster son rotos mediante las enzimas apropiadas liberando los ácidos grasos y el glicerol para los diferentes fines.

Derivados de Ácidos Grasos (Eicosanoides).

El ácido Araquidónico es un ácido graso de cadena larga (20 carbonos) con cuatro insaturaciones (carbonos C5, C8, C11 y C14). En los animales, mediante rutas enzimáticas no muy complejas pero muy importantes, que implican enzimas ciclo-oxigenasas, origina tres clases de mediadores locales (mensajeros paracrinos, moléculas que actúan en la comunicación celular a un nivel local, sobre todo en vasos sanguíneos de ciertos órganos): las Prostaglandinas, los Tromboxanos y los Leucotrienos. Estas tres clases de mediadores locales son importantes en los procesos de inflamación y, por lo tanto, de respuesta inmune. Bastante para lo que sólo parecía ser un fabricante de lorzas, ¿no?

Derivados del Isopreno (Isoprenoides).

El isopreno es un hidrocarburo de cadena corta que polimeriza con mucha facilidad. Es la base de las gomas naturales (látex del árbol del caucho) y artificiales. Cuando polimerizan resultan también en diferentes tipos de moléculas, como los Terpenoides (compuestos aromáticos muy abundantes en plantas), Carotenoides (compuestos con hasta 40 átomos de carbono y de gran importancia por su comportamiento frente a la luz, como la Vitamina A y el Retinol, claves en el funcionamiento de la vista) o los Esteroides (como el Colesterol, cuya función también explicaré cuando me dedique a las membranas orgánicas, o las hormonas esteroideas: andrógenos, estrógenos, progestágenos, glucocorticoides y mineralocorticoides).

Isoprenoides: el beta-caroteno o vitamina A es un isoprenoide más sencillo que el Colesterol, lo que permite apreciar su naturaleza de polímero en las repeticiones de su estructura antisimétrica. Sin embargo, este último también es un polímero, aunque no lo parezca por su estructura de múltiples anillos. Las hormonas esteroideas y las sales biliares surgen a partir de modificaciones sencillas de esta estructura.

Fosfolípidos.

Antes expliqué los acilglicéridos y su estructura. Pues bien, los fosfolípidos tienen una estructura similar sólo que el C3 presenta una molécula de fosfato esterificando. El fosfato, además, esterifica por su otro extremo con diferentes tipos de moléculas, como alcoholes, aminas, aminoácidos u otros. Estos son los lípidos que forman la mayor parte de las membranas biológicas.

FosfatidilSerina: uno de los fosfolípidos más comunes de las membranas biológicas.

Esfingolípidos.

Los Esfingolípidos se forman por la unión de un ácido graso a una molécula de esfingosina (un aminoalcohol de cadena larga complejo). En este caso, el ácido graso une a la esfingosina a través de un enlace amino (con desprendimiento de una molécula de agua) en el carbono C2 de la esfingosina. En el carbono C1 (que porta el grupo hidroxilo/alcohol), se esterifica una molécula directamente o bien una de fosfato que, como en el caso de los fosfolípidos, puentea con su otro extremo diferentes tipos de moléculas.

Los esfingolípidos también forman parte de las membranas biológicas y por su estructura particular tienen propiedades que afectan al desarrollo local de la misma. Quedaos con esta idea, ya que los dominios locales de las membranas es algo fundamental para entender la biología celular.

Ceras.

Las ceras son ácidos grasos unidos a alcoholes de elevado peso molecular por enlace éster. Normalmente son productos de revestimiento de superficies de tejidos para protegerlos de la deshidratación o de otros fenómenos asociados al agua.

Estéridos.

Los estéridos no son un grupo per se sino una denominación genérica de los ésteres de ácidos grasos y colesterol que se forman en el organismo en diferentes circunstancias y que mencionaré en más profundidad cuando me refiera a las lipoproteinas.


Generalidades Clave de los Lípidos.

Una de las cuestiones fundamentales de los Lípidos, tomando como modelo los ácidos grasos es que presentan un caracter anfipático, es decir, uno de sus extremos es apolar y el otro extremo es polar. Esto es importantísimo en un medio biológico compuesto por agua, que es el medio polar por excelencia. Fundamentalmente, los lípidos presentan una bajísima proporción de grupos polares (alcohol, oxígeno, sulfhidrilo) respecto al esqueleto hidrocarbonado (el Carbono unido a Hidrógeno carece de carga eléctrica resultante), lo que resulta en una disposición espacial particular de los lípidos en el medio acuoso. Todo ello lo trataremos en profundidad en el capítulo dedicado a las membranas biológicas.


*No he comentado nada acerca de las orientaciones de los dobles enlaces antes pero lo haré aquí: los dobles enlaces pueden ser cis o trans, lo que se debe a que son más rígidos que los simples y no permiten girar los átomos de carbono con libertad. En los enlaces cis, las estructuras en los átomos de carbono a ambos lados del doble enlace están en el mismo lado, mientras que en el trans lo están en lados opuestos. Eso se aprecia en la figura (agrandad para verlo mejor), en la que los carbonos contíguos al 9 y al 10 del ácido oléico (el 8 y el 11) se hallan en el mismo lado del plano y por eso la molécula se dobla. En en caso de que el ácido oléico fuera trans en el enlace doble del carbono C9, la distancia entre C9 y C10 sería menor y la molécula recta como la de palmítico. Esto es sólo importante a los efectos de que no hay ácidos grasos biológicos con enlaces trans, sólo aquellos productos de la actividad humana, como los producidos por hidrogenación de ácidos grasos insaturados de vegetales para fabricar margarinas.