Modelos de comunicación celular

La señalización tiene lugar a través de la interacción directa entre una célula y una célula vecina. La señalización mediante interacción directa célula-célula (o célula-matriz extracelular) desempeña un papel crítico en la regulación del comportamiento de las células en los tejidos animales. Las células expresan variedad de receptores de superficie que interaccionan con moléculas señalizadoras de superficie de las células vecinas. Este tipo de señalización mediante interacción directa célula-célula desempeña un papel fundamental en la regulación de las múltiples interacciones que tienen lugar entre los distintos tipos celulares durante el desarrollo embrionario, así como el mantenimiento de los tejidos adultos.

Los diferentes tipos de señalización mediante moléculas secretadas se suelen en tres grandes clases en función de la distancia recorrida por la molécula señalizadora. En la señalización endocrina, las moléculas señalizadoras (hormonas) son secretadas por células endocrinas especializadas y se transportan a través de la circulación, actuando sobre células diana localizadas en lugares alejados en el organismo. La hormona esteroidea es producida por el ovario y estimula el desarrollo y mantenimiento del sistema reproductor femenino y de los caracteres sexuales secundarios. 

Algunas moléculas señalizadoras actúan localmente afectando al comportamiento de las células próximas. En la señalización paracrina, una molécula liberada por una célula actúa sobre las células diana vecinas. Un ejemplo lo proporciona la acción de los neurotransmisores que transportan la señal entre células nerviosas en la sinapsis.

La señalización autocrina es la respuesta de las células del sistema inmune de los vertebrados frente antígenos.

Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman, The Cell, a Molecular Approach, 2 Ed.,ASM Press, Washington, D.C, Sinauer Associates, Inc. Sunderland, Massachusets, 2002, P684

El contenido de este blog, me gustaría aplicarlo de manera lúdica educatica en un especiE de cuestionario interactivo, donde se de la explicación del tema y posteriormente aparezcan preguntas que sinteticen el tema, si las respuestas son equivocadas, tener una explicación del por qué es incorrecta. Un ejemplo de esta idea son el siguientes link:

1. http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/La_celula/actividades.htm

Mecanismos de transporte a través de la membrana plasmática

La membrana plasmática es una barrera de permeabilidad selectiva entre la célula y el medio extracelular. Sus propiedades de permeabilidad aseguran que las sustancias esenciales, como la glucosa, los aminoácidos y los lípidos, entren en la célula con facilidad, que los intermediarios metabólicos permanezcan en la célula y los componentes de desecho la abandonen. La permeabilidad selectiva de la membrana plasmática permite que la célula mantenga un medio interno constante.  La bicapa fosfolipídica es esencialmente impermeable a la mayor parte de las sustancias hidrosolubles, como la glucosa y los aminoácidos, y a los iones. El transporte de estos iones y moléculas a través de todas las membranas  celulares es mediado por proteínas transportadoras asociadas con la bicapa subyacente. Como los diferentes tipos celulares requieren distintas mezclas de compuestos de bajo peso molecular, la membrana plasmática de cada uno posee un conjunto específico de proteínas transportadoras que solo permiten el paso de ciertos iones o moléculas. De manera similar las organelas intracelulares a menudo encierran un medio interno diferente del citosol circundante y sus membranas contienes proteínas transportadoras específicas que mantiene esa diferencia.   

• LODISH, Harvey, BERK, Arnold, ZIPURSKY, Lawrence, MATSUDAIRA, Paul, BALTIMORE, David, DARNELL, James. Biologia celular y molecular. 4 ed. Bogotá. Editorial médica Panamericana, 2000. 1083p.

Membrana celular

Todas las células limitan con el medio externo a través de una membrana plasmática, una estructura que en su parte fundamental tiene  unas dimensiones demasiado pequeñas para ser observada con detalle en el microscopio.  Esta membrana limita el paso de sustancias desde el medio externo al interior celular y viceversa.  La membrana es una barrera selectiva que permite a la célula la entrada y salida de sustancias tanto necesarias como innecesarias.

Se dice que está formada por una bicapa lipídica dispuesta con partes hidrófobas hacia el interior (ácidos grasos) enfrentadas con unas con otras, recubiertas externa e internamente por una capa pequeñas de proteínas. Los esteroides como el colesterol tienen un papel importante en la regulación de propiedades físicas y químicas de la membrana regulando su resistencia y fluidez. Existen varios modelos que tratan de explicar la organización de la membrana celular, el más aceptado es el denominado mosaico fluido, que supone la existencia de unos poros. Estos poros, constituidos por proteínas, más que formando dos laminas uniformes estarían distribuidos en el seno de la capa lipídica y extendiéndose en algunos casos hacia la superficie externa o interna (proteínas extrínsecas y proteínas intrínsecas) o hacia las dos a la vez. Dichas proteínas actuarían funcionalmente como poros, dejando pasar de forma activa o pasiva, según los casos, las distintas sustancias.

Externamente la membrana plasmática está recubierta por una pared celular: la pared de celulosa en las células vegetales o la pared de glucolípidos en las bacterias. En la célula animal, existe el denominado glicocáliz: combinación de glucoproteínas y glucolípidos. 

Termodinámica metabólica

 La termodinámica nos permite predecir cómo cambiarán las reacciones químicas en función de la temperatura y cómo los cambios en la estructura de las moléculas pueden afectar a las propiedades de equilibrio de una concentración de dichas moléculas. Un proceso termodinámico es una transformación en la que un sistema intercambia energía con su entorno, pasando desde un estado inicial de equilibrio a otro estado final de equilibrio (alguna de las variables de estado varía con el tiempo). Es decir, la Termodinámica sólo estudia estados de equilibrio de los sistemas.

Hay cuatro propiedades termodinámicas básicas:

• ·         ΔG — Variación en la energía libre entre reactivos y productos; esta propiedad mide la capacidad del sistema para reaccionar. Las reacciones con un valor ΔG negativo tienen lugar de forma espontánea. Las reacciones en las que ΔG es positivo es necesaria una aportación de energía para que se produzca la reacción.
• ·         ΔH — Variación de la entalpía entre reactivos y productos; la entalpía es el calor liberado o absorbido por una reacción a presión constante. Las reacciones que absorben calor tienen un valor ΔH positivo y las que producen calor lo tienen negativo.
• ·         ΔS — Variación de la entropía entre reactivos y productos; la entropía es un cálculo estadístico del número de procesos o posibles conformaciones. Un ΔS positivo indica que el desorden o número de conformaciones posibles del sistema está aumentando y viceversa.
• ·         ΔCp — Variación en la capacidad calorífica entre reactivos y productos; cuando se calienta una disolución de moléculas, parte de la energía térmica aumenta la energía cinética de las moléculas, incrementando la temperatura, mientras la otra parte da lugar a vibraciones más rápidas o a la rotación de la molécula. La capacidad calorífica mide la energía que puede almacenar una molécula en estas rotaciones o vibraciones internas.

G proporciona una especie de función contable elemental para las reacciones químicas.

Leyes de la termodinámica

Primer principio

Principio de conservación de la energía en los procesos termodinámicos.

Principio de conservación de la energía: “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.

Segundo principio

Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario

Tercer principio

Es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. 

Enzimas

Las enzimas son proteínas altamente especializadas que tienen como función la catálisis o regulación de la velocidad de las reacciones químicas que se llevan a cabo en los seres vivos.

Casi todas las reacciones químicas de las células son catalizadas por enzimas, con la particularidad de que cada enzima solo cataliza una reacción, por lo que existirían tantas enzimas como reacciones, y no se consumen en el proceso. Los catalizadores no biológicos son inespecíficos.

En una reacción catalizada por enzima (E), los reactivos se denomina sustratos (S) , es decir la sustancia sobre la que actúa la enzima. El sustrato es modificado químicamente y se convierte en uno o más productos (P). Como esta reacción es reversible  se expresa de la siguiente manera:

La enzima libre se encuentra en la misma forma química al comienzo y al final de la reacción.

1. Clases de enzimas

El nombre de las enzimas es el del sustrato + el sufijo: -asa. Los nombres de las enzimas revelan la especificidad de su función:

• Oxido-reductasas: catalizan reacciones de óxido-reducción, las que implican la ganancia (o reducción) o pérdida de electrones (u oxidación). Las más importantes son las deshidrogenasas y las oxidasas
• Transferasas: transfieren grupos funcionales de una molécula a otra. Ej.: quinasas; transfieren fosfatos del ATP a otra molécula.
• Hidrolasas: rompen varios tipos de enlaces introduciendo radicales -H y -OH.
• Liasas: adicionan grupos funcionales a los dobles enlaces
• Isomerasas: convierten los sustratos isómeros unos en otros.
• Ligasas o Sintasas: forman diversos tipos de enlaces aprovechando la energía de la ruptura del ATP. Ej: polimerasas

1. Mecanismo de acción enzimática

1. Acompañantes no proteicos de la enzima

Cofactores: son iones inorgánicos que se unen temporariamente a las enzimas

molécula	papel en la reacción catalizada
Hierro Fe 2+ o Fe 3+	Oxidación / reducción
Cobre, Cu + o Cu 2+	Oxidación / reducción
Cinc, Zn2+	Ayuda a unir el NAD

Coenzimas: moléculas pequeñas que tiene carbono, interaccionan débilmente durante la catálisis. La mayor parte de las coenzimas son vitaminas, muchas de las cuales deben ser incorporadas con la dieta.

molécula	papel en la reacción catalizada
Biotina	transporta -COO-
Coenzima A	transporta -CH2-CH3
NAD y FAD	transportan electrones

Grupos prostéticos: están permanentemente unidos a las enzimas

molécula	papel en la reacción catalizada
Hemo	une iones O2 y electrones, contiene el cofactor hierro
Flavina	Une electrones
Retinal	Cofactor en la absorción de la luz

Herramientas informáticas de apoyo (catálogos en linea de universidades: artículos relacionados con el tema) URL:

• http://www.unicauca.edu.co/biotecnologia/ediciones/vol1/Ar11.pdf 
• http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r46797.PDF

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE. Hipertextos del área de biología: enzimas [en línea].

<http://www.biologia.edu.ar/metabolismo/enzimas.htm> [Citado el 2 de Octubre de 2010]

Macromoléculas: Lípidos

Los lípidos son sustancias naturales que se disuelven en hidrocarburos pero no en agua. Realizan un conjunto extraordinario de funciones en los seres vivos. Algunos lípidos son reservas energéticas vitales. Otros son los componentes estructurales primarios de las membranas biológicas. Así mismo, otras moléculas lipídicas actúan como hormonas, antioxidantes, pigmentos o factores de crecimiento vitales y vitaminas.

Los lípidos son un grupo heterogéneo de biomoléculas. Se consideran lípidos como los fosfolípidos, los esteroides, los carotenoides, las grasas y los aceites, que se diferencian mucho en cuanto a estructura y función. A causa de su diversidad el término lípido tiene una definición más operativa que estructural.

Los lípidos se definen como aquellas sustancias de los seres vivos que se disuelven el solvente no polares, como el éter, el cloroformo y la acetona, y que no lo hacen de manera perceptible en el agua.

Las funciones de los lípidos también son variadas. Diversas clases de moléculas lipídicas (fosfolípidos y los esfingolípidos) son componentes estructurales importantes de las membranas celulares. Otro tipo, las grasas y los aceites (ambos son triacilgliceroles), almacenan energía de forma eficaz. Otras clases de moléculas lipídicas son señales químicas, vitaminas o pigmentos. Por último, algunas moléculas lipídicas que se encuentran en las cubiertas externas de varios organismos tienen funciones protectoras o impermeabilizantes.

Clases de lípidos:

•  Ácidos grasos: Los ácidos grasos son monocarboxílicos que contienen en general cadenas hidrocarbonadas de longitudes variables (entre 12 y 20 carbonos). Los ácidos grasos se numeran a partir del extremo carboxilato. Se emplean letras griegas para designar determinados átomos de carbono. El carbono α de un ácido graso es adyacente al grupo carboxilato, el carbono β está a dos átomos del grupo carboxilato y así en forma sucesiva. El carbono metilo terminal es el carbono ω. Las cadenas de los ácidos grasos que solo contiene enlaces sencillos carbono-carbono se denominan saturadas, mientras que las moléculas que contienen uno o varios enlaces dobles se denominan insaturadas. 

• 1.       Triacilglicerol: Son ésteres de glicerol con tres moléculas de ácidos grasos. Son intermediarios metabólicos. Se encuentran en general en cantidades pequeñas, se les denomina grasas neutras. La mayoría de las moléculas de triacilglicerol contienen ácidos grasos de diversas longitudes, que pueden ser saturados o insaturados o una combinación de ambos. 

• 1.      Ésteres de cera: Las ceras son mezclas complejas de lípidos no polares. Son cubiertas protectoras de las hojas de los tallos y de las frutas de los vegetales y de la piel de los animales. 
  
  

• 1.       Fosfolípidos (fosfoglicéridos y esfingomielinas): Son los primeros y más importantes componentes estructurales de las membranas, son agentes emulsionantes y agentes superficiales activos, es decir actúan como sustancias que disminuyen la tensión superficial de un líquido, de forma que se disperse por una superficie. Son molecula anfipáticas.
  
  
• Existen dos tipos de fosfolípidos los fosfoglicéridos que son moléculas que contienen glicerol, ácidos grasos, fosfato y un alcohol. Las esfingomielinas se diferencian de los fosfoglicéridos en que tienen una esfingosina en lugar del glicerol. 
  
  

• 1.       Esfingolípidos: Todas las moléculas de esfingolípidos contienen un aminoalcohol de cadena larga. El núcleo de cada clase de esfingolípido es una ceramida, un derivado amida de ácido graso de esfingosina.  

• 1.       Isoprenoides (moléculas formadas por unidades repetidas de isopreno, un hidrocarburo ramificado de cinco carbonos). Los isoprenoides no se sintetizan a partir del isopreno sino que todas sus vías de biosíntesis, comienzan con la formación de isopentenilpirofosfato a partir de acetil-CoA 

  
  

• McKEE, Trudy, McKEE, James. Bioquímica. Las bases moleculares de la vida. 4 ed. México. Mc Graw Hil, 2009. 777p.

Macromoléculas: Carbohidratos

Los carbohidratos no son solo la fuente importante de producción rápida de energía en las células, sino que son también las estructuras fundamentales de las células y componentes de numerosas rutas metabólicas. En la actualidad se reconoce que son los polímeros de azucares unidos a proteínas y a lípidos son un sistema de codificación de alta densidad. Los seres vivos aprovechan la vasta diversidad estructural de estas moléculas para producir la capacidad informática necesaria para los procesos vitales.

Los carbohidratos son las biomoléculas más abundantes de la naturaleza, son un vínculo directo entre la energía solar y la energía de los enlaces químicos de los seres vivos. Se forman durante la fotosíntesis un proceso bioquímico en el que se captura la energía luminosa y se utiliza para impulsar la biosíntesis de moléculas orgánicas con energía abundante a partir de las moléculas con poca energía: CO₂ H ₂O. La mayoría de los carbohidratos contienen carbono, hidrogeno y oxígeno en una porción (CH₂O)_n de aquí su nombre. Entre sus principales funciones está ser la principal fuente de energía de las células, ser elementos estructurales y ser precursores de la producción de otras biomoléculas como aminoácidos, lípidos, purinas y pirimidinas. Los carbohidratos se clasifican se clasifican en monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos, según el número de unidades de azucares sencillos que contengan. 

En años  recientes se ha hecho cada vez más evidente que los carbohidratos  proporcionan a los seres  vivos  capacidades informativas  enormes. Las investigaciones de los procesos biológicos, como la transducción   de señales, las interacciones célula - célula  y la endocitosis, han descubierto  que en general implican la unión de glucoconjugados, como las glucoproteinas y los glucolípidos, o de carbohidratos libres con receptores complementarios. 

McKEE, Trudy, McKEE, James. Bioquímica. Las bases moleculares de la vida. 4 ed. México. Mc Graw Hil, 2009. 777p.