Title: Unidad 1
Course: Biología Cultiva 3 BGU

Ácidos nucleicos y acción enzimática

▲ El conocimiento de los ácidos nucleicos y su relación con la herencia permite manipular la información para prevenir posibles enfermedades o fabricar proteínas deseadas.

En esta unidad haremos un viaje molecular para explorar de qué manera la estructura química y las características de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) han permitido que se transmita la información genética desde el primer ser viviente que pobló la Tierra, hasta las especies actuales. Para ello, es necesario comprender la intervención de los cromosomas y los genes, y de aquellos mecanismos que permiten que esta información genética se exprese en los seres vivos de manera fiel: los procesos de transcripción y traducción.

Es necesario entender, asimismo, que la mediación de unas proteínas especiales, llamadas enzimas, es imprescindible para facilitar estos y otros procesos metabólicos.

  Objetivos

- O.CN.B.5.1. Demostrar habilidades de pensamiento científico a fin de lograr flexibilidad intelectual; espíritu crítico; curiosidad acerca de la vida y con respecto a los seres vivos y el ambiente; trabajo autónomo y en equipo, colaborativo y participativo; creatividad para enfrentar desafíos e interés por profundizar los conocimientos adquiridos y continuar aprendiendo a lo largo de la vida, actuando con ética y honestidad.
- O.CN.B.5.2. Desarrollar la curiosidad intelectual para comprender los principales conceptos, modelos, teorías y leyes relacionadas con los sistemas biológicos a diferentes escalas, desde los procesos subcelulares hasta la dinámica de los ecosistemas, y los procesos por los cuales los seres vivos persisten y cambian a lo largo del tiempo, para actuar con respeto hacia nosotros y la naturaleza.
- O.CN.B.5.5. Planificar y llevar a cabo investigaciones de campo, de laboratorio, de gestión o de otros tipos, que incluyan la exigencia de un trabajo en equipo, la recolección y análisis de datos cuantitativos y cualitativos; la interpretación de evidencias; la evaluación de los resultados de manera crítica, creativa y reflexiva, para la comunicación de los hallazgos, resultados, argumentos y conclusiones con honestidad.

Ácidos nucleicos, transmisores de la información genética

CN.B.5.1.11. Usar modelos y describir la función del ADN como portador de la información genética que controla las características de los organismos y la transmisión de la herencia, y relacionar el ADN con los cromosomas y los genes.

● Ácidos nucleicos, transmisores de la información genética

Saberes previos

¿Por qué tienes rasgos similares a los de tus padres?

Desequilibrio cognitivo

Si heredamos características de nuestros progenitores, ¿por qué cada hermano es diferente?

▲ Representación de la constitución química de las pentosas.

Antes de empezar a desentrañar la importancia de los ácidos nucleicos para los seres vivos, conviene recordar brevemente su composición química, pues de ella dependen sus funciones.

Tanto el ARN (ácido ribonucleico) como el ADN (ácido desoxirribonucleico) son polímeros de subunidades llamadas nucleótidos, estas a su vez, están constituidas por la unión de tres moléculas diferentes:

1. Un azúcar simple, constituido por un anillo de cinco carbones (por lo que se llama pentosa), que puede ser la ribosa o la desoxirribosa. En la imagen se aprecia que la única diferencia en la constitución química entre las dos pentosas es la ausencia de un oxígeno (representado con círculos rojos) en la desoxirribosa. De ahí el origen de su nombre.
2. La segunda subunidad de los nucleótidos es conocida como grupo fosfato, una molécula constituida esencialmente por un átomo central de fósforo y cuatro de oxígeno. El grupo fosfato es el mismo en ambos ácidos nucleicos.
3. Por último están las bases nitrogenadas, que se clasifican en dos grupos: a) las purinas, en cuya estructura existe un anillo doble de carbones; b) las pirimidinas, que tienen un anillo simple, como se puede ver en la imagen adjunta.

Cada ácido nucleico tiene nucleótidos que se forman con cuatro bases nitrogenadas: dos purinas y dos pirimidinas. En el ADN están presentes la adenina, la guanina, la citosina y la timina. El ARN tiene las mismas bases nitrogenadas, a excepción de la timina, que es reemplazada por el uracilo.

En resumen, un nucleótido es la unidad de los ácidos nucleicos (lo que en química se conoce como monómero). Se forma por la unión de tres moléculas: un grupo fosfato, una pentosa y una base nitrogenada.

▲ Nucleótido de ADN.

▲ Representación de la constitución química de las bases nitrogenadas (purinas arriba y pirimidinas abajo).

Función de la molécula de ADN

Cada célula de especies eucariotas protege en su núcleo la información genética que nos hace únicos e irrepetibles, y que está almacenada en forma de ADN dentro de los genes y cromosomas que detallaremos más adelante. Si ejemplificamos con la especie humana, poseemos 46 cromosomas de longitud variable, que en promedio tienen cadenas de ADN compuestas por alrededor de 150 millones de nucleótidos.

A manera de síntesis, pues todo esto lo estudiaremos en esta unidad con mayor profundidad, la función del ADN consiste en transmitir, de manera bastante fiel, las características hereditarias de una generación a la siguiente (salvo pocas excepciones). Esto lo consigue gracias a que:

1. Puede almacenar gran cantidad de información dentro de los genes.

2. La información que contienen los genes puede interpretarse para construir las proteínas que son características de cada ser vivo.

3. El ADN tiene la capacidad de replicarse a sí mismo, en un proceso que se conoce con el nombre de duplicación.

La información codificada por el ADN puede tener dos tipos de efectos:

a. Estructurales: el ADN es una especie de “receta” para que el organismo fabrique proteínas, por ejemplo construya músculos, cartílagos, uñas, etc.

b. Funcionales: el ADN lleva la información necesaria para dirigir distintas funciones del cuerpo, por ejemplo la regulación de las funciones celulares, o el control de las enzimas. Así, ambos efectos confieren las características de cada ser vivo.

La clave del potencial del ADN reside en su composición química

Por tanto, es importante revisar esta composición. Los nucleótidos de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) se juntan unos a otros mediante un tipo de enlace químico especial llamado fosfodiéster, que consiste en la unión de un grupo fosfato de un nucléotido con el azúcar de otro, lo que provoca la liberación de una molécula de agua.

Es posible que te resulte familiar con la imagen de una escalera de caracol para representar a la molécula de ADN. Esta representación es así porque, cuando se ha formado una larga hebra de nucleótidos, las bases nitrogenadas que quedan en un extremo atraen a otras bases complementarias que están unidas a sus correspondientes nucleótidos. Entre ellos se forman nuevos enlaces químicos y se establece una cadena doble de nucleótidos en cuyo centro están las bases nitrogenadas, unidas por medio de puentes de hidrógeno. A diferencia de los enlaces químicos, los puentes de hidrógeno solo son fuerzas de atracción electromagnética que no comparten electrones y que pueden romperse fácilmente.

▲ Los puentes de hidrógeno se forman entre adenina y timina (dos puentes), y entre guanina y citosina (tres), exclusivamente.

▲ Cadena simple de nucleótidos de ARN

La molécula de ARN

Además de tener nucleótidos que difieren en la pentosa y en una base nitrogenada, el ARN se distingue del ADN porque es un polímero de cadena simple, tal como se observa en la imagen.

La función del ARN es producir las proteínas propias de cada ser, en base a la información genética contenida en el ADN de sus genes.

Para ello debe trasladarse del núcleo al citoplasma de la célula. El ARN se clasifica en tres tipos, de acuerdo a su estructura y función. Estos son los siguientes:

Interdisciplinariedad

Biología y antropología

Recientes estudios de nuestro ADN han demostrado que contenemos una pequeña porción de genes que pertenecen al hombre de Neanderthal y a una especie aún no identificada encontrada en una cueva de Siberia. El análisis de un catedrático español (Muñoz, 2012) resalta que ya desde entonces el mestizaje enriqueció las posibilidades evolutivas del ser humano.

Cromosomas y genes

CN.B.5.1.11. Usar modelos y describir la función del ADN como portador de la información genética que controla las características de los organismos y la transmisión de la herencia, y relacionar el ADN con los cromosomas y los genes.

● Cromosomas y genes

Saberes previos

¿Qué nos diferencia de los chimpancés?

Desequilibrio cognitivo

Si el núcleo de la célula es tan pequeño, ¿cómo es posible que contenga toda la información genética de seres complejos?

La secuencia de bases nitrogenadas forma el lenguaje genético

Si bien el ADN es el ácido nucleico que guarda la información genética, quien se encarga de poner en práctica esa información es el ARN, por medio de la síntesis de proteínas. Lo que hace único y diferente a cada ser son las proteínas que sus células fabrican, gracias a las instrucciones proporcionadas por el ADN, que se van heredando a cada célula que se divide y a los nuevos organismos, de generación en generación.

Estas instrucciones vienen dadas por la secuencia específica de sus bases nitrogenadas, la adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Al igual que el orden de las letras en una palabra hace que esta tenga sentido o no, así mismo, la secuencia específica de tres bases nitrogenadas (conocida con el nombre de codón) da las instrucciones para que el ARN sintetice una proteína y no otra.

Es importante recordar que las proteínas son largas cadenas de aminoácidos. Existen 20 aminoácidos en la naturaleza y su diferente combinación produce los millones de proteínas presentes en todos los seres vivos. En la siguiente lección, analizaremos el proceso para sintetizar estas biomoléculas.

▲ Molécula de la insulina humana que está compuesta por dos cadenas. Cada bolita representa un aminoácido.

▲ El gato de la raza bengalí se obtuvo artificialmente para combinar la apariencia salvaje del gato leopardo y la mansedumbre de un gato doméstico.

▲ Esquema donde se observan los codones, que están a un lado y otro de la molécula de ADN.

Los cromosomas

Habíamos mencionado ya que el ADN es un polímero muy grande, por lo que para poder caber en el núcleo de la célula, se vale de una estrategia especial: se enrolla alrededor de unas proteínas llamadas histonas. En este estado, tiene la apariencia de lana suelta, que en ciertos lugares forma un ovillo y así permanece durante la mayor parte de la vida celular, que es en el periodo de interfase; en ese estado adopta el nombre de cromatina.

Cuando la célula debe reproducirse, el ADN se compacta aún más para formar las estructuras conocidas como cromosomas, las cuales están formadas por dos brazos o cromátides hermanas, y una porción central llamada centrómero. Cada especie tiene un número característico de cromosomas. Los seres humanos, por ejemplo, tenemos 46, de los cuales 23 provienen de nuestro padre y los otros 23 de nuestra madre.

▲ Una molécula de ADN se enrolla alrededor de las histonas que están en el centro, formando una estructura llamada nucleosoma.

▲ Detalle de cómo el ADN se va compactando hasta formar un cromosoma.

¿Un gen, una proteína?

En la imagen superior se observa la región específica del ADN que constituye un gen. Se considera al gen como la unidad de la herencia, porque es el mínimo fragmento de ADN donde se encuentra la información necesaria para fabricar proteínas. Hasta hace un par de décadas, se pensaba que el gen era capaz de producir un solo tipo de proteínas, y a esta idea se le denominó el “dogma central” de la genética. Sin embargo, hoy se sabe que un gen puede fabricar muchas proteínas, dependiendo de las necesidades orgánicas y del tipo de célula en el que se encuentre.

En un mismo cromosoma hay una gran cantidad de genes; por ejemplo, el cromosoma humano número 12 tiene una longitud de 133,28 megabases, 2 521 genes y produce 5 648 proteínas diferentes.

TIC

Visita el siguiente enlace para conocer las características del resto de cromosomas de nuestra especie:

www.mayedu.ec/bio3/p15

¿Qué diferencias encuentras entre los cromosomas sexuales X y Y?

Cada megabase equivale a un millón de nucleótidos de longitud.

Duplicación del ADN

Cuando una célula debe dividirse, ya sea porque el organismo necesita crecer, reemplazar tejidos o producir gametos, es necesario que previamente entre en un proceso de duplicación del material genético. De esta manera, asegura que las células resultantes de la división mantengan constante el número cromosómico de la especie.

En este proceso debe garantizarse la copia fiel del ADN, porque de otra manera la molécula resultante podría alterar la expresión genética.

▲ Proceso de duplicación de la molécula de ADN.

La duplicación del ADN implica las fases que se resumen a continuación:

1. Inicio. Los puentes de hidrógeno que mantienen unidas las bases nitrogenadas del ADN se separan en diversos puntos, gracias a la acción de la enzima helicasa. Las enzimas son proteínas que apresuran procesos, como detallaremos posteriormente.
2. Alargamiento. En los lugares donde la cadena está separada, la enzima ADN polimerasa junta nucleótidos de ADN que están libres en el núcleo de la célula, buscando emparejar bases complementarias. En otras palabras, si hay un nucleótido con adenina que está sin pareja, la enzima le buscará un nucleótido con timina y entre los dos se formarán nuevos puentes de hidrógeno. Esto sucede sin problemas en una de las cadenas, pero en la cadena complementaria la duplicación es discontinua y se forman los llamados fragmentos de Okazaki.
3. Finalización. Una vez que se ha copiado toda la molécula de ADN, la enzima ligasa junta los fragmentos de Okazaki y la ADN polimerasa revisa que no haya errores de emparejamiento de bases complementarias, reparando lo que no está bien.
De esta manera, se obtienen dos copias de ADN, cada una con una hebra que proviene de la molécula original y otra hebra complementaria y nueva. Por eso se dice que este proceso es semiconservativo.

Dato curioso ¿Por que cada ser es único e irrepetible? Esto se debe a la función del ADN, que contiene información genética específica para cada individuo.

Interdisciplinariedad

Genética y farmacéutica

Ambas ciencias colaboran para producir la hormona insulina de manera más eficiente y así mejorar la calidad de vida de las personas con diabetes.

Indaga de qué organismo se obtiene insulina.

Transcripción y traducción del ARN I

CN.B.5.1.12. Analizar la transcripción y traducción del ARN, e interpretar estos procesos como un flujo de información hereditaria desde el ADN.

● Transcripción y traducción del ARN I

Saberes previos

¿Qué es lo que hacen los genes?

Desequilibrio cognitivo

Si heredamos rasgos de nuestros ancestros, ¿por qué no somos su copia exacta?

Una copia bastante fiel

Ya desde la fase de alargamiento y al final de la duplicación, hay enzimas que van corrigiendo cualquier error en la copia del ADN, de tal manera que los millones y millones de moléculas que se sintetizan durante la vida de un organismo mantienen los mismos genes que heredaron de sus ancestros, casi sin modificación. Y es que, a pesar de todos los mecanismos de revisión y corrección, de vez en cuando ocurren errores, algunos muy pequeños y sin consecuencias; otros errores que pueden mantenerse inactivos durante mucho tiempo; y otros que pueden tener consecuencias fatales o que pueden ser muy beneficiosas para el organismo (por ejemplo, la generación de nuevas características o razas, lo cual podría tener impacto en la evolución de la especie). Estos errores o cambios se llaman mutaciones.

▲ Mutación que hace que el fruto de piña tenga una inusual forma de corazón.

Cuando la secuencia de bases nitrogenadas dentro de un gen se altera, hablamos de mutaciones. Si ocurren en las células que dan origen a los gametos, estas mutaciones toman el nombre de germinales y se transmiten de padres a hijos. Si solo se producen en las células somáticas, afectarán al individuo y se perderán tras su muerte.

Tipos de mutaciones

Cuando las mutaciones afectan solamente a un gen, toman el nombre de génicas; si alteran toda una región del cromosoma, se llaman cromosómicas; y si producen adiciones o pérdidas en el número de cromosomas, se llamarán genómicas.

▲ La exposición al tabaco puede causar la mutación de células que, como estas, desarrollarán cáncer al pulmón.

De acuerdo con el tipo de alteración, las mutaciones se clasifican en:

TIC

Entra al siguiente enlace y realiza la autoevaluación que te proponen.

www.mayedu.ec/bio3/p19

La mayoría de mutaciones suceden de forma espontánea, pero también pueden producirse por la exposición a agentes físicos (como rayos ultravioleta) o químicos (como la exposición a drogas).

El proceso de transcripción

Para que la información contenida en un gen pueda transformarse en proteínas, se necesitan dos procesos. El primero ocurre en el núcleo de la célula y se llama transcripción, porque básicamente consiste en copiar la información que está contenida en lenguaje de ADN y transformarla en lenguaje de ARN (de ácido nucleico a ácido nucleico). Los tres tipos de ARN que mencionamos anteriormente se sintetizan de esta manera, pero solamente el ARN mensajero (mARN) es el que tiene la capacidad de llevar el mensaje encriptado en el gen hasta el citoplasma de la célula, lugar donde se sintetizan las proteínas.

Dato curioso

En 1970 otro dogma de la genética se rompió gracias a dos investigadores que descubrieron simultáneamente una enzima capaz de transcribir ADN a partir de ARN: la llamada transcriptasa en reversa (Perkel, 2006).

La transcripción es un proceso que también tiene tres etapas que se detallan a continuación.

▲ Proceso de transcripción.

1. Iniciación
El primer paso es la apertura de la cadena de ADN en el lugar donde está el gen. Esto lo hace la enzima helicasa, al igual que en la duplicación. Al inicio de cada gen hay una secuencia especial de bases nitrogenadas que no se transcriben pero que indican dónde debe empezar a hacerse la síntesis de ARN.
2. Alargamiento
Después de reconocer la región promotora, la enzima ARN polimerasa empieza a buscar nucléotidos de ARN complementarios a los de ADN del gen. Naturalmente, cuando encuentre un nucleótido adenina de ADN, buscará emparejarlo con un uracilo de ARN (ya que en el ARN no hay timina). De esta manera, continuará leyendo la información del gen y alargando la cadena en formación.
3. Finalización
El gen también contiene una señal de alto que le indica a la ARN polimerasa que es en este lugar donde debe dejar de transcribir y desprender al ARN que ya se ha formado.

Interdisciplinariedad

Arte y genética

Las grandes obras pictóricas del pasado han contribuido a develar algunas enfermedades genéticas favorecidas por la endogamia (matrimonios entre personas emparentadas) de las familias reales.

En la imagen: el cuadro de Goya sobre la familia de Carlos IV.

Indaga acerca del nombre y las características de una enfermedad genética característica de las familias reales europeas del siglo XVIII.

Transcripción y traducción del ARN II

CN.B.5.1.12. Analizar la transcripción y traducción del ARN, e interpretar estos procesos como un flujo de información hereditaria desde el ADN.

● Transcripción y traducción del ARN II

Saberes previos

El mARN lleva la información contenida en el gen. ¿Qué hacen los otros tipos de ARN?

Desequilibrio cognitivo

Si la información genética se almacena en pequeñas biomoléculas, ¿cómo es posible que se traduzca en rasgos perceptibles a simple vista?

Del núcleo al citoplasma

La molécula de ARN que se produce tras la transcripción puede transformase ya sea en ARN mensajero, ARN ribosomal o ARN de transferencia. Si bien los tres cumplen un rol fundamental en la síntesis de proteínas, el único que ha copiado la información contenida en los genes es el mensajero, de ahí su nombre. El rARN se junta a ciertas proteínas para formar ribosomas, las organelas donde sucede la traducción. El tARN tiene en un extremo una tripleta de nucleótidos de ARN que se conoce con el nombre de anticodón, y en el extremo opuesto lleva un aminoácido que está asociado a ese anticodón (en base al código genético usado en la actividad de la página 21).

▲ Esquema que muestra cómo los procesos de transcripción y traducción intervienen en la formación de proteínas.

▲  Los tres tipos de ARN. Nótese en el tARN el extremo que corresponde al anticodón y el extremo opuesto en el que se encuentra el aminoácido correspondiente.

En células eucariotas, la síntesis de proteínas sucede en el citoplasma de la célula. Tanto el ARN ribosomal como el ARN de transferencia tienen la capacidad de atravesar sin problemas los poros de la membrana nuclear para salir al citoplasma. El ARN mensajero, por su parte, debe cumplir ciertos requisitos previos, en un proceso independiente de la transcripción que se conoce por su término en inglés como splicing.

El mARN transcrito a partir de un gen contiene regiones que se llaman exones, que son las que llevan la información para formar las proteínas. Otras regiones no tienen expresión y se llaman intrones. Durante el splicing unas enzimas cortan los intrones y juntan los exones.

Todo parece indicar que los intrones tienen la función de permitir varias posibilidades de empalme entre exones para producir mARN diferentes; de esta manera, un solo gen puede producir más de una proteína.

Para finalizar, otras enzimas añaden una estructura en forma de capuchón al inicio de la molécula de mARN, y una cola formada por muchos nucléotidos de adenina (cola de poli A). Solo entonces la molécula está madura y puede salir del núcleo.

▲ Proceso de splicing alternativo en el cual, a partir de un mismo molde de ADN, se sintetizan dos proteínas diferentes.

Del lenguaje de nucleótido al de aminoácidos

El proceso mediante el cual la información contenida en el mARN logra sintetizar proteínas se conoce como traducción. Para hacerlo, necesita que las siguientes estructuras estén listas en el citoplasma de la célula:

1. Una molécula de mARN con capuchón y cola.
2. Una organela llamada ribosoma, la cual está formada por rARN asociado a proteínas. Los ribosomas están compuestos por una subunidad pequeña a la que se ancla el mARN y una subunidad grande que se ensambla sobre la pequeña para sintetizar las proteínas. En la subunidad grande hay dos sitios donde se sitúan los tARNs: el sitio P (peptidílico) y el sitio A (aminoacílico).
3. Varios tARN, que contienen los anticodones correspondientes a los codones del mARN.
4. Las enzimas que catalizan el proceso, principalmente la peptidil transferasa, además de energía.

La traducción también tiene tres etapas que se detallan a continuación:

Recapitulando, a partir de los genes se puede transcribir los tres tipos de ARN y también se puede producir proteínas. Si bien cada una de nuestras células contiene el mismo contenido genético, no todas producen las mismas proteínas. Depende de los genes que se expresan en una célula muscular, una célula nerviosa o una célula de hígado, y eso, a su vez, es algo que se regula de acuerdo con el tipo de célula, o la etapa de desarrollo en la que se encuentra el individuo o los estímulos del ambiente. Para modificar la cantidad que se produce de una proteína específica, la célula puede aumentar o disminuir la velocidad de transcripción o traducción, puede modificar las proteínas para hacerlas inactivas o puede poner obstáculos a los procesos de transcripción y traducción.

Es importante recordar que las mutaciones también influyen en la expresión de los genes. Un dato interesante de notar es que las mutaciones son casi el doble de frecuentes en los hombres que en las mujeres (International Human Genome Sequencing Consortium, 2001.).

Interdisciplinariedad

Genética y taxonomía

La mayor cantidad de especies de organismos descritas  a lo largo de la historia han sido identificadas a partir de especímenes colectados que reposan en los museos alrededor del mundo. Muchas veces sus características físicas eran tan similares que se las confundía fácilmente como miembros de una misma especie, sin serlo. En la actualidad, los bancos de genes permiten revisar las especies y razas, y descubrir esos errores de clasificación.

Acción enzimática en los procesos metabólicos celulares

CN.B.5.2.5. Analizar la acción enzimática en los procesos metabólicos a nivel celular y evidenciar experimentalmente la influencia de diversos factores en la velocidad de las reacciones.

● Acción enzimática en los procesos metabólicos celulares

Saberes previos

¿En todas las células suceden reacciones químicas?

Desequilibrio cognitivo

Tu cuerpo necesita respuestas inmediatas ante los estímulos. ¿Qué pasaría si no eres capaz de generarlas?

El metabolismo celular

Las unidades fisiológicas de nuestro cuerpo se llaman células, pues cumplen con una gran cantidad de funciones que implican reacciones químicas, algunas muy sencillas y otras bastante complejas. El conjunto de todas esas reacciones químicas se conoce con el nombre de metabolismo celular.

▲ Dentro de las mitocondrias suceden varias reacciones metabólicas.

Las reacciones metabólicas se clasifican en los siguientes tipos:

1. Anabólicas
Son aquellas cuya finalidad es construir una molécula más compleja
y grande que las que intervienen al inicio. Para que esto suceda,
se requiere el gasto de energía (es decir que son endergónicas).

◄  La fotosíntesis es una reacción anabólica, en la cual, a partir de CO_2 y H_2O, se obtiene glucosa. No podría suceder sin la energía del sol y moléculas portadoras de energía como el ATP y el NADPH.

1. Catabólicas
Por el contrario, son aquellas en las que se rompen moléculas complejas en otras más sencillas, con el objetivo principal de liberar energía (son reacciones de tipo exergónico).

◄  En la respiración celular aeróbica, la glucosa es transformada en CO _2 y H_2O, con la producción de 38 moléculas de ATP.

Las reacciones metabólicas necesitan catalizadores

Audesirk et al. (2008) mencionan que el metabolismo de los organismos no lograría funcionar con la suficiente rapidez como para mantener su vida tan solo con la temperatura corporal. Entonces, los dos mecanismos obvios para poder sobrevivir serían: a) elevar la temperatura corporal; o b) utilizar estrategias que disminuyan la energía de activación de esas reacciones químicas (los catalizadores). Si bien la primera opción sí se usa, la vía predilecta de los seres, inclusive los más sencillos como bacterias y hongos, es el uso de enzimas como catalizadores químicos.

▲ Las iguanas marinas, así como el resto de reptiles, dependen del calor ambiental para acelerar su metabolismo.

¿Qué hace a las enzimas tan indispensables?

Al hablar de los procesos de duplicación, transcripción y traducción, adelantamos que las enzimas son proteínas (largas cadenas de aminoácidos) biocatalizadoras, es decir, que aceleran los procesos metabólicos de los seres vivos. En su ausencia, esos procesos tardarían mucho o simplemente no se realizarían.

Varias enzimas necesitan un complemento no proteico para poder funcionar correctamente. Estas son las coenzimas, que generalmente están compuestas por un nucleótido unido a una vitamina.

▲ Aquí se observa la diferencia entre la cantidad de energía que interviene en la respiración celular cuando las enzimas catabolizan las reacciones o no.

Laboratorio casero

Enzimas digestivas

Necesitarás una cápsula de Digestopan Forte, avena cruda, agua, dos vasos y dos cucharas. Agrega la misma cantidad de avena a cada vaso y también la misma cantidad de agua. Mézclalas bien. Agrega el contenido de la cápsula a solo uno de los vasos (el otro nos servirá como testigo) y mezcla bien. Deja reposar las mezclas durante treinta minutos y compara los resultados.

¿Qué sucedió? ¿Qué contiene la cápsula?

Las enzimas cumplen dos características que las diferencian de otros tipos de catalizadores químicos:

1. Tienen una alta especificidad. Es decir, intervienen en un solo tipo de reacción. Cada enzima tiene en su estructura un sitio activo que reconoce únicamente a las moléculas que van a intervenir en la reacción (llamadas sustratos) y que les permiten asociarse, tras lo cual cambian de forma.
Una vez que se ha realizado la reacción y el producto sale del complejo, la enzima recupera  su forma original y está lista para trabajar nuevamente.
Te habrás fijado que el nombre de las enzimas estudiadas guarda relación con la función específica que cumplen.
Algunos ejemplos son los siguientes:

▲ La alta especificidad de las enzimas y sus sustratos se comparan con un sistema de llave y cerradura.

1. Las enzimas y su función son reguladas en la célula, mediante diferentes mecanismos:
a) Por retroalimentación negativa, que sucede cuando ya los productos de la reacción química se han elevado e inhiben la unión de un nuevo sustrato.

b) Manteniendo a la enzima inactiva hasta que llegue el momento y el lugar de actuar. Un ejemplo son las proteasas que solo funcionan en el estómago.
c) Gracias a moléculas que modifican la estructura de la enzima para impedir su funcionamiento, mecanismo que se denomina regulación alostérica.

▲ Mecanismos de regulación alostérica que inhiben o permiten la acción de una enzima, de acuerdo con la necesidad de la célula.

Interdisciplinariedad

Genética y agricultura

Gracias al descubrimiento de las endonucleasas, la biotecnología ha podido insertar genes de una especie en otra, logrando crear los transgénicos u OMG (organismos modificados genéticamente). Estos tienen varias aplicaciones, como, por ejemplo, la introducción de alguna característica deseada para mejorar la productividad, la resistencia de cultivos agrícolas o incluso la obtención en masa de medicamentos como la insulina.

▲ Mazorca de maíz modificada genéticamente para resistir a plagas y enfermedades.

Laboratorio 1

Laboratorio 1

Extracción de ADN

Materiales

- Un puñado de sal de mesa
- Un tomate o fresas
- Un mortero con su pistilo
- Ablandador de carne en polvo
- Agua para beber
- Alcohol isopropílico helado
- Jabón líquido
- Vasos de precipitación
- Agitadores de vidrio
- Embudos
- Un colador muy fino
- Tubos de ensayo
- Palillos de pinchos para frutas (de madera, delgados y largos)
- Una gradilla
- Un cuchillo
- Goteros
- Espátulas
- Porta y cubreobjetos
- Azul de metileno fresco y filtrado
- Microscopio compuesto

Objetivo

Obtener muestras de ADN a partir de tejidos vegetales y animales, y observarlas con el microscopio para evidenciar su presencia en todas las células.

Introducción

Este laboratorio está dividido en dos partes. En la primera, utilizarás reactivos para desintegrar el núcleo celular de una muestra vegetal, liberando las moléculas de ADN que hay en su interior. En la segunda parte, aislarás material genético que se encuentra en las células de tu mucosa bucal para comparar a través del microscopio con el ADN de la primera muestra. Es importante que antes de empezar, leas las instrucciones para que no cometas errores. También es necesario que para redactar la parte de conclusiones, previamente consultes cuál es la acción de cada reactivo que utilizarás, con la finalidad de que logres interpretar correctamente tus resultados.

Primera parte: extracción de ADN de una muestra vegetal

1. Lava las muestras de tomate o fresas para evitar cualquier contaminación. Corta la muestra en pedazos pequeños y colócala en el mortero. Añade un poco de agua para facilitar el proceso de moler la muestra. Se puede reemplazar el mortero por una licuadora, siempre y cuando se la utilice con pequeñas pulsaciones para evitar romper las fibras de ADN. (Ver imagen 1)

▲ Imagen 1.

1. Colar el jugo espeso que se obtuvo en el paso anterior, y colocarlo en dos tubos de ensayo (tendrás dos muestras para asegurar un resultado positivo), cuidando de dejar libres dos terceras partes de su capacidad.
2. Añadir a cada muestra cinco gotas de jabón líquido y dejar reposar durante cinco minutos.
3. Añadir una espátula de sal a cada muestra y dejar reposar durante dos minutos.
4. Añadir una espátula de ablandador de carne y dejar reposar dos minutos más.

▲ Imagen 2.

1. Este es el paso en el que debes poner mayor cuidado y precisión, porque de él depende obtener buenos resultados. En un tubo de ensayo limpio, coloca el alcohol isopropílico, el cual debe estar bien frío. Inclina el tubo con la muestra y desliza el alcohol lentamente por una de sus paredes, cuidando de que no se mezcle con la muestra. Deben quedarte dos fases: la inferior con el jugo vegetal y los reactivos, y la superior con el alcohol. Deja reposar durante cinco minutos más.
2. Introduce cuidadosamente el palillo de pincho hasta llegar al límite de las dos fases (donde jugo y alcohol se tocan). Mueve lentamente y de forma circular el palillo, como si estuvieras enrollando un hilo. Vas a notar las hebras de ADN que pueden ser cortas o largas, dependiendo del cuidado que hayas tenido al moler la muestra vegetal. (Ver imagen 2)
3. Coloca las fibras en un portaobjetos, tiñe con azul de metileno, coloca el cubreobjetos y observa a través del microscopio. Dibuja lo que observas.

Segunda parte: extracción de tu propio ADN

1. Ten a mano un vaso con agua para beber.
2. Disuelve cinco cucharadas de sal en otro vaso con agua. Bebe un sorbo grande y mueve el líquido dentro de tu boca, de tal manera que el movimiento desprenda las células de tu mucosa bucal. Sigue haciéndolo durante treinta segundos y luego escupe este líquido en un vaso de precipitación muy limpio y seco.
3. Llena una tercera parte de dos tubos de ensayo con esta muestra.
4. Coloca en cada uno el jabón, la sal y el ablandador de carne, tal como hiciste con la muestra vegetal, dejando actuar a cada reactivo el tiempo que se recomendó anteriormente.
5. Coloca el alcohol con el mismo cuidado de antes y deja reposar.
6. Obtén las hebras de ADN como lo hiciste anteriormente y prepara las placas para verlas a través del microscopio. (Ver imagen 3) Realiza los dibujos correspondientes.

▲ Imagen 3.

Resultados

Al realizar tu informe, incluye los dibujos de lo que observaste con el microscopio, estableciendo comparaciones entre ambas muestras. Recuerda rotular y anotar el aumento con el que observaste.

Conclusiones

Redacta cuál fue la función de cada uno de los reactivos usados, si tuviste buenos resultados, qué observaste con el microscopio, qué hiciste bien y qué pudiste haber hecho mejor, qué te resultó difícil y qué aprendiste con esta práctica.

Bibliografía

En tu informe, anota las fuentes que consultaste sobre la acción de los reactivos, siguiendo el formato APA.