Procesos de Fisiología Neuronal: Polarización, Despolarización y Repolarización
Polarización
En el exterior de la membrana, la acumulación de iones positivos es mayor que la de iones negativos y, a la inversa, internamente la acumulación de iones negativos es mayor. Por lo tanto, se genera a ambos lados de la membrana una distribución de cargas eléctricas, es decir, una diferencia de potencial eléctrico que consiste en una mayor electropositividad exterior y una mayor electronegatividad en el interior. En este estado se dice que la neurona tiene un potencial de membrana o que está en reposo, inactiva o polarizada.
Despolarización
Cuando actúa sobre una neurona un estímulo (una variación del medio), éste provoca la permeabilización brusca de la membrana neuronal al sodio, el cual penetra al interior, en la zona de la membrana que fue estimulada, invirtiéndose la distribución de las cargas. En el lugar donde se invierte el potencial de membrana, se dice que la neurona se ha activado o despolarizado.
Repolarización
Una alta concentración intracelular de ión sodio resulta tóxica para las células, por lo cual éstas deben expulsarlo nuevamente al exterior. Como la membrana neuronal es impermeable a este ión, esta expulsión representa un trabajo, es decir, se requiere gasto de energía. Esta energía es suministrada por un proceso denominado bomba de sodio-potasio, la cual insume ATP (energía química proveniente de la respiración celular).
La Bomba Sodio-Potasio
La bomba de sodio y potasio es una proteína presente en todas las membranas plasmáticas de las células, cuyo objetivo es eliminar sodio de la célula e introducir potasio en el citoplasma. Ese intercambio permite mantener, a través de la membrana, las diferentes concentraciones entre ambos cationes.
Fenómenos de la Vida
Homeostasis
La homeostasis es el conjunto de fenómenos de autorregulación que llevan al mantenimiento de la constancia en las propiedades y la composición del medio interno de un organismo.
Respiración
La respiración celular es un proceso metabólico que ocurre en las células para convertir la glucosa en energía utilizable en forma de ATP. En presencia de oxígeno (respiración aeróbica), la glucosa se descompone completamente, liberando una mayor cantidad de ATP.
Movimiento
El movimiento es el desplazamiento de toda célula, ya sea porque así se requiere para realizar alguna función en específica. El movimiento celular más importante es el de las células musculares especializadas de los músculos esquelético, cardiaco y liso, los cuales constituyen el 50% de toda la masa corporal, y por medio de ellas se da el movimiento de todo el cuerpo.
Tipos de Conocimiento
Conocimiento Empírico
Se basa en la experiencia directa y la observación personal. Se adquiere a través de la interacción sensorial con el entorno y la acumulación de vivencias.
Conocimiento Científico
Se basa en la observación sistemática, la experimentación controlada y la formulación de leyes y teorías generales. Se busca la objetividad, la precisión y la capacidad de predicción. Se utiliza el método científico para su construcción.
Conocimiento Teológico
Se basa en la fe, la revelación divina y las enseñanzas de una tradición religiosa. Se ocupa del estudio de lo divino y sus atributos, así como de la relación entre la humanidad y lo sagrado.
Las diferencias son claras: el empírico se basa en lo que nosotros experimentamos, mientras que el científico no, éste es basado en experimentación y comprobación. En cambio, la teología, es basada en conocimientos que “obtenemos” de seres divinos.
Pasos del Método Científico
- Observación: Consiste en la recopilación de hechos acerca de un problema o fenómeno natural que despierta nuestra curiosidad. Las observaciones deben ser lo más claras y numerosas posible, porque han de servir como base de partida para la solución.
- Hipótesis: Es la explicación tentativa que se propone para explicar las observaciones. Debe ser comprobable mediante la experimentación.
- Experimentación: Consiste en la verificación o comprobación de la hipótesis. La experimentación determina la validez de las posibles explicaciones que nos hemos dado y decide el que una hipótesis se acepte o se deseche.
- Teoría: Es una explicación bien fundamentada de un aspecto del mundo natural que puede incorporar leyes, hipótesis y hechos. Ha sido confirmada a través de la observación y la experimentación repetidas.
- Ley: Es una descripción generalizada de un fenómeno natural que se ha observado que siempre ocurre bajo ciertas condiciones. No explica por qué ocurre el fenómeno, solo describe lo que ocurre.
Teoría Celular
La teoría celular es un concepto fundamental en biología que establece que:
- La célula es la unidad básica estructural y funcional de todos los seres vivos.
- Todos los organismos vivos están compuestos por una o más células.
- Las células nuevas se originan a partir de células preexistentes a través de la división celular.
Clasificación de las Proteínas
Según su Composición Química
Proteínas Simples
Formadas únicamente por aminoácidos.
Proteínas Conjugadas
Formadas por una parte proteica (aminoácidos) y una parte no proteica llamada grupo prostético. Ejemplos:
- Glicoproteínas: Grupo prostético: glúcido.
- Lipoproteínas: Grupo prostético: lípido.
- Metaloproteínas: Grupo prostético: ion metálico (Fe, Cu, Zn, etc.).
Según su Forma
Proteínas Fibrosas
- Cadenas polipeptídicas dispuestas en largas fibras o láminas.
- Generalmente insolubles en agua.
- Función estructural (colágeno, queratina, elastina).
Proteínas Globulares
- Cadenas polipeptídicas plegadas en formas compactas y esféricas.
- Generalmente solubles en agua.
- Funciones diversas (enzimas, hormonas, anticuerpos).
Proteínas Mixtas
- Combinan regiones fibrosas y globulares.
- Propiedades intermedias entre las fibrosas y las globulares.
Metaloproteínas y Enzimas Respiratorias
Las metaloproteínas son un tipo de proteínas conjugadas que contienen un ion metálico como grupo prostético. Un ejemplo importante son las enzimas respiratorias, como los citocromos, que contienen un grupo hemo con un átomo de hierro. Estas enzimas son esenciales en la cadena de transporte de electrones durante la respiración celular, donde participan en la transferencia de electrones para la producción de ATP.
Estructura Primaria de las Proteínas
La estructura primaria de una proteína se refiere a la secuencia lineal específica de aminoácidos que la componen. Esta secuencia está determinada por la información genética contenida en el ADN. La unión entre los aminoácidos se realiza mediante enlaces peptídicos, que son enlaces covalentes formados entre el grupo carboxilo (-COOH) de un aminoácido y el grupo amino (-NH2) del siguiente.
Acción Enzimática
Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores biológicos, acelerando las reacciones químicas en los seres vivos. La acción enzimática se basa en la formación de un complejo enzima-sustrato, donde la enzima se une específicamente a su sustrato en una región llamada sitio activo. Esta unión facilita la reacción química, disminuyendo la energía de activación necesaria para que se produzca.
Estructura Secundaria de las Proteínas
La estructura secundaria se refiere al plegamiento local de la cadena polipeptídica en estructuras regulares, como hélices alfa y láminas beta. Estas estructuras se estabilizan mediante puentes de hidrógeno formados entre los átomos de la cadena principal (el esqueleto peptídico).
Estructura Cuaternaria de las Proteínas
La estructura cuaternaria se refiere a la disposición tridimensional de dos o más cadenas polipeptídicas (subunidades) para formar una proteína funcional. Las fuerzas que mantienen unidas las subunidades son las mismas que estabilizan las estructuras terciarias: puentes de hidrógeno, interacciones iónicas, interacciones hidrofóbicas y enlaces disulfuro.
Estructura Terciaria de las Proteínas
La estructura terciaria se refiere al plegamiento tridimensional global de la cadena polipeptídica. Esta estructura está determinada por las interacciones entre los grupos R (cadenas laterales) de los aminoácidos. Las fuerzas que estabilizan la estructura terciaria incluyen:
- Puentes de hidrógeno entre grupos R polares.
- Interacciones iónicas entre grupos R cargados.
- Interacciones hidrofóbicas entre grupos R apolares.
- Enlaces disulfuro (covalentes) entre dos residuos de cisteína.
Las Proteínas y la Expresión Génica: El Albinismo
La expresión génica es el proceso mediante el cual la información codificada en los genes se utiliza para sintetizar proteínas. Un gen es un segmento de ADN que contiene la información para la síntesis de una proteína específica. El albinismo es un ejemplo de cómo una mutación en un gen puede afectar la producción de una proteína y, por lo tanto, tener consecuencias fenotípicas. El albinismo se caracteriza por la ausencia o disminución de la producción de melanina, el pigmento responsable del color de la piel, el cabello y los ojos. Esta condición es causada por mutaciones en genes que codifican enzimas involucradas en la síntesis de melanina. Por ejemplo, una mutación en el gen TYR afecta la producción de la enzima tirosinasa, que es esencial para la síntesis de melanina. Como resultado, las personas con albinismo tienen una piel muy clara, cabello blanco o amarillo pálido y ojos azules o rosados.
Cromatina, Genes, ADN, Cromosomas y Reproducción Sexual
El ADN es una molécula que contiene la información genética de un organismo. Está organizada en unidades llamadas genes, que son segmentos de ADN que codifican para la producción de proteínas. El ADN se encuentra en el núcleo de las células eucariotas en forma de cromatina, que es una estructura compleja de ADN y proteínas. Durante la división celular, la cromatina se condensa y se organiza en estructuras compactas llamadas cromosomas. Cada especie tiene un número característico de cromosomas. En la reproducción sexual, dos individuos aportan cada uno la mitad de su información genética a través de los gametos (espermatozoides y óvulos). Los gametos son células haploides, es decir, contienen la mitad del número de cromosomas que una célula somática (célula del cuerpo). Durante la fecundación, el espermatozoide y el óvulo se fusionan, formando un cigoto diploide que contiene la información genética completa de ambos progenitores.
Las Proteínas y el Movimiento: Actina, Miosina y Sarcómero
La actina y la miosina son dos proteínas que juegan un papel fundamental en la contracción muscular. La actina forma filamentos delgados, mientras que la miosina forma filamentos gruesos. Estas proteínas se organizan en unidades repetitivas llamadas sarcómeros, que son las unidades funcionales básicas del músculo esquelético. La contracción muscular se produce por el deslizamiento de los filamentos de actina sobre los filamentos de miosina, lo que acorta el sarcómero y, en consecuencia, el músculo.
Las Proteínas como Material de Construcción: El Hueso
Las proteínas también desempeñan un papel crucial como material de construcción en los tejidos del cuerpo. Un ejemplo notable es el colágeno, una proteína fibrosa que proporciona resistencia y soporte estructural a diversos tejidos conectivos, incluyendo los huesos, tendones, cartílagos y piel. En los huesos, el colágeno forma una matriz extracelular que les confiere resistencia a la tracción y la compresión.
Cadenas Enzimáticas
Una cadena enzimática es una secuencia de reacciones químicas en la que el producto de una reacción sirve como sustrato para la siguiente. Cada reacción en la cadena es catalizada por una enzima específica. Las cadenas enzimáticas son esenciales para el metabolismo celular, ya que permiten la degradación y síntesis de moléculas complejas de manera eficiente y controlada.
Regulación Alostérica de las Cadenas Enzimáticas
La regulación alostérica es un mecanismo importante para controlar la actividad de las enzimas y, por lo tanto, la velocidad de las cadenas enzimáticas. Las enzimas alostéricas tienen sitios de unión adicionales (sitios alostéricos) a los que se pueden unir moléculas reguladoras (moduladores). La unión de un modulador al sitio alostérico puede activar o inhibir la actividad de la enzima, lo que afecta la velocidad de la cadena enzimática.
Monosacáridos
Los monosacáridos son los carbohidratos más simples. Son azúcares simples que no se pueden descomponer en unidades más pequeñas por hidrólisis. Tienen la fórmula general (CH2O)n, donde n es un número entero entre 3 y 7. Los monosacáridos más comunes son:
- Glucosa: Es el azúcar más importante en la biología. Es la principal fuente de energía para las células y es un componente de muchos carbohidratos más complejos.
- Fructosa: Se encuentra en las frutas y la miel. Es más dulce que la glucosa.
- Galactosa: Es un componente del azúcar de la leche (lactosa).
Disacáridos
Los disacáridos están formados por dos monosacáridos unidos por un enlace glucosídico. Los disacáridos más comunes son:
- Sacarosa: Es el azúcar de mesa común. Está formada por glucosa y fructosa.
- Lactosa: Es el azúcar de la leche. Está formada por glucosa y galactosa.
- Maltosa: Se encuentra en los granos en germinación. Está formada por dos moléculas de glucosa.
Polisacáridos
Los polisacáridos son carbohidratos complejos formados por la unión de muchos monosacáridos. Los polisacáridos más comunes son:
- Almidón: Es la principal forma de almacenamiento de energía en las plantas. Está formado por unidades de glucosa.
- Glucógeno: Es la principal forma de almacenamiento de energía en los animales. Está formado por unidades de glucosa.
- Celulosa: Es el componente principal de las paredes celulares de las plantas. Está formada por unidades de glucosa.
- Quitina: Es un componente estructural importante en los exoesqueletos de los artrópodos (insectos, crustáceos) y en las paredes celulares de los hongos. Está formada por unidades de N-acetilglucosamina.
Clasificación General de los Lípidos
Los lípidos son un grupo diverso de biomoléculas que comparten la característica de ser insolubles en agua. Se pueden clasificar en:
Lípidos de Reserva Energética
- Triglicéridos (grasas neutras): Son la principal forma de almacenamiento de energía en el cuerpo. Están formados por una molécula de glicerol y tres ácidos grasos.
Lípidos Estructurales
- Fosfolípidos: Son los principales componentes de las membranas celulares. Tienen una cabeza polar (hidrofílica) y dos colas no polares (hidrofóbicas).
- Esfingolípidos: Son componentes importantes de las membranas celulares, especialmente en el tejido nervioso. Están formados por una molécula de esfingosina, un ácido graso y un grupo polar.
- Colesterol: Es un esterol que se encuentra en las membranas celulares de los animales. Es un precursor de hormonas esteroideas y ácidos biliares.
Otros Lípidos
- Esteroides: Son lípidos que tienen una estructura de cuatro anillos fusionados. Incluyen hormonas esteroideas (testosterona, estrógeno, cortisol), ácidos biliares y colesterol.
- Vitaminas liposolubles: Son vitaminas que se disuelven en grasas. Incluyen las vitaminas A, D, E y K.
Triglicéridos
Los triglicéridos son la principal forma de almacenamiento de energía en el cuerpo. Están formados por una molécula de glicerol y tres ácidos grasos. Los ácidos grasos pueden ser saturados o insaturados. Los ácidos grasos saturados no tienen dobles enlaces entre los átomos de carbono, mientras que los ácidos grasos insaturados tienen uno o más dobles enlaces. Los triglicéridos se almacenan en el tejido adiposo (grasa corporal).
Lípidos Estructurales
Los lípidos estructurales son componentes esenciales de las membranas celulares. Los fosfolípidos son los lípidos estructurales más abundantes. Tienen una cabeza polar (hidrofílica) que contiene un grupo fosfato y dos colas no polares (hidrofóbicas) que son ácidos grasos. Los fosfolípidos forman una bicapa lipídica en las membranas celulares, con las cabezas polares orientadas hacia el exterior y el interior de la célula y las colas no polares orientadas hacia el interior de la bicapa.
Esfingolípidos
Los esfingolípidos son componentes importantes de las membranas celulares, especialmente en el tejido nervioso. Están formados por una molécula de esfingosina, un ácido graso y un grupo polar. La esfingosina es un aminoalcohol de cadena larga. Los esfingolípidos se encuentran en la vaina de mielina que rodea a los axones de las neuronas.
Colesterol y Esteroides
El colesterol es un esterol que se encuentra en las membranas celulares de los animales. Es un precursor de hormonas esteroideas y ácidos biliares. Los esteroides son lípidos que tienen una estructura de cuatro anillos fusionados. Incluyen hormonas esteroideas (testosterona, estrógeno, cortisol), ácidos biliares y colesterol.
Vitaminas Liposolubles
Las vitaminas liposolubles son vitaminas que se disuelven en grasas. Incluyen las vitaminas A, D, E y K. Estas vitaminas se absorben junto con las grasas de la dieta y se almacenan en el tejido adiposo y el hígado.
Tipos de ARN
El ARN (ácido ribonucleico) es una molécula similar al ADN que desempeña un papel fundamental en la síntesis de proteínas. Existen tres tipos principales de ARN:
ARN mensajero (ARNm)
El ARNm lleva la información genética del ADN en el núcleo al citoplasma, donde se sintetizan las proteínas. Cada codón (secuencia de tres nucleótidos) en el ARNm especifica un aminoácido en la proteína.
ARN de transferencia (ARNt)
El ARNt se une a los aminoácidos y los transporta al ribosoma, donde se ensamblan en proteínas. Cada ARNt tiene un anticodón que es complementario a un codón específico en el ARNm.
ARN ribosomal (ARNr)
El ARNr es un componente estructural de los ribosomas, que son las máquinas moleculares responsables de la síntesis de proteínas.
ADN: Estructura, Localización y Función
Estructura
El ADN es una doble hélice formada por dos cadenas de nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por un azúcar (desoxirribosa), un grupo fosfato y una base nitrogenada. Las bases nitrogenadas son adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C). Las bases se aparean de forma específica: A con T y G con C.
Localización
En las células eucariotas, el ADN se encuentra principalmente en el núcleo. También se encuentra en las mitocondrias y los cloroplastos.
Función
El ADN contiene la información genética de un organismo. Esta información se utiliza para dirigir la síntesis de proteínas, que son las moléculas que llevan a cabo la mayoría de las funciones celulares.
El ADN como Depósito del Patrimonio Genético
El ADN es el material hereditario que se transmite de padres a hijos. Contiene la información genética que determina las características de un organismo. Esta información se organiza en genes, que son segmentos de ADN que codifican para la producción de proteínas. La secuencia de nucleótidos en un gen determina la secuencia de aminoácidos en una proteína, lo que a su vez determina la estructura y función de la proteína.
Transferencia Génica en la Reproducción
Durante la reproducción sexual, el ADN se transmite de padres a hijos a través de los gametos (espermatozoides y óvulos). Los gametos son células haploides, es decir, contienen la mitad del número de cromosomas que una célula somática. Durante la fecundación, el espermatozoide y el óvulo se fusionan, formando un cigoto diploide que contiene la información genética completa de ambos progenitores.
Síntesis de Proteínas
La síntesis de proteínas es el proceso mediante el cual se crean nuevas proteínas a partir de la información genética contenida en el ADN. Este proceso consta de dos etapas principales:
Transcripción
La transcripción es el proceso mediante el cual la información genética del ADN se copia en una molécula de ARN mensajero (ARNm). La transcripción se lleva a cabo en el núcleo de las células eucariotas.
Traducción
La traducción es el proceso mediante el cual la información genética del ARNm se utiliza para sintetizar una proteína. La traducción se lleva a cabo en los ribosomas, que se encuentran en el citoplasma.
Código Genético
El código genético es el conjunto de reglas que determina cómo se traduce la secuencia de nucleótidos en el ARNm en la secuencia de aminoácidos en una proteína. El código genético es universal, lo que significa que es el mismo en todos los organismos vivos.
Cromatina: Heterocromatina y Eucromatina
La cromatina es la forma en que se encuentra el ADN en el núcleo de las células eucariotas. Es una estructura dinámica que puede adoptar diferentes niveles de compactación. La cromatina se puede clasificar en dos tipos principales:
Heterocromatina
La heterocromatina es una forma de cromatina altamente condensada que no se transcribe. Se encuentra en la periferia del núcleo y está involucrada en la regulación de la expresión génica.
Eucromatina
La eucromatina es una forma de cromatina menos condensada que se transcribe. Se encuentra en el interior del núcleo y está involucrada en la expresión génica activa.
Profase Mitótica
La profase es la primera etapa de la mitosis, el proceso de división celular que produce dos células hijas idénticas a partir de una célula madre. Durante la profase:
- Los cromosomas se condensan y se hacen visibles.
- La membrana nuclear se desintegra.
- Los nucléolos desaparecen.
- Se forma el huso mitótico.
Metafase y Anafase Mitóticas
Metafase
La metafase es la segunda etapa de la mitosis. Durante la metafase, los cromosomas se alinean en el plano ecuatorial de la célula (placa metafásica).
Anafase
La anafase es la tercera etapa de la mitosis. Durante la anafase, las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan y se mueven hacia los polos opuestos de la célula.
Profase I Meiótica
La profase I es la primera etapa de la meiosis, un tipo de división celular que produce gametos (espermatozoides y óvulos). La profase I es una etapa larga y compleja que se divide en cinco subetapas:
- Leptoteno: Los cromosomas se condensan y se hacen visibles.
- Cigoteno: Los cromosomas homólogos se aparean, formando una estructura llamada bivalente o tétrada.
- Paquiteno: Se produce el entrecruzamiento (crossing over), un proceso de intercambio de material genético entre cromosomas homólogos.
- Diploteno: Los cromosomas homólogos comienzan a separarse, pero permanecen unidos en los puntos de entrecruzamiento (quiasmas).
- Diacinesis: Los cromosomas se condensan al máximo y los quiasmas se desplazan hacia los extremos de los cromosomas. La membrana nuclear se desintegra y se forma el huso meiótico.
Paquiteno
El paquiteno es la tercera subetapa de la profase I meiótica. Durante el paquiteno, se produce el entrecruzamiento (crossing over), un proceso de intercambio de material genético entre cromosomas homólogos. El entrecruzamiento es un proceso importante que aumenta la variabilidad genética de la descendencia.
Anafase I y Anafase II Meióticas
Anafase I
La anafase I es la tercera etapa de la meiosis I. Durante la anafase I, los cromosomas homólogos se separan y se mueven hacia los polos opuestos de la célula. Cada cromosoma todavía está formado por dos cromátidas hermanas.
Anafase II
La anafase II es la tercera etapa de la meiosis II. Durante la anafase II, las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan y se mueven hacia los polos opuestos de la célula. Al final de la anafase II, cada célula hija tiene un conjunto haploide de cromosomas.
Espermatogénesis y Ovogénesis
La espermatogénesis y la ovogénesis son los procesos de formación de gametos (espermatozoides y óvulos) en los hombres y las mujeres, respectivamente. Ambos procesos implican la meiosis, pero existen algunas diferencias importantes:
Espermatogénesis
- Se produce en los testículos.
- Comienza en la pubertad y continúa durante toda la vida.
- Cada célula germinal masculina (espermatogonia) produce cuatro espermatozoides viables.
Ovogénesis
- Se produce en los ovarios.
- Comienza antes del nacimiento y se completa después de la pubertad.
- Cada célula germinal femenina (ovogonia) produce un óvulo viable y tres cuerpos polares no funcionales.
Eucromatina: Localización y Función
La eucromatina es una forma de cromatina menos condensada que se encuentra en el interior del núcleo. Es la forma de cromatina activa transcripcionalmente, lo que significa que los genes que contiene se están expresando. La eucromatina está involucrada en la síntesis de ARN y proteínas.
Membrana Nuclear y Nucléolos
Membrana Nuclear
La membrana nuclear es una doble membrana que rodea al núcleo de las células eucariotas. Regula el transporte de moléculas entre el núcleo y el citoplasma. La membrana nuclear tiene poros que permiten el paso selectivo de moléculas.
Nucléolos
Los nucléolos son estructuras esféricas que se encuentran en el núcleo de las células eucariotas. Son los sitios de síntesis y ensamblaje de los ribosomas. Los nucléolos contienen ADN, ARN y proteínas.