Bloque A: Metabolismo Celular
1. Diferencias entre Respiración Celular Aerobia y Fermentación
La respiración celular aerobia es un proceso catabólico que se lleva a cabo principalmente en la mitocondria y que requiere oxígeno. Consta de tres etapas principales:
Glucólisis: La glucosa se descompone en dos moléculas de piruvato, produciendo 2 ATP y 2 NADH.
Ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico): El piruvato se transforma en Acetil-CoA, que entra en el ciclo y produce CO₂, NADH y FADH₂.
Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa: Los electrones pasan por una serie de complejos proteicos, generando un gradiente de protones que permite la síntesis de ATP, con un rendimiento de hasta 36-38 ATP por molécula de glucosa.
La fermentación también comienza con la glucólisis, pero ocurre en ausencia de oxígeno y no involucra el ciclo de Krebs ni la cadena de transporte de electrones. El piruvato se convierte en productos finales como etanol (en la fermentación alcohólica) o ácido láctico (en la fermentación láctica). El rendimiento energético es significativamente menor: solo 2 ATP por molécula de glucosa.
2. Fases de la Fotosíntesis: Fase Luminosa y Ciclo de Calvin
La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas, algas y algunas bacterias convierten la energía luminosa en energía química. Consta de dos fases principales:
Fase Luminosa (o Reacciones Dependientes de la Luz)
Esta fase ocurre en los tilacoides del cloroplasto. Durante ella, se capta la energía solar mediante los fotosistemas II y I. El agua se divide por fotólisis, liberando oxígeno (O₂), y se generan moléculas energéticas clave: ATP y NADPH, gracias a la cadena de transporte de electrones.
Fase Oscura (o Ciclo de Calvin)
También conocida como Ciclo de Calvin, esta fase tiene lugar en el estroma del cloroplasto. En ella, el dióxido de carbono (CO₂) se fija mediante la enzima RuBisCO, utilizando el ATP y el NADPH producidos en la fase luminosa. Tras varias vueltas del ciclo, se sintetiza una molécula de glucosa.
3. Comparación entre Anabolismo y Catabolismo
El anabolismo es el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales las células sintetizan moléculas complejas (macromoléculas) a partir de otras más simples. Estas reacciones son endergónicas, es decir, requieren un aporte de energía, generalmente en forma de ATP. Ejemplos clave de procesos anabólicos son la fotosíntesis y la síntesis de proteínas.
El catabolismo, por el contrario, es el conjunto de reacciones metabólicas por las cuales se degradan moléculas complejas en otras más simples, liberando energía que es almacenada en forma de ATP. Estas reacciones son exergónicas. Ejemplos de procesos catabólicos son la respiración celular y la fermentación.
Ambos procesos están intrínsecamente relacionados y forman parte del metabolismo celular. El catabolismo proporciona la energía (ATP) y los precursores moleculares que el anabolismo necesita para construir nuevas estructuras celulares y realizar sus funciones. Trabajan de forma coordinada y continua, manteniendo el equilibrio energético y estructural de la célula.
Bloque B: Genética Molecular
4. Replicación del ADN: Proceso, Enzimas y Carácter Semiconservador
La replicación del ADN es el proceso fundamental mediante el cual se duplica el material genético de una célula antes de la división celular, asegurando que cada célula hija reciba una copia completa del genoma. Este proceso es altamente preciso y coordinado.
Etapas y Enzimas Clave de la Replicación del ADN:
Inicio: Comienza en sitios específicos del ADN llamados orígenes de replicación.
Desenrrollamiento: La enzima helicasa rompe los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, separando las dos hebras de la doble hélice del ADN, formando una “burbuja de replicación” con dos “horquillas de replicación”.
Síntesis de Cebadores: La ADN primasa sintetiza pequeños fragmentos de ARN llamados cebadores (o primers), que proporcionan un punto de inicio para la ADN polimerasa.
Elongación: La ADN polimerasa es la enzima principal que sintetiza nuevas cadenas de ADN complementarias a las hebras molde. Siempre lo hace en dirección 5′ a 3′. En la cadena continua (o líder), la síntesis es ininterrumpida. En la cadena discontinua (o rezagada), la síntesis ocurre en fragmentos cortos llamados fragmentos de Okazaki.
Unión de Fragmentos: La ADN ligasa une los fragmentos de Okazaki en la cadena discontinua, formando una hebra continua.
Carácter Semiconservador de la Replicación:
Se dice que la replicación del ADN es semiconservadora porque cada una de las dos moléculas de ADN hijas resultantes conserva una de las cadenas originales (molde) de la molécula parental y sintetiza una nueva cadena complementaria. Este mecanismo asegura la fidelidad en la transmisión de la información genética.
5. Mutaciones Genéticas: Tipos y Efectos en la Expresión Génica
Las mutaciones genéticas son cambios permanentes en la secuencia de nucleótidos del ADN de un organismo. Pueden surgir de forma espontánea (errores durante la replicación del ADN, por ejemplo) o ser inducidas por agentes externos llamados mutágenos (físicos como la radiación, o químicos).
Clasificación de las Mutaciones:
Mutaciones Génicas (o Puntuales): Afectan a la secuencia de un solo gen. Incluyen:
Sustituciones de bases: Cambio de un nucleótido por otro (ej., mutación puntual).
Inserciones: Adición de uno o más nucleótidos.
Deleciones: Pérdida de uno o más nucleótidos.
Las inserciones y deleciones pueden causar un corrimiento del marco de lectura (frameshift), alterando drásticamente la proteína resultante.
Mutaciones Cromosómicas: Afectan a la estructura o a fragmentos de cromosomas. Incluyen:
Deleciones: Pérdida de un segmento cromosómico.
Duplicaciones: Repetición de un segmento cromosómico.
Inversiones: Un segmento cromosómico se invierte 180 grados.
Translocaciones: Intercambio de segmentos entre cromosomas no homólogos.
Mutaciones Genómicas: Afectan al número total de cromosomas de una célula o un organismo. Se dividen en:
Aneuploidías: Alteración en el número de cromosomas individuales (ej., monosomías, trisomías como el Síndrome de Down).
Poliploidías: Presencia de juegos completos adicionales de cromosomas (ej., triploidía, tetraploidía), más común en plantas.
Efectos de las Mutaciones en la Expresión Génica:
El impacto de una mutación en la expresión génica y en el fenotipo puede variar:
Mutaciones Silenciosas: No alteran la secuencia de aminoácidos de la proteína debido a la degeneración del código genético.
Mutaciones de Sentido Erróneo (Missense): Cambian un aminoácido por otro, lo que puede afectar la función de la proteína.
Mutaciones Sin Sentido (Nonsense): Convierten un codón que codifica un aminoácido en un codón de terminación, resultando en una proteína truncada y generalmente no funcional.
Mutaciones por Corrimiento del Marco de Lectura (Frameshift): Causadas por inserciones o deleciones no múltiples de tres nucleótidos, alteran todos los codones posteriores, llevando a proteínas completamente diferentes o truncadas.
Algunas mutaciones pueden ser perjudiciales y causar enfermedades genéticas al alterar la estructura o función de las proteínas. Otras pueden ser neutras o incluso beneficiosas, contribuyendo a la variabilidad genética y a la evolución de las especies.
6. Concepto de Cadena en Genética Molecular: ADN, ARN y Transcripción
En el contexto de la genética molecular, el término “cadena” se refiere principalmente a las hebras o filamentos de ácidos nucleicos, como el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico).
Cadenas de ADN:
Una molécula de ADN es una doble hélice compuesta por dos cadenas complementarias y antiparalelas. Durante procesos como la replicación o la transcripción, estas cadenas pueden separarse. Una de ellas, la cadena molde (o cadena antisentido), es utilizada como plantilla para sintetizar una nueva molécula de ADN o ARN.
La Cadena Molde en la Transcripción:
Durante la transcripción, la enzima ARN polimerasa se une a una región específica del ADN llamada promotor. A partir de la cadena molde de ADN, la ARN polimerasa sintetiza una nueva cadena de ARN mensajero (ARNm) que es complementaria a la secuencia de la cadena molde y, por tanto, similar a la cadena no molde (o cadena codificante) del ADN, con la salvedad de que el uracilo (U) reemplaza a la timina (T).
La secuencia de nucleótidos de esta cadena de ARNm es crucial, ya que posteriormente, durante la traducción, determinará la secuencia específica de aminoácidos que conformarán una proteína.
7. El Codón y las Propiedades del Código Genético: Degenerado y Universal
Un codón es una secuencia de tres nucleótidos consecutivos presente en el ARN mensajero (ARNm). Cada codón específico codifica para un aminoácido particular o para una señal de inicio (AUG, que también codifica metionina) o finalización (UAA, UAG, UGA) de la síntesis de proteínas durante el proceso de traducción.
Propiedades del Código Genético:
Degenerado (o Redundante): El código genético es degenerado porque varios codones diferentes pueden codificar para el mismo aminoácido. Por ejemplo, la leucina está codificada por seis codones distintos (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG). Esta redundancia proporciona cierta protección contra mutaciones puntuales, ya que un cambio en un nucleótido podría no alterar el aminoácido final.
Universal: Se dice que el código genético es universal porque, con muy pocas excepciones (como en algunas mitocondrias o ciertos microorganismos), la misma secuencia de codones codifica para los mismos aminoácidos en prácticamente todos los organismos vivos, desde bacterias hasta humanos. Esta universalidad es una fuerte evidencia de un origen evolutivo común para toda la vida en la Tierra.
Bloque C: Biotecnología e Inmunología
8. Biotecnología: Concepto y Aplicaciones Clave
La biotecnología es un campo multidisciplinar que implica la aplicación de organismos vivos (o partes de ellos, como células, enzimas o ADN) para desarrollar o fabricar productos y tecnologías útiles para la humanidad. Se basa en principios biológicos y se apoya en técnicas avanzadas como la ingeniería genética, la clonación, la transgénesis y la terapia génica.
Principales Aplicaciones de la Biotecnología:
Medicina y Salud:
Producción de fármacos (ej., insulina recombinante, hormona del crecimiento).
Desarrollo de vacunas y terapias génicas.
Diagnóstico molecular de enfermedades.
Medicina regenerativa y desarrollo de tejidos.
Agricultura y Alimentación:
Creación de cultivos transgénicos con resistencia a plagas, enfermedades o herbicidas.
Mejora de la calidad nutricional de los alimentos.
Desarrollo de biofertilizantes y biopesticidas.
Industria:
Producción de enzimas para detergentes, textiles o alimentos.
Fabricación de biocombustibles (ej., bioetanol).
Desarrollo de bioplásticos y biomateriales.
Medio Ambiente:
Biorremediación de suelos y aguas contaminadas.
Tratamiento de residuos.
Detección de contaminantes.
9. Inmunidad Innata vs. Adaptativa y el Mecanismo de las Vacunas
El sistema inmunológico es la defensa del organismo contra patógenos y sustancias extrañas. Se compone de dos ramas principales que trabajan de forma coordinada:
Inmunidad Innata (o Natural):
Es la primera línea de defensa del cuerpo.
Es no específica, lo que significa que responde de la misma manera a una amplia variedad de patógenos.
Actúa de forma rápida (minutos a horas).
Incluye barreras físicas (piel, mucosas), barreras químicas (lisozima, pH ácido del estómago) y células inmunitarias (fagocitos como macrófagos y neutrófilos, células NK o Natural Killer).
No genera memoria inmunológica, por lo que la respuesta no mejora con exposiciones repetidas.
Inmunidad Adaptativa (o Adquirida):
Es una respuesta altamente específica, dirigida contra antígenos particulares.
Es más lenta en desarrollarse (días), pero mucho más potente y precisa.
Involucra a los linfocitos B (que producen anticuerpos) y a los linfocitos T (incluyendo linfocitos T cooperadores y linfocitos T citotóxicos).
Su característica distintiva es que genera memoria inmunológica, lo que permite una respuesta más rápida y eficaz (secundaria) ante futuras exposiciones al mismo patógeno.
Mecanismo de Acción de las Vacunas:
Las vacunas son una herramienta fundamental de la salud pública que aprovechan la capacidad de la inmunidad adaptativa para generar memoria. Una vacuna introduce en el organismo un antígeno (que puede ser un patógeno inactivado, atenuado, fragmentos del patógeno o toxinas modificadas) que es reconocido como extraño, pero que no causa la enfermedad.
Esta exposición controlada estimula al sistema inmunológico a producir linfocitos B y T de memoria específicos para ese antígeno. De esta manera, si el organismo se encuentra con el patógeno real en el futuro, las células de memoria pueden montar una respuesta inmunitaria rápida y robusta, neutralizando la amenaza antes de que se desarrolle la enfermedad.
10. Tipos de Trasplantes y su Interacción con el Sistema Inmunológico
Los trasplantes son procedimientos médicos que implican la transferencia de órganos, tejidos o células de un individuo (donante) a otro (receptor) o dentro del mismo individuo, con el fin de restaurar una función biológica o reemplazar un tejido dañado.
Clasificación de los Trasplantes:
Autotrasplante (Autoinjerto): El donante y el receptor son la misma persona. Por ejemplo, un injerto de piel de una parte del cuerpo a otra. El riesgo de rechazo es nulo.
Isotrasplante (Isogénico): Se realiza entre individuos genéticamente idénticos, como gemelos monocigóticos (idénticos). El riesgo de rechazo es mínimo.
Alogénico (Aloinjerto): Se lleva a cabo entre individuos de la misma especie pero genéticamente diferentes (no idénticos). Es el tipo de trasplante más común (ej., trasplante de riñón, corazón). El riesgo de rechazo es significativo debido a las diferencias en los antígenos de histocompatibilidad.
Xenotrasplante (Xenoinjerto): Implica la transferencia de órganos o tejidos entre individuos de especies distintas (ej., de cerdo a humano). Presenta el mayor riesgo de rechazo debido a las grandes diferencias antigénicas.
Relación con el Sistema Inmunológico y el Rechazo:
El sistema inmunológico del receptor juega un papel crucial en el éxito o fracaso de un trasplante. Cuando el tejido u órgano trasplantado proviene de un donante genéticamente diferente (alogénico o xenogénico), el sistema inmune del receptor lo reconoce como “extraño” debido a la presencia de antígenos de histocompatibilidad (principalmente el Complejo Mayor de Histocompatibilidad, MHC) diferentes a los propios.
Esta respuesta inmunitaria puede desencadenar un rechazo del trasplante, donde las células inmunes del receptor atacan y destruyen el tejido trasplantado. Para prevenir o minimizar el rechazo, se administran fármacos inmunosupresores al receptor, especialmente en trasplantes alogénicos y xenotrasplantes. Estos medicamentos suprimen la actividad del sistema inmunológico, pero también aumentan el riesgo de infecciones y otros efectos secundarios.
11. Inmunidad Activa vs. Inmunidad Pasiva: Mecanismos y Duración
La inmunidad es la capacidad del organismo para resistir y protegerse de enfermedades causadas por agentes patógenos. Se puede adquirir de dos formas principales:
Inmunidad Activa:
Se desarrolla cuando el propio organismo produce sus propios anticuerpos y células inmunitarias activas en respuesta a la exposición a un antígeno.
Puede ser adquirida de forma natural (tras superar una infección, como la varicela) o de forma artificial (mediante la administración de una vacuna).
Una característica clave es que genera memoria inmunológica, lo que confiere una protección duradera y una respuesta más rápida y eficaz ante futuras exposiciones al mismo antígeno.
Su efecto es duradero, a menudo de por vida.
Inmunidad Pasiva:
Ocurre cuando el organismo recibe anticuerpos ya formados de una fuente externa, en lugar de producirlos por sí mismo.
Puede ser adquirida de forma natural (ej., anticuerpos maternos transferidos al feto a través de la placenta o al bebé a través de la leche materna) o de forma artificial (mediante la administración de sueros o inmunoglobulinas con anticuerpos específicos, como en el caso de una picadura de serpiente o exposición a toxinas).
A diferencia de la inmunidad activa, la inmunidad pasiva no genera memoria inmunológica.
Su efecto es inmediato pero temporal, ya que los anticuerpos transferidos se degradan con el tiempo.
12. PCR vs. Pruebas de Antígenos: Fundamentos y Aplicaciones Diagnósticas
La Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR) y las pruebas de antígenos son dos métodos diagnósticos ampliamente utilizados, especialmente en el contexto de enfermedades infecciosas, que se basan en principios moleculares diferentes.
Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR):
La PCR es una técnica de biología molecular que permite amplificar exponencialmente fragmentos específicos de ADN a partir de una muestra, incluso si la cantidad inicial es mínima. Es una herramienta fundamental en diagnóstico, investigación y forense.
Componentes y Ciclos de la PCR:
La reacción requiere:
Una ADN polimerasa termoestable (ej., Taq polimerasa).
Cebadores (primers): Pequeñas secuencias de ADN que delimitan el fragmento a amplificar.
Nucleótidos libres (dNTPs): Los “ladrillos” para construir nuevas cadenas de ADN.
Un termociclador: Un equipo que realiza ciclos repetidos de cambios de temperatura:
Desnaturalización: Calentamiento a 94-98°C para separar las dos hebras de ADN molde.
Alineamiento (Anillamiento): Enfriamiento a 50-65°C para que los cebadores se unan a sus secuencias complementarias en el ADN molde.
Extensión: Calentamiento a 70-75°C para que la ADN polimerasa sintetice nuevas cadenas de ADN a partir de los cebadores.
La PCR es extremadamente sensible y específica. Puede detectar la presencia de material genético (ADN o ARN viral, si se realiza una retrotranscripción previa, RT-PCR) incluso cuando la carga viral es muy baja. Esto la hace ideal para el diagnóstico temprano de infecciones.
Pruebas de Antígenos:
Las pruebas de antígenos son tests rápidos que detectan la presencia de proteínas específicas (antígenos) de un patógeno en una muestra. Funcionan mediante la unión de estos antígenos a anticuerpos específicos inmovilizados en la tira reactiva.
Son más rápidas y fáciles de usar que la PCR, a menudo con resultados en minutos.
Son menos sensibles que la PCR, lo que significa que requieren una mayor cantidad de patógeno (mayor carga viral) en la muestra para dar un resultado positivo. Esto las hace más adecuadas para cribados rápidos en personas con síntomas o alta sospecha de infección.
Resumen Comparativo:
PCR: Detecta material genético (ADN/ARN). Alta sensibilidad y especificidad. Más lenta y requiere laboratorio. Ideal para diagnóstico confirmatorio.
Pruebas de Antígenos: Detecta proteínas (antígenos). Más rápida y sencilla. Menor sensibilidad. Útil para cribado y detección de alta carga viral.