En la biología, las proteínas son componentes fundamentales de las células y organismos. Son moléculas complejas formadas por polímeros de aminoácidos. Estas moléculas juegan un papel crucial en la estructura y el funcionamiento de los organismos, desempeñando roles tan variados como transportar nutrientes, catalizar reacciones químicas, y formar estructuras estructurales. Este tema nos permitirá explorar cómo las proteínas interactúan con otros componentes del organismo para llevar a cabo sus funciones tan importantes.
Proteínas son estructuras de polímeros de aminoácidos que conforman las células y organismos. Sus características principales incluyen:
¿Qué son los aminoácidos en relación con las proteínas?
¿Qué describe la estructura terciaria de una proteína?
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en las células. Se divide en catabolismo (reacciones de degradación que liberan energía) y anabolismo (reacciones de síntesis que requieren energía).
La moneda energética de la célula es el ATP (adenosín trifosfato). Al hidrolizarse el enlace entre el segundo y tercer fosfato, se libera energía que la célula utiliza para realizar trabajo: ATP → ADP + Pᵢ + energía.
La respiración celular aerobia es el proceso por el que la glucosa se oxida completamente con O₂ para producir CO₂, H₂O y energía (ATP). La ecuación global es:
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + ~30-32 ATP
Se desarrolla en tres etapas:
1. Glucólisis (citoplasma): La glucosa (6C) se rompe en dos moléculas de piruvato (3C). Rendimiento neto: 2 ATP (por fosforilación a nivel de sustrato) y 2 NADH. No requiere O₂ (anaeróbica).
2. Ciclo de Krebs (matriz mitocondrial): Cada piruvato se descarboxila (pierde un CO₂) y se une a la coenzima A, formando acetil-CoA (2C). El acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs, una serie de reacciones donde se oxida completamente. Por cada acetil-CoA se producen: 2 CO₂ + 3 NADH + 1 FADH₂ + 1 GTP (≈1 ATP). Como hay 2 piruvatos por glucosa, se multiplica por 2.
3. Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa (membrana interna mitocondrial, crestas): Los electrones del NADH y FADH₂ pasan por una cadena de complejos proteicos (I, II, III, IV) y coenzimas móviles (ubiquinona, citocromo c). La energía liberada se usa para bombear H⁺ desde la matriz al espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico. Los H⁺ vuelven a la matriz a través de la ATP sintasa (complejo V), que aprovecha el flujo de protones para sintetizar ATP (quimioósmosis, modelo de Peter Mitchell). El aceptor final de electrones es el O₂, que se reduce a H₂O. Rendimiento: ~26-28 ATP por glucosa.
Cuando no hay O₂, la célula puede obtener energía mediante fermentación: la glucólisis seguida de una reacción que regenera el NAD⁺:
• Fermentación alcohólica (levaduras): Piruvato → etanol + CO₂. Aplicaciones: pan (CO₂ hace subir la masa), cerveza, vino.
• Fermentación láctica (bacterias lácticas, células musculares): Piruvato → ácido láctico. Aplicaciones: yogur, queso. En los músculos, durante el ejercicio intenso, se produce ácido láctico cuando la demanda de O₂ supera el suministro.
Rendimiento de la fermentación: solo 2 ATP por glucosa (vs. ~30-32 de la respiración aerobia).
La fotosíntesis es el proceso anabólico por el que las plantas, algas y cianobacterias sintetizan materia orgánica a partir de CO₂ y H₂O, usando la energía de la luz solar:
6 CO₂ + 6 H₂O + energía luminosa → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
Fase luminosa (tilacoides):
1. La luz es absorbida por los fotosistemas II (P680) y I (P700), que contienen clorofila y pigmentos accesorios.
2. Fotólisis del agua (en FSII): 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻. El O₂ se libera como subproducto.
3. Los electrones viajan por la cadena de transporte fotosintética (plastoquinona, complejo citocromo b₆f, plastocianina) hasta el FSI.
4. El transporte de electrones genera un gradiente de H⁺ que impulsa la ATP sintasa (fotofosforilación).
5. En el FSI, los electrones reducen el NADP⁺ a NADPH (gracias a la ferredoxina y la NADP⁺ reductasa).
Productos de la fase luminosa: ATP + NADPH + O₂.
Fase oscura / Ciclo de Calvin (estroma):
1. Fijación del CO₂: La enzima RuBisCO fija el CO₂ uniéndolo a la ribulosa-1,5-bisfosfato (5C), produciendo dos moléculas de 3-fosfoglicerato (3C).
2. Reducción: El 3-fosfoglicerato se reduce a gliceraldehído-3-fosfato (G3P) usando ATP y NADPH de la fase luminosa.
3. Regeneración: Parte del G3P regenera la ribulosa-1,5-bisfosfato, completando el ciclo.
4. Síntesis: Parte del G3P se usa para sintetizar glucosa y otras moléculas orgánicas.
Por cada 3 CO₂ fijados, se forma 1 molécula de G3P «neta» (se necesitan 6 CO₂ para 1 glucosa).
Un aspecto esencial que no se ha desarrollado en detalle es la regulación de la actividad proteica a nivel de la enzima. Más allá de la disponibilidad de sustratos, las proteínas pueden ser moduladas mediante regulación alostérica, modificaciones postraduccionales (fosforilación, acetilación, ubiquitinación, etc.) y proteólisis controlada. Estas modificaciones alteran la conformación tridimensional de la enzima, modificando su afinidad por el sustrato (Km) o su velocidad máxima (Vmax) sin cambiar la cantidad de proteína presente. Comprender estos mecanismos es clave para entender cómo la célula adapta su metabolismo a cambios ambientales y a señales hormonales.
¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la cadena de transporte de electrones es falsa?
En la fermentación alcohólica, ¿qué molécula se regenera para que la glucólisis pueda continuar?
¿Qué nivel estructural de la proteína determina principalmente la especificidad del sitio activo de una enzima?
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