Examen Ciencias básicas para la Salud

Estructura de la membrana

La célula eucarionte posee un extenso sistema de endomembranas; todas comparten el modelo de bicapa fosfolipídica con proteínas, colesterol y carbohidratos (glicocálix). La membrana plasmática es semipermeable gracias a la naturaleza anfipática de los fosfolípidos y selectiva por la presencia de proteínas especializadas. En animales el colesterol es un componente esencial, mientras que en vegetales su papel lo ocupan los fitoesteroles. Los fosfolípidos presentan distribución asimétrica: la fosfatidiletanolamina se localiza mayoritariamente en la monocapa interna, la fosfatidilserina es exclusiva de esa cara y confiere carga negativa, en tanto que la fosfatidilcolina y la esfingomielina predominan en la monocapa externa. La fluidez de la bicapa depende de la proporción de ácidos grasos insaturados (que introducen dobles enlaces y aumentan el espacio) y se regula por movimientos de difusión lateral, rotación y flexión; el tránsito flip-flop, catalizado por la enzima flipasa y acoplado a la hidrólisis de $ATP$ , posibilita el intercambio intermonocapa. El colesterol, en una proporción aproximada de $1:2$ respecto a los fosfolípidos, confiere rigidez mecánica, evita la cristalización a bajas temperaturas y facilita la inserción de proteínas; se acumula en microdominios ricos en colesterol denominados balsas lipídicas, donde se concentran proteínas de señalización y transporte, como las implicadas en el intercambio de colesterol de las HDL.

Proteínas de membrana

Las proteínas integrales o intrínsecas atraviesan total o parcialmente la bicapa (monopasaje o multipasaje) y son de extracción difícil debido a su carácter anfipático. Las periféricas no la cruzan, se asocian por interacciones débiles, son hidrosolubles y se remueven con facilidad; ambas confieren especificidad funcional. El desplazamiento de las proteínas está restringido por estructuras submembrana y su composición varía según el dominio celular que ocupen, otorgando especialización regional.

Transporte a través de la membrana

El transporte pasivo se produce a favor de gradiente sin gasto energético. En la difusión simple atraviesan la bicapa gases y moléculas pequeñas no cargadas; no se satura. En la difusión facilitada glucosa y aminoácidos cruzan mediante uniportadores o canales iónicos y es saturable. A nivel iónico, el gradiente puede ser químico, eléctrico o electroquímico; los canales regulan el potencial de reposo y pueden estar permanentemente abiertos o controlados por ligandos. El transporte activo se efectúa contra gradiente y requiere proteínas y energía; puede ser acoplado (simportes como sodio-glucosa o antiportes como sodio-calcio y sodio-protones) o impulsado por bombas. Las bombas tipo P (por ejemplo, Na⁺/K⁺-ATPasa) se fosforilan y bombean iones; las tipo V acidifican vesículas lisosómicas; las tipo F generan $ATP$ en la mitocondria; y las tipo ABC expulsan moléculas complejas, lo que explica la resistencia a quimioterápicos al eliminar fármacos.

Señalización celular

Las señales hidrofilias actúan sobre receptores de superficie y generan respuestas rápidas; las hidrofóbicas viajan unidas a proteínas transportadoras y se reconocen por receptores intracelulares, con respuestas lentas pero duraderas. Los modos de envío son paracrino (acción local), endocrino (acción a distancia vía sangre) y dependiente de contacto (unidas a la superficie emisora). La respuesta celular varía con el número, tipo e intensidad de señales: la acetilcolina ilustra la especificidad, pues en músculo cardiaco reduce la frecuencia, en glándula salival induce secreción y en músculo esquelético provoca contracción. La desensibilización puede implicar taquifilaxia, secuestro o degradación de receptores.

Los receptores acoplados a proteína G (GPCR) son integrales multipasaje (7 hélices). Poseen dominios de unión al ligando y de interacción con la proteína G periférica anclada por ácidos grasos. En reposo la subunidad alfa porta GDP; la unión del ligando promueve el intercambio por GTP, disociando alfa de beta-gamma y activando efectores. El apagado ocurre por la actividad GTPasa intrínseca que reconvierte GTP en GDP.

Cascadas dependientes de proteína G

La proteína $Gs$ activa la adenilato ciclasa, que convierte $ATP$ en $AMPc$ (segundo mensajero). El $AMPc$ libera las subunidades catalíticas de la PKA, fosforilando proteínas. En ayuno, la adrenalina eleva $AMPc$ en hígado, activando la fosforilasa y promoviendo la glucogenólisis. La toxina colérica inhibe la GTPasa de $Gs$ en intestino grueso, manteniendo la vía sobreactivada, con pérdida masiva de $Cl^-$ , $Na^+$ y agua. $Gi$ ejerce el efecto opuesto al inhibir la adenilato ciclasa. $Gq$ estimula la fosfolipasa C: el $IP3$ libera $Ca^{2+}$ del retículo y con diacilglicerol activa la PKC; la pervivencia de $IP3$ prolonga la señal. La fosfolipasa A₂ genera prostaglandinas y leucotrienos, moduladores de inflamación.

Los receptores catalíticos, como el de insulina, dimerizan, se autofosforilan y reclutan proteínas IRS, desencadenando rutas hipoglicemiantes; la insulinorresistencia se asocia a fallas posreceptor.

Citoesqueleto

Los microtúbulos son polímeros de tubulina unida a GTP con inestabilidad dinámica (crecen/decrecen por el extremo $+$ ). Forman singletes (citoplasma y axón), dobletes (cilios, flagelos) y tripletes (centriolos). La proteína TAU estabiliza microtúbulos; su hiperfosforilación provoca su colapso, como se observa en la enfermedad de Alzheimer. Los microfilamentos derivan de actina G-ATP y actina F-ADP, también crecen por el extremo $+$ . De ellos surgen las microvellosidades. El axonema de cilios/flagelos posee arquitectura $9+2$ , con dineína motora ATP-dependiente; el taxol despolimeriza microtúbulos, útil en quimioterapia. Los filamentos intermedios (queratinas, neurofilamentos) son estables y dan resistencia; mutaciones originan epidermólisis ampollar («piel de cristal»), ictiosis o distrofia muscular.

Metabolismo intermediario: visión global

Se distinguen tres fases: una degradativa (digestión), una preparativa (formación de $Acetil\,CoA$ ) y una oxidativa (ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa) que produce $ATP$ . El anabolismo es reductivo y utiliza cofactores reducidos ( $NADH$ , $NADPH$ , $FADH_2$ ); el catabolismo es oxidativo y los genera (cofactores oxidados $NAD^+$ , $NADP^+$ , $FAD$ ). Las enzimas aceleran reacciones y se regulan por feedback negativo, activación por sustrato, proteólisis limitada y modificaciones covalentes; además existen isoenzimas con distribución tisular específica.

Carbohidratos

Durante la fase digestiva actúan amilasas, sacarasa y lactasa. La glucosa entra a enterocitos vía simporte $Na^+$ /glucosa y sale a sangre por $GLUT2$ , elevando la glicemia. El rango basal es $70\text{–}90\,mg/dL$ ; por debajo de $70$ se libera glucagón, bajo $60$ cortisol y debajo de $40$ sobreviene neuroglicopenia. La hexoquinasa (extrahepática) fosforila glucosa a $G6P$ pero se satura; la glucoquinasa (hepática) no se satura y permite acumular glucógeno. El cerebro y los eritrocitos dependen prioritariamente de glucosa. La glucólisis convierte $G6P$ en dos piruvatos: en anaerobiosis se reduce a lactato (rendimiento $2\,ATP$ ), y en aerobiosis se descarboxila a $Acetil\,CoA$ para ingresar al ciclo de Krebs, generando $NADH$ , $FADH_2$ y $GTP$ que alimentan la cadena respiratoria. La resistencia a insulina altera la captación pero no la secreción; en diabetes la glicemia basal supera $140\,mg/dL$ .

La glucogénesis sintetiza glucógeno vía glucógeno sintasa (activada por insulina), mientras la glucogenólisis lo degrada mediante glucógeno fosforilasa (estimulada por glucagón o adrenalina). El eje $AMPc \rightarrow PKA$ fosforila y desactiva la sintasa, mientras activa la fosforilasa. La vía de las pentosas (hígado, eritrocitos, riñón, tejido adiposo, glándula mamaria) genera $2\,NADPH$ y ribosa-5-P. La gluconeogénesis (hígado, riñón, glándula mamaria) forma glucosa a partir de lactato, glicerol y aminoácidos tras >15 h de ayuno; el ciclo de Cori recircula lactato muscular al hígado.

Lípidos

La digestión lipídica involucra lipasas lingual, gástrica y pancreática, colesterol esterasas y fosfolipasas; los productos forman micelas mixtas con sales biliares para su absorción. Dentro del enterocito se reesterifican y se ensamblan en quilomicrones nacientes que maduran en linfa y alcanzan la sangre. Las lipoproteínas se clasifican en quilomicrones, $VLDL$ , $IDL$ , $LDL$ y $HDL$ según densidad y función; el $LDL$ nativo reconocido por receptores Apo B-100 se recicla, pero si se oxida por radicales libres es captado por macrófagos formando células espumosas y ateromas. El $HDL$ realiza el transporte reverso de colesterol hacia el hígado. El metabolismo endógeno comienza con $VLDL$ hepáticos; la lipoproteína lipasa (LPL) en capilares libera ácidos grasos a músculo y tejido adiposo.

Intracelularmente, los ácidos grasos se activan con CoA mediante tioquinasa, se transportan a la matriz mitocondrial por la carnitina acil-transferasa I, y sufren beta-oxidación liberando $Acetil\,CoA$ , $NADH$ y $FADH_2$ ; el citrato inhibe este proceso. En citoplasma, la biosíntesis de ácidos grasos convierte $Acetil\,CoA$ en malonil-CoA (enzima Acetil-CoA carboxilasa activada por insulina, inhibida por glucagón/adrenalina) y produce ácido palmítico, mientras el malonil-CoA bloquea la entrada mitocondrial de acil-CoA, evitando su degradación. El tejido adiposo sintetiza y almacena triglicéridos; la lipasa hormono-sensible (LHS), activada por fosforilación cuando hay poca insulina, moviliza ácidos grasos. En hígado, el exceso de $Acetil\,CoA$ por alta beta-oxidación genera cuerpos cetónicos (acetoacetato, betahidroxibutirato, acetona) usados por músculo y cerebro.

Proteínas y balance nitrogenado

El pool de aminoácidos (≈ $100\,g$ ) se nutre de dieta, recambio proteico corporal (≈ $400\,g/día$ ) y síntesis de aminoácidos no esenciales. El balance nitrogenado es positivo cuando la ingesta supera la excreción (embarazo, crecimiento, entrenamiento), negativo durante ayuno prolongado, vejez o enfermedades. La digestión inicia en estómago (pepsina activada por pH ácido) y continúa en intestino con enzimas pancreáticas y aminopeptidasas. Para eliminar el nitrógeno, los aminoácidos sufren transaminación (transferencia del grupo amino al alfa-cetoglutarato formando glutamato), transporte como glutamina o alanina, desaminación oxidativa (glutamato deshidrogenasa libera $NH_3$ ) y el ciclo de la urea en hígado. El ciclo glucosa-alanina opera tras ≈ $18$ h de ayuno: el músculo convierte piruvato en alanina, la exporta al hígado, donde se reconvierte en piruvato para gluconeogénesis y el grupo amino ingresa al ciclo de la urea.

Replicación del DNA

La replicación es semiconservativa, bidireccional, inicia en secuencias origen ricas en $A/T$ y progresa de $5'\rightarrow3'$ sobre cada hebra molde $3'\rightarrow5'$ . La helicasa abre la doble hélice formando la horquilla de replicación; la topoisomerasa alivia el superenrollamiento; las proteínas SSB estabilizan hebras simples; la primasa sintetiza cebadores de RNA; la DNApol III extiende la hebra líder de modo continuo y la retardada en fragmentos de Okazaki; la DNApol I remplaza los cebadores por DNA y la ligasa sella los huecos. La capacidad exonucleasa $3'\rightarrow5'$ confiere proofreading. En procariontes existe un único ori; en eucariontes múltiples orígenes simultáneos.

Transcripción y procesamiento del RNA

La RNApol no requiere cebador y lee el DNA molde $3'\rightarrow5'$ para sintetizar RNA $5'\rightarrow3'$ utilizando NTP y $Mg^{2+}$ . En procariontes la subunidad sigma reconoce el promotor (caja TATA –10 y secuencia –35); tras unos nucleótidos se libera. La terminación puede ser Rho dependiente o independiente (formación de horquilla). En eucariontes el pre-mRNA sufre capping $5'$ con 7-metil-guanina, colas poli-A $3'$ y splicing que remueve intrones mediante el espliceosoma; la telomerasa extiende telómeros. Las RNApol I, II y III sintetizan rRNA, mRNA y tRNA respectivamente; rifampicina, actinomicina D o alfa-amanitina actúan como inhibidores selectivos.

Traducción

En el citoplasma, el ribosoma decodifica el mRNA en tripletes (codones) de manera lineal y no solapada; el código es degenerado pero no ambiguo. El tRNA, cargado por la aminoacil-tRNA sintetasa con gasto de $ATP$ , reconoce el codón mediante anticodón; la inosina en la posición 1 del anticodón permite apareamientos flexibles (wobble). En procariontes la subunidad 30S reconoce la secuencia Shine-Dalgarno y coloca el primer $AUG$ (formil-Met) en el sitio P; factores de iniciación IF-1, 2, 3 coordinan la entrada del mRNA y el aminoacil-tRNA iniciador antes de ensamblarse la subunidad 50S. Durante la elongación, la peptidil transferasa cataliza el enlace peptídico entre el aminoácido del sitio P y el del sitio A; la translocación desplaza el ribosoma, liberando el tRNA vacío al sitio E. Los codones de terminación reclutan factores de liberación que hidrolizan el enlace peptidil-tRNA. En procariontes, la traducción es co-transcripcional y múltiples ribosomas forman polisomas. Tetraciclinas, eritromicina, cicloheximida, toxina diftérica o ricina actúan inhibiendo pasos específicos de la síntesis proteica.

Genética y leyes de Mendel

Un gen es un fragmento de DNA que codifica un producto génico; cada característica posee dos alelos, uno materno y otro paterno. El genotipo es la combinación alélica y el fenotipo la manifestación observable. Las tres leyes de Mendel describen: uniformidad en la primera generación filial (cruce de homocigotos da heterocigotos), segregación independiente de los alelos durante la meiosis (cada gameto recibe uno de los alelos con probabilidad $50\%$ ) y distribución independiente de alelos de distintos genes si están en cromosomas diferentes. Las herencias autosómicas dominantes se manifiestan en cada generación, independientemente del sexo; la autosómica recesiva puede saltar generaciones y muestra incidencia mayor en consanguinidad. Existen conceptos de penetrancia (proporción de genotipos que expresan fenotipo) y expresividad (grado de expresión). En herencias ligadas al cromosoma X recesivas, los varones son más afectados; las ligadas al Y afectan solo a varones. Se habla de homoplasmia cuando el 100 % de mitocondrias comparten el genoma mutado o sano, y de heteroplasmia cuando coexisten distintas poblaciones.