Cuarta semana del primer periodo grado noveno

Revisión y reparación del ADN

 

Puntos más importantes:

• Las células tienen varios mecanismos para prevenir mutaciones, o cambios permanentes en la secuencia del ADN.
   
• Durante la síntesis de ADN, la mayoría de las ADN polimerasas "comprueban su trabajo" y arreglan la mayoría de las bases mal emparejadas en un proceso llamado corrección.
   
• Inmediatamente después de la síntesis de ADN, es posible detectar y reemplazar cualquier base mal emparejada restante en un proceso llamado reparación de mal apareamiento.
   
• Si el ADN se daña, se puede reparar por varios mecanismos, que incluyen reversión química, reparación por escisión y reparación de ruptura de la doble cadena.
   

Introducción

 

¿Qué tiene que ver el ADN con el cáncer? El cáncer se produce cuando las células se dividen de forma descontrolada, ignorando las señales normales de "alto" hasta producir un tumor. Este mal comportamiento es causado por mutaciones acumuladas, cambios permanentes en la secuencia del ADN de las células. 

 

Todo el tiempo ocurren errores de replicación y daños al ADN en las células de nuestro cuerpo. Sin embargo, en la mayoría de los casos no causan cáncer, ni siquiera mutaciones. Eso es porque suelen detectarse y repararse por mecanismos de corrección y reparación del ADN. Si por el contrario, el daño no se puede reparar, la célula experimentará muerte celular programada (apoptosis) para evitar heredar el ADN defectuoso.

 

Las mutaciones ocurren y se heredan a células hijas solo cuando estos mecanismos fallan. A su vez, el cáncer solo se desarrolla al acumularse multiples mutaciones en genes relacionados con la división en una misma célula.

 

Veremos más de cerca los mecanismos que utilizan las células para corregir los errores de la replicación y reparar daños al ADN, como:

• La revisión, que corrige errores durante la replicación del ADN.
   
• La reparación de mal apareamiento, que arregla bases mal emparejadas justo después de la replicación del ADN.
   
• Las vías de reparación de daño al ADN, que detectan y corrigen daños durante todo el ciclo celular.
   

Revisión

 

Las ADN polimerasas son las enzimas que forman el ADN en las células. Durante la replicación (copiado) del ADN, la mayoría de las ADN polimerasas pueden "revisar su trabajo" con cada base que añaden. Este proceso se llama revisión. Si la polimerasa detecta que ha agregado un nucleótido equivocado (apareado incorrectamente), lo quita y reemplaza enseguida, antes de continuar con la síntesis de ADN.

 

Reparación de mal apareamiento

 

Muchos errores se corrigen con la revisión, pero algunos se escapan. La reparación de mal apareamiento sucede justo después de que se ha hecho ADN nuevo, y su función es eliminar y reemplazar las bases mal apareadas (las que no se arreglaron durante la revisión). La reparación de mal apareamiento también puede detectar y corregir pequeñas inserciones y deleciones que suceden cuando las polimerasas "se resbalan" y pierden su lugar sobre el molde.

 

¿Cómo funciona la reparación de mal apareamiento? Primero, un complejo proteico (grupo de proteínas) reconoce y se une a la base mal apareada. Un segundo complejo corta el ADN cerca de la pareja errónea y otras enzimas cortan el nucleótido incorrecto junto con un segmento de ADN circundante. Luego, una ADN polimerasa reemplaza la sección faltante con los nucleótidos correctos y una enzima llamada ADN ligasa sella el espacio.

 

Quizás te preguntes cómo es que las proteínas que participan en la reparación del ADN saben "qué está bien" durante la reparación de mal apareamiento. Es decir, cuando dos bases están mal apareadas (como G y T en el dibujo anterior), cuál de las dos se debe eliminar y reemplazar?

 

En bacterias, las cadenas de ADN originales y recién hechas se pueden diferenciar por una característica llamada estado de metilación. Una cadena de ADN antigua tiene grupos metilo ($-\text {CH} _3$) en algunas de sus bases, mientras que una cadena de ADN recién hecha todavía no habrá recibido su grupo metilo.

 

En eucariontes, los procesos que permiten identificar la cadena original en la reparación de mal apareamiento usan el reconocimiento de mellas (rupturas en las cadenas sencillas) presentes solo en el ADN recién sintetizado.

 

Mecanismos de reparación de daños al ADN

 

En casi cualquier punto en la vida de una célula le pueden ocurrir cosas malas al ADN, no solo durante la replicación. De hecho, tu ADN se daña todo el tiempo por factores externos como la luz UV, productos químicos y los rayos X, sin mencionar las reacciones químicas espontáneas que suceden incluso sin ofensas ambientales.

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Afortunadamente, tus células tienen mecanismos de reparación para detectar y corregir muchos tipos de daño al ADN. Los procesos de reparación que ayudan a arreglar el ADN dañado incluyen:

• Reversión directa: Algunas reacciones químicas que dañan el ADN pueden ser "deshechas" directamente por enzimas de la célula.
   
• Reparación por escisión: El daño a una o unas cuantas bases de ADN se suele arreglar al eliminar (escindir) y reemplazar la región dañada. En la reparación por escisión de bases, solo se quita la base dañada. En la reparación por escisión de nucleótidos, como en la reparación de mal apareamiento que vimos antes, se elimina una sección de nucleótidos.
   
• Reparación de ruptura de la doble cadena: Se utilizan dos vías principales, la unión de extremos no homólogos y la recombinación homóloga, para reparar rupturas en la doble cadena del ADN (es decir, cuando un cromosoma entero se divide en dos pedazos).

Tercera semana del primer periodo grado noveno

El modelo del ADN de Watson y Crick

La estructura del ADN, representada según el modelo de Watson y Crick, es una hélice dextrógira de doble cadena antiparalela. El esqueleto de azúcar-fosfato de las cadenas de ADN constituye la parte exterior de la hélice, mientras que las bases nitrogenadas se encuentran en el interior y forma pares unidos por puentes de hidrógeno que mantienen juntas a las cadenas del ADN.

 

En el modelo siguiente, los átomos naranjas y rojos indican los fosfatos del esqueleto de azúcar-fosfato, mientras que los átomos azules en el interior de la hélice pertenecen a las bases nitrogenadas.

 

Orientación antiparalela

El ADN de doble cadena es una molécula antiparalela, lo que significa que se compone de dos cadenas que corren una junto a la otra pero en direcciones opuestas. En una molécula de ADN de doble cadena, el extremo 5' (el que termina con un grupo fosfato) de una cadena se alinea con el extremo 3' (el que termina con un grupo hidroxilo) de su pareja y viceversa.

 

Los átomos de carbono del azúcar desoxirribosa en los nucleótidos del ADN se indican con números acompañados del símbolo prima. Los símbolos prima parecen apóstrofos (por ejemplo, 3').

 

La utilidad de los símbolos prima es distinguir los átomos de carbono del azúcar de los átomos del anillo de la base nitrogenada. Los átomos de carbono y nitrógeno en los anillos de las bases nitrogenadas también se indican con números, pero estos números no tienen símbolos prima.

 

Puedes ver los números asignados a los carbonos y nitrógenos del anillo de las bases nitrogenadas en el siguiente diagrama. Las purinas, de dos anillos, y la pirimidinas, de un anillo, tienen diferentes sistemas de numeración, debido a que tienen un número diferente de átomos de carbono.

 

La hélice dextrógira

En el modelo de Watson y Crick, las dos cadenas de ADN giran una alrededor de la otra para formar una hélice dextrógira. Todas las hélices tienen direccionalidad, que es una propiedad que describe cómo se orientan los surcos en el espacio.

 

Para entender qué es lo que hace a una hélice dextrógira, imagina que envuelves la molécula de ADN que se muestra en la figura con tu mano derecha, con el pulgar apuntando hacia arriba. Ahora imagina que tus dedos se deslizan a lo largo de la parte exterior de la espiral. Tu mano debe moverse con la espiral, hacia arriba, en la dirección que apunta tu pulgar. Puesto que la mano derecha se mueve en la misma dirección que apunta el pulgar conforme se desliza a lo largo de la espiral, la doble hélice del ADN puede identificarse como dextrógira.

 

Si trataras de hacer lo mismo con la mano izquierda (con el pulgar apuntando hacia arriba), tu mano se deslizaría en la dirección contraria, hacia abajo, opuesta a la dirección en que apunta tu pulgar.

 

No necesariamente el ADN de doble cadena en realidad se presenta en tres formas diferentes, conocidas como ADN-A, ADN-B y ADN-Z. Aunque el ADN-A y el ADN-B son hélices dextrógiras, el ADN-Z es una hélice levógira (que gira hacia la izquierda).

 

La torsión de la doble hélice del ADN y la geometría de las bases crea un hueco más amplio (llamado surco mayor) y un hueco más estrecho (llamado surco menor) que corren a lo largo de la molécula, como se muestra en la figura anterior. Estos surcos son importantes sitios de unión para las proteínas que mantienen el ADN y regulan la actividad de los genes.

Apareamiento de bases

En el modelo de Watson y Crick, las dos cadenas de la doble hélice del ADN se mantienen unidas por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas en cadenas opuestas. Cada par de bases forma un "peldaño" en la escalera de la molécula de ADN.

 

Los pares de bases no se forman por cualquier combinación de bases. Por el contrario, si hay una A en una cadena, deben estar emparejada con una T en la otra (y viceversa). Del mismo modo, una G en una cadena siempre debe tener una C como compañera en la cadena opuesta. Estas correspondencias entre A-T y G-C se conocen como pares de bases complementarias.

 

El emparejamiento de bases explica las reglas de Chargaff, es decir, por qué la composición de A siempre es igual a la de T y la composición de C es igual a la G. Donde hay una A en una cadena, debe haber una T en la otra, y lo mismo es cierto para G y C. Puesto que una purina grande (A o G) se empareja siempre con una pirimidina pequeña (T o C), el diámetro de la hélice es uniforme, de aproximadamente 2 nanómetros.

 

Aunque el modelo original de Watson y Crick propuso que existían dos puentes de hidrógeno entre las bases de cada par, hoy sabemos que G y C forman un puente adicional (tal que los pares de A-T forman dos puentes de hidrógeno en total, mientras que los pares de G-C forman tres).

 

El impacto de la doble hélice

La estructura del ADN abrió la puerta para entender muchos aspectos sobre la función del ADN, como la forma en que se copia y la forma en que la célula utiliza la información que contiene para hacer proteínas.

 

Como veremos en próximos artículos y videos, el modelo de Watson y Crick marcó el comienzo de una nueva era de descubrimientos en la biología molecular. El modelo y los descubrimientos que permitió formar los cimientos de una gran parte de la investigación de vanguardia actual en biología y biomedicina.

Segunda semana del primer periodo grado noveno

Descubrimiento de la estructura del ADN

Hoy en día, la doble hélice del ADN es probablemente la más emblemática de todas las moléculas biológicas. Ha inspirado escaleras, decoraciones, puentes peatonales (como el de Singapur que se muestra a continuación) y más.

 

Tengo que estar de acuerdo con arquitectos y diseñadores: la doble hélice es una estructura hermosa, una cuya forma se acopla con su función de manera extraordinaria. Pero la doble hélice no siempre fue parte de nuestro léxico cultural. De hecho, hasta la década de 1950, la estructura del ADN seguía siendo un misterio.

 

Puente doble hélice Singapur

Los componentes del ADN

Del trabajo del bioquímico Phoebus Levene y otros, los científicos del tiempo de Watson y Crick sabían que el ADN se componía de subunidades llamadas nucleótidosstart superscript, 1, end superscript. Un nucleótido está formado por un azúcar (desoxirribosa), un grupo fosfato y una de cuatro bases nitrogenadas: adenina (A), timina (T), guanina (G) o citosina (C).

 

Las bases C y T, que solo tienen un anillo, se llaman pirimidinas, mientras que las bases A y G, que tienen dos anillos, se llaman purinas.

 

Los nucleótidos del ADN forman cadenas unidas por enlaces covalentes, los cuales se forman entre el azúcar desoxirribosa de un nucleótido y el grupo fosfato del siguiente. Este arreglo resulta en una cadena alternante de grupos desoxirribosa y fosfato en el polímero de ADN, estructura conocida como esqueleto azúcar fosfato.

 

Las reglas de Chargaff

Otra pieza clave de información relacionada con la estructura del ADN la proporcionó el bioquímico austriaco Erwin Chargaff. Chargaff analizó el ADN de diferentes especies y determinó su composición de bases A, T, C y G. Este científico hizo varias observaciones claves:

• A, T, C y G no se encontraban en cantidades iguales (como algunos modelos de la época hubieran predicho)
• La cantidad de bases variaba entre especies, pero no entre individuos de la misma especie
• La cantidad de A siempre era igual a la cantidad de T y la cantidad de C siempre era igual a la cantidad de G (A = T y G = C)

Estos descubrimientos, llamados reglas de Chargaff, resultaron cruciales para el modelo de Watson y Crick de la doble hélice del ADN.

 

Watson, Crick y Rosalind Franklin

A principios de la década de 1950, el biólogo estadounidense James Watson y el físico británico Francis Crick propusieron su famoso modelo de la doble hélice del ADN. Fueron los primeros en cruzar la línea de meta en esta "carrera" científica, en la que otros como Linus Pauling (quien descubrió la estructura secundaria de las proteínas) también trataban de encontrar el modelo correcto.

 

En lugar de realizar nuevos experimentos en el laboratorio, Watson y Crick principalmente recolectaron y analizaron fragmentos de información existente y los juntaron de formas novedosas y reveladorassquared. Algunas de sus pistas más importantes sobre la estructura del ADN fueron producto del trabajo de Rosalind Franklin, una química que trabaja en el laboratorio del físico Maurice Wilkins.

 

Franklin era experta en una poderosa técnica para la determinación de la estructura de moléculas, conocida como cristalografía de rayos X. Cuando la forma cristalizada de una molécula, como el ADN, se expone a rayos X, los átomos en el cristal desvían algunos de los rayos y forman un patrón de difracción que da pistas sobre la estructura de la molécula.

 

Estructura y secuencia del ADN por cristalografía de rayos x

La cristalografía de Franklin dio a Watson y Crick importantes pistas sobre la estructura del ADN. Algunas de estas provenían de la famosa "imagen 51," una imagen de difracción de rayos X del ADN sorprendente y extraordinariamente clara que produjeron Franklin y su estudiante de posgrado. (Arriba se muestra un ejemplo moderno del patrón de difracción que produce el ADN). El patrón de difracción en forma de X de la imagen de Franklin inmediatamente le sugirió a Watson una estructura helicoidal de dos cadenas para el ADN. Watson y Crick reunieron datos de varios investigadores (entre ellos Franklin, Wilkins, Chargaff y otros) para ensamblar su célebre modelo de la estructura 3D del ADN. En 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el Premio Nobel de medicina. Desafortunadamente, para entonces Franklin había muerto y los premios Nobel no se otorgan póstumamente.

Primera semana del primer periodo grado noveno

Herencia en los seres vivos

 

En biología y genética, se entiende por herencia a la suma de los procesos mediante los cuales las características físicas, bioquímicas o morfológicas de los seres vivos son transmitidas de progenitores a sus descendientes. Dicha transmisión se da gracias a los genes, unidades mínimas de información biológica contenidas en los cromosomas y expresados molecularmente en la matriz del ADN.

La herencia abarca un proceso en apariencia paradójico, de constancia y variación: ciertas características generales de la especie se mantienen intactas con el paso de las generaciones, mientras que entre individuos de una misma especie se produce una amplia variación. Esto es posible porque cada uno de ellos posee un mismo marco genético (genoma) determinado por la especie, pero expresada en una configuración absolutamente única de genes, que solamente los gemelos idénticos comparten.

El contenido genético de los individuos se replica durante la división celular (específicamente durante la replicación del núcleo) y es susceptible de sufrir mutaciones o alteraciones, algunas de las cuales pueden transmitirse a la descendencia y otras no. En dichas alteraciones, propias de la combinatoria al azar de los procesos genéticos, pueden estar dolencias, enfermedades, patrones metabólicos e incluso, tal vez, rasgos de la conducta.

Cromosoma

En biología y citogenética, se denomina cromosoma a cada una de las estructuras altamente organizadas, formadas por ADN y proteínas, que contiene la mayor parte de la información genética de un ser vivo.

Los cromosomas son estructuras que se encuentran en el centro (núcleo) de las células que transportan fragmentos largos de ADN. El ADN es el material que contiene los genes y es el pilar fundamental del cuerpo humano.

Los cromosomas también contienen proteínas que ayudan al ADN a existir en la forma apropiada.

Los cromosomas vienen en pares. Normalmente, cada célula en el cuerpo humano tiene 23 pares de cromosomas (46 cromosomas en total), de los cuales la mitad proviene de la madre y la otra mitad del padre.

Dos de los cromosomas (el X y el Y) determinan el género masculino o femenino y se denominan cromosomas sexuales:

• Las mujeres tienen 2 cromosomas X.
• Los hombres tienen un cromosoma X y uno Y.

La madre le aporta un cromosoma X al hijo, mientras que el padre puede contribuir ya sea con un cromosoma X o con un cromosoma Y. Es el cromosoma del padre el que determina si el bebé es un masculino o femenino.

Los cromosomas restantes se denominan autosómicos y se conocen como pares de cromosomas del 1 al 22.

 

Tipos de herencia

Gracias a los estudios de genética de más de cien años de investigación, hoy en día conocemos que la herencia puede darse de cuatro distintas formas, de acuerdo al modo en que los genes estén dispuestos en el interior de los cromosomas. Dichas formas son:

• Dominante: Aquellos rasgos heredados que demuestran preferencia por manifestarse y que, por ende, están presentes en el fenotipo del individuo.
  

• Recesiva: Aquellos rasgos heredados que se encuentran presentes en el genoma pero no de manifiesto. Pueden manifestarse únicamente cuando no están en presencia de un gen dominante.
  

• Codominante: En ciertos casos ambos caracteres pueden expresarse al mismo tiempo en una suerte de combinatoria, sin que ninguno domine y el otro sea recesivo.
  

• Intermedio: También llamada dominancia parcial, ocurre cuando el gen dominante no logra manifestarse del todo y lo hace a medias, lo que resulta en una situación intermedia, de empate entre los genes, manifiestos a medias.

Importancia de la herencia

La herencia genética es vital para la existencia y continuidad de la vida como la conocemos. De hecho, podría decirse que es un rasgo biológico que le da objetivo a la vida: la propagación del genoma de la especie y su paulatina adaptación al entorno, garantizan que la especie toda sobreviva, aunque los individuos perezcan.

La herencia permite, además, la evolución en la medida en que las ventajas adquiridas y exitosas puedan transmitirse a la descendencia, lo cual en casos radicales puede significar la creación de una completamente nueva (especiación).

Sin la herencia, la vida estaría impedida de crecimiento en complejidad y diversificación, y las especies podrían aspirar apenas a repetirse en el vacío, sin poder transmitir a las nuevas generaciones la memoria genética de la especie. Sin herencia, la reproducción no tiene demasiado sentido.

 

Genotipo y fenotipo

El genoma es el marco genético de la especie, parte de lo que se mantiene invariable a lo largo de las generaciones (a menos que, como ocurre en la evolución, se produzca una variación tan radical y exitosa que dé pie a la aparición de una nueva especie). Cada individuo posee una expresión única e irrepetible de dicho genoma, o sea, una información genética total de su organismo, que llamaremos genotipo.

Todas las células nucleadas del cuerpo humano poseen el genotipo entero del organismo en su ADN, excepto las células sexuales o gametos, que poseen la mitad de la carga genética, ya que su propósito es mezclar ese medio genotipo con el otro medio genotipo del gameto contrario durante la fecundación (óvulos y espermatozoides).

Este genotipo, por otro lado, se materializa en una serie de características físicas y perceptibles, que forman el fenotipo individual. Sin embargo, aunque el genotipo es la información genética que rige en principio el fenotipo, este último también será determinado por el entorno en que el individuo se desarrolle, de manera que:

Genotipo + Entorno = Fenotipo.

De este modo, algunas condiciones concretas de cada individuo serán atribuibles a su genotipo, mientras que otras serán producto de la dinámica de cambios propiciada por su entorno.

Ejemplos de herencia

Si deseamos ver ejemplos de herencia, bastará con acudir a un álbum genealógico o a nuestra propia familia. Esos rasgos comunes con ellos (el parecido físico, las enfermedades o debilidades comunes, el color de los ojos o del cabello) están contenidos en nuestro genoma porque los recibimos de nuestros padres, a través de la carga de su ADN usada para crear el nuestro.

Otro ejemplo de herencia es la evolución por selección natural. Un caso célebre es el de las mariposas del abedul de la Inglaterra de la Revolución Industrial, cuando las fábricas y el smog comenzaron a inundar los aires y los troncos de los árboles. Estas mariposas, de colores pálidos, destacaban en las paredes oscurecidas por el hollín y eran por ende presa más fácil para los depredadores. Semejante presión ambiental ocasionó un cambio en la pigmentación de las mariposas, que a partir de entonces cambiaron sus colores a un gris opaco o marrón. Al ser menos detectables, las mariposas proliferaban y se reproducían, transmitiendo a su descendencia los genes del color oscuro, lo cual les garantizaba a su vez una mayor probabilidad de subsistencia.

 

Tercera semana del cuarto periodo grado noveno

Metabolismo procariota

 

Puntos más importantes:

• Algunos procariontes son fotótrofos, porque obtienen su energía del sol. Otros son quimiótrofos, y obtienen su energía de compuestos químicos.
   
• Algunos procariontes son autótrofos, fijan carbono a partir de $\text {CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript. Otros son heterótrofos, obtienen carbono de compuestos orgánicos hechos por otros organismos.
   
• Los procariontes pueden tener un metabolismo aerobio (que requiere oxígeno) o anaerobio (que no necesita oxígeno), y algunos de ellos pueden cambiar de una modalidad a otra.
   
• Algunos procariontes tienen enzimas especiales y rutas que les permiten metabolizar compuestos que contienen nitrógeno o azufre.
   
• Los procariontes juegan papeles esenciales en los ciclos de nutrientes en los ecosistemas.
   

Introducción

En el esquema de las cosas, tu y yo tenemos una gama bastante limitada de formas de alimentarnos. Podemos decidir entre comer vegetales y helado (¡y disfrutar de ambos en cantidades saludables!), pero no es probable que realicemos fotosíntesis. Tampoco es probable que comamos sulfuro de hidrógeno, el compuesto que produce el "olor a huevo podrido", en el desayuno.

 

Los procariontes (bacterias y arqueas) son mucho más diversos que los humanos en sus estrategias nutricionales, es decir, en las formas en las que obtienen carbono fijado (moléculas de combustible) y energía. Algunas especies consumen materia orgánica como animales y plantas muertos. Otros viven de los compuestos inorgánicos que hay en las rocas. Una bacteria, Thiobacillus concretivorans, ¡consume ácido sulfúrico capaz de fundir el metal!.

 

En este artículo, veremos las diferentes formas en las que los procariontes pueden obtener y metabolizar su alimento, así como la manera en la que pueden influir en los ciclos de nutrientes.

 

Modos de nutrición

Todas las formas de vida de la Tierra necesitan energía y carbono fijado (carbono incorporado en moléculas orgánicas) para sintetizar las macromoléculas que conforman sus células, ya sean humanos, plantas, hongos o procariontes. Es posible clasificar a los organismos con base en cómo obtienen energía y carbono.

 

Primero, podemos clasificar a los organismos por la fuente de la que obtienen carbono fijado (que pueden utilizar):

• Los que fijan carbono a partir de dióxido de carbono ($\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript) u otros compuestos inorgánicos se llaman autótrofos.
   
• Aquellos que obtienen carbono fijado de compuestos orgánicos producidos por otros organismos (ya sea que se los coman o consuman sus productos secundarios) se llaman heterótrofos.

Adicionalmente, podemos clasificar a los organismos por su fuente de energía:

• Los que usan la luz (solar, principalmente) como fuente de energía se llaman fotótrofos.
   
• Aquellos que usan sustancias químicas como fuente de energía se llaman quimiótrofos.

Podemos dividir a los procariontes (y otros organismos) en cuatro categorías diferentes según sus fuentes de carbono y energía: 

 

 

Tendemos a estar bastante familiarizados con los fotótrofos, como las plantas, y los quimioheterótrofos, como seres humanos y demás animales. Las especies de procariontes caen en estas dos categorías, así como en dos categorías menos familiares (fotoheterótrofos y quimioautótrofos) a las cuales no pertenecen las plantas y animales${}^{\mathrm{}}$start superscript, 2, comma, 3, end superscript.

 

Respiración aerobia y anaerobia

Otro aspecto metabólico en el que los procariontes se diferencian de los humanos (¡y en el que son mucho más diversos!) es su necesidad de oxígeno. Algunos lo necesitan, a otros los envenena y algunos otros pueden utilizarlo o no, según su disponibilidad.

• Los procariontes que necesitan $\text{O}_2$ para llevar a cabo su metabolismo se llaman aerobios estrictos. Los seres humanos también somos aerobios estrictos (como seguramente habrás notado al intentar contener la respiración por mucho tiempo). 
   
  ¿Por qué necesitan oxígeno estos organismos?

  Estos procariontes llevan a cabo respiración celular aeróbica, un proceso que usa una cadena de transporte de electrones para extraer energía de las moléculas combustibles. El oxígeno es necesario porque es el aceptor final de electrones al término de la cadena.

   
• Los procariontes que no toleran el $\text O_2$y solo pueden llevar a cabo metabolismo anaeróbico se llaman anaerobios estrictos. C. botulinum, la bacteria que provoca el botulismo (una forma de intoxicación por alimentos) cuando crece en los alimentos enlatados, es un anaerobio estricto, lo que explica por qué prolifera en las latas selladasstart superscript, 4, end superscript.
   
  [¿Cómo hacen estos organismos para metabolizar sin oxígeno?]

  Estos procariontes pueden usar la fermentación, un proceso que convierte el piruvato en ácido láctico o en etanol. Alternativamente, pueden llevar a cabo respiración anaerobia, un tipo de respiración celular que usa una molécula distinta del oxígeno (como nitrato o sulfato) como aceptor final de electrones en la cadena de transporte de electrones.

   
• Los anaerobios facultativos usan el metabolismo aerobio cuando hay ${\text{O}}_2$ presente, pero cambian al metabolismo anaerobio si está ausente. Las bacterias que producen las infecciones por estafilococos y estreptococos son ejemplos de anaerobios faculativos${}^{\mathrm{}}$.
   
  

  Crédito de imagen: "Clostridium botulinum", de U. S. Centers for Disease Control and Prevention (Public Health Image Library), dominio público
  

   

Metabolismo del azufre y el nitrógeno

Algunas bacterias y arqueas tienen rutas metabólicas que les permiten metabolizar el nitrógeno y el azufre de formas que los eucariontes no pueden. En algunos casos, usan moléculas que tienen nitrógeno o azufre para obtener energía, pero en otros casos, utilizan energía para convertir estas moléculas de una forma a otra. 

 

Metabolismo del azufre

Algunos ejemplos fascinantes de procariontes que metabolizan azufre los encontramos en los ecosistemas del fondo del mar. Por ejemplo, ciertas especies de procariontes pueden oxidar el sulfuro de hidrógeno (${\text{H}}_2\text{S}$) que sale de las fuentes hidrotermales ardientes. Usan la energía liberada en este proceso para fijar el carbono inorgánico del agua en azúcares y otras moléculas orgánicas en un proceso conocido como quimiosíntesis${}^{\mathrm{}}$start superscript, 6, end superscript.

 

_Imagen: "Fumarolas blancas del respiradero Champagne.jpg", de NOAA (dominio público)_

 

Los procariontes que metabolizan azufre son la base de las cadenas alimenticias en sus hábitats del fondo marino (donde no llega ni el más mínimo rayo de luz que permita la fotosíntesis). Los procariontes que metabolizan azufre mantienen comunidades enteras de organismos, entre ellos gusanos, cangrejos y camarones a miles de metros bajo la superficie del océanostart superscript, 7, end superscript.

 

Metabolismo del nitrógeno

Entre los procariontes que metabolizan nitrógeno se encuentran fijadores de nitrógeno, nitrificantes y desnitrificantes. Estos juegan papeles fundamentales en el ciclo del nitrógeno al convertir los compuestos nitrogenados de una forma química a otra.

 

_Imagen modificada de "Nódulos fijadores de nitrógeno en las raíces de leguminosas.JPG", de Terraprima (CC BY-SA 3.0)_

 

Los procariontes fijadores de nitrógeno convierten ("fijan") el nitrógeno atmosférico ($\text N_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript) en amoníaco ($\text {NH}_3$) que las plantas y otros organismos pueden incorporar en sus moléculas orgánicas. Algunas plantas de la familia de las leguminosas, como los chícharos, forman relaciones mutuamente beneficiosas (mutualistas) con bacterias fijadoras de nitrógeno. Las plantas albergan y brindan alimento a las bacterias en estructuras llamadas nódulos radicales, y las bacterias proveen a las raíces de nitrógeno fijado.

 

Otros procariontes en el suelo, llamados bacterias nitrificantes, convierten el amoníaco en otros tipos de compuestos (nitratos y nitritos), que también pueden ser absorbidos por las plantas. Los procariontes desnitrificantes, hacen más o menos lo opuesto, convierten los nitratos en gas $\text N_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript.

 

Ciclos biogeoquímicos

El reciclado constante de los elementos químicos es vital para el funcionamiento de los ecosistemas. En los ciclos biogeoquímicos de la Tierra, los elementos químicos se convierten entre varias formas químicas distintas en un ciclo repetitivo.

 

Debido a la diversidad de sus metabolismos, los procariontes tienen funciones importantes en muchos ciclos globales. Aquí veremos con más detalle su papel en dos de estos: los ciclos del carbono y del nitrógeno.

 

Ciclo del nitrógeno

Como vimos en la última sección, los procariontes fijadores de nitrógeno convierten ("fijan") el nitrógeno atmosférico ($\text N_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript) en amoniaco (${\text{NH}}_3$start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript). Las plantas y otros organismos entonces pueden usar el amoniaco para formar moléculas como animoácidos y nucleótidos.

 

Otros procariontes en el suelo, llamados bacterias nitrificantes, convierten el amoníaco en otros tipos de compuestos (nitratos y nitritos), que también pueden ser absorbidos por las plantas. Los procariontes desnitrificantes, que convierten los nitratos en $\text N_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, devuelven los átomos de nitrógeno del suelo a la atmósfera. 

 

La imagen siguiente muestra una versión simplificada del ciclo del nitrógeno, en la que se enfatiza la función de los procariontes.

 

Ciclo del carbono

Los procariontes también son importantes en el ciclo del carbono. Los procariontes fotosintéticos como las cianobacterias, usan la energía luminosa para tomar el $\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript de la atmósfera y fijarlo en moléculas orgánicas. Este es el mismo proceso básico que llevan a cabo las plantas fotosintéticas.

 

Los procariontes descomponedores, en cambio, mueven el carbono en la dirección contraria. Cuando degradan la materia orgánica muerta (de plantas y animales que anteriormente estaban vivos), regresan el $\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript a la atmósfera por medio de la respiración celular. La descomposición también libera varios otros elementos y moléculas inorgánicas para ser reutilizadas.

 

La imagen siguiente muestra una versión simplificada del ciclo del carbono en la que se enfatiza la función de los procariontes.