BIOLOGÍA CELULAR:

La Biología Celular estudia a la unidad fundamental de todos los seres vivos que habitan nuesto planeta: la célula.Dada su importancia como constituyente de cada uno de los organismos que nos rodean, la célula se ha convertido en el centro de los esfuerzos de los investigadores dedicados a analizar aspectos tan variados como su fisiología, su estructura, los organelos que la constituyen y las interacciones entre células o entre la célula y su medio ambiente. Al mismo tiempo, al comprender su funcionamiento, podremos entender y prevenir padecimientos como el cáncer o la enfermedad de Alzheimer; plantear alternativas terapéuticas para mejorar los procesos de reparación de tejidos y órganos; o bien, combatir organismos que provocan serios tratornos como ocúrre con las bacterias o los virus. Por lo mismo, la investigación en Biología Celular abarca a una gran diversidad de organismos, desde bacterias hasta células especializadas que constituyen a organismos pluricelulares como los humanos, los árboles las aves o los insectos.Por lo tanto, los Biólogos Celulares conformamos un grupo de gran diversidad, comprometido en la solución de problemas fundamentales o en la búsqueda de nuevos horizontes en el área. Esta apasionante empresa la abordamos en áreas del conocimiento que abarcan desde la Bioquímica hasta la Genética, desde la Inmunología hasta la Neurobiología, pasando por especialidades como la Informática, la Genómica o la Proteómica.Para efectuar ésta labor, utilizamos herramientas derivadas de estas disciplinas, y al mismo tiempo, con base en el ingenio y la perseverancia, aplicamos y desarrollamos métodos que nos permiten resolver cada una de las preguntas que nos hemos planteado.

CELULAS PROCARIOTAS:

CAPSULA: Estructura superficial viscosa o mucilaginosa. Son de tres tipos:

-Si es rígida se llama cápsula-Si es flexible se llama Capa Mucilaginosa-Si está cubierto por polisacáridos se llama Glucocálix Está compuesto por polisacáridos y cadenas poli peptídicas

PARED CELULAR: Compuesto por péptido glucano inmerso en una matriz que representa el 20-60% de la pared celular. La matriz contiene polímeros aniónicos como: ácidos teicoicos, lipoteicoicos y teicurónicos

CAPA S (CAPA SUPERFICIAL CRISTALINA): Resultado del ensamblaje de unidades idénticas de proteínas o glucoproteínas. Tiene como funciones ser tamiz molecular y brindar protección a la célula.

VAINAS Y BOTONES DE ANCLAJE: La vaina es una estructura tubular que engloba células bacilares, compuesto por heteropolímeros que puede recubrirse de óxidos de Hierro o ManganesoLos botones de anclaje son segregaciones en puntos concretos de la pared, material mucilaginoso

MEMBRANA PLASMÁTICA: Semipermeable y selectiva, compuesta por una capa bilipidica y proteínas. Nunca se presenta el colesterol.

Sus funciones son: barrera osmótica, barrera selectiva, biosíntesis de componentes externos, secreción y modificación de proteínas, generación de energía, anclaje del cromosoma,

MESOSOMA: Prolongaciones de la membrana plasmática hacia el interior del citoplasma en forma de rulo (abierto: no forma compartimentos) y donde se acumula gran cantidad de corpúsculos respiratorios adheridos a ella. Su función es muy parecida a lo que se realiza en la mitocondria de los eucariotas: zona relacionada con la respiración.

Ribosomas y Poliribosomas: Los ribosomas en los procariontes son de 70 S (Cada ribosoma está constituido por dos subunidades, llamadas mayor y menor. El tamaño de las subunidades suele indicarse en función de la velocidad con lo cual sedimenta en un campo centrífugo. La unidad que expresa dicha velocidad se denomina Svedberg (S), y depende no sólo del tamaño de la partícula, sino también de su forma y densidad . Los poliribosomas son un conjunto de ribosomas unidos por una hebra de ARN mensajero. La función es de intervenir en la síntesis de proteínas.

Plásmidos: Son moléculas de ADN en la que la doble hélice se encuentra formando un círculo cerrado. Es más pequeño que el ADN comosómico bacteriano, y el hecho de su presencia le transmite a ese individuo caracteres que no se presentan en aquello que no lo portan.

ADN: También conocido como ADN cormosómico, es circular, cerrado, desnudo (no presenta histonas) y presenta toda la información génica del individuo. Siempre hay una sola hebra o a lo sumo dos (cuando se duplica). Por lo general el ADN se ubica en un sector del citoplasma que se le llama "zona nuclear". Esta zona es muy cercano a los mesosomas, pues se trata de un lugar donde se desprende mucha energía.

Flagelo: No siempre presente. Su constitución es de naturaleza proteica. Su función para el desplazamiento de algunos de estos organismos en medios húmedos o acuosos.

CELULAS EUCARIOTAS:

PARED CELULAR: En los vegetales esta pared puede tener entre 0,1 y varios micrones de espesor. Está constituida por microfibrillas de celulosa que se orientan en todas direcciones, formando una red laxa, embebida en una matriz de hemicelulosa y pectina, ambos polisacáridos.

Cada microfibrilla de celulosa está formada por cadenas de celulosa entrelazadas por puentes hidrógeno. Las moléculas de pectina, a su vez, se asocian a la hemicelulosa. De esta manera, la celulosa, hemicelulosa y la pectina se asocian para organizar una red compleja. La pectina también interactua con los iones de Ca2+ y en presencia de agua, constituyen un gel semirígido (en algunos casos se conoce como "laminilla media": cemento que pega las células vegetales de un tejido entre sí.)

MEMBRANA PLASMÁTICA: La membrana plasmática es una película continua formada por moléculas de lípidos, proteínas e hidratos de carbono en proporciones aproximadas de 40%, 50% y 10%, respectivamente. Los lípidos forman una doble capa y las proteínas se disponen de una forma irregular y asimétrica entre ellos. Estos componentes presentan movilidad, lo que confiere a la membrana un elevado grado de fluidez (cristal líquido), con un espesor entre 8 y 10 nanómetros (nm). Actúa como barrera Semipermeable y Selectiva regulando la composición química de la célula.

CITOPLASMA: El citoplasma comprende todo el volumen de la célula, salvo el núcleo. Engloba numerosas estructuras especializadas y orgánulos

MITOCONDRIAS:

Las mitocondrias son uno de los orgánulos más conspicuos del citoplasma y se encuentran en casi todas las células eucarióticas. Observadas al microscopio electrónico de transmisión (M.E.T.), presentan una estructura característica: la mitocondria tiene forma alargada u oval de 0,5 a 1 m de diámetro, y entre 1 m y varias micras de longitud y está envuelta por dos membranas distintas, una externa y otra interna (la que presentan crestas mitocondriales), muy replegada.

Las mitocondrias son los orgánulos celulares encargados de suministrar la mayor parte de la energía necesaria para la actividad celular, actúan por tanto, como centrales energéticas de la célula y sintetizan ATP a expensas de los carburantes metabólicos (glucosa, ácidos grasos y aminoácidos). Sin mitocondrias, los animales y hongos no serían capaces de utilizar oxígeno para extraer toda la energía de los alimentos y mantener con ella el crecimiento y la capacidad de reproducirse. Los organismos llamados anaerobios viven en medios sin oxígeno, y todos ellos carecen de mitocondrias.

La ultraestructura mitocondrial está en relación con las funciones que desempeña: en la matriz se localizan los enzimas responsables de la oxidación de los ácidos grasos, los aminoácidos, el ácido pirúvico y el ciclo de krebs.

CLOROPLASTO:

Los cloroplastos son orgánulos con forma de disco, de entre 4 y 6 m de diámetro y 10 m o más de longitud. Aparecen en mayor cantidad en las células de las hojas, lugar en el cual parece que pueden orientarse hacia la luz. Es posible que en unacélula haya entre cuarenta y cincuenta cloroplastos, y en cada milímetro cuadrado de la superficie de la hoja hay 500.000 cloroplastos. Cada cloroplasto está recubierto por una membrana doble. El cloroplasto contiene en su interior una sustancia básica denominada estroma, la cual está atravesada por una red compleja de discos conectados entre sí, llamados lamelas. Muchas de las lamelas se encuentran apiladas como si fueran platillos; a estas pilas se les llama grana.

Las moléculas de clorofila, que absorben luz para llevar a cabo la fotosíntesis, están unidas a las lamelas. La energía luminosa capturada por la clorofila es convertida en adenosin-trifosfato (ATP) y moléculas reductoras (NADPH) mediante una serie de reacciones químicas que tienen lugar en los grana. Los cloroplastos también contienen gránulos pequeños de almidón donde se almacenan los productos de la fotosíntesis de forma temporal.

En las plantas, los cloroplastos se desarrollan en presencia de luz, a partir de unos orgánulos pequeños e incoloros que se llaman proplastos. A medida que las células se dividen en las zonas en que la planta está creciendo, los proplastos que están en su interior también se dividen por fisión. De este modo, las células hijas tienen la capacidad de producir cloroplastos.

RETICULOS ENDOPLASMATICOS:

La mayor parte de los componentes de la membrana celular se forman en una red tridimensional irregular de espacios rodeada a su vez por una membrana llamada retículo endoplasmático (RE), en el cual se forman también los materiales que son expulsados por la célula. Los retículos está formado por una red de membranas que forman cisternas, saculos y tubos aplanados intercomunicados.  Delimita un espacio interno llamado lúmen del retículo y se halla en continuidad estructural con la membrana externa de la envoltura nuclear. Se pueden distinguir dos tipos de retículo:

El Retículo endoplasmático rugoso (R.E.R.), presenta ribosomasunidos a su membrana. En él se realiza la síntesis proteica. Las proteínas sintetizadas por los ribosomas, pasan al lúmen del retículo y aquí maduran hasta ser exportadas a su destino definitivo

El Retículo endoplasmático liso (R.E.L.), carece de ribosomas y está formado por túbulos ramificados y pequeñas vesículas esféricas.   En este retículo se realiza la síntesis de lípidos. En el retículo de las células del hígado tiene lugar la detoxificación, que consiste en modificar a una droga o metabolito insoluble en agua,en soluble en agua, para así eliminar dichas sustancias por la orina

APARATO DE GOLGI:

Consiste en un conjunto de estructuras de membrana que forma parte del elaborado sistema de membranas interno de las células. Se encuentra más desarrollado cuanto mayor es la actividad celular. La unidad básica del orgánulo es el sáculo, que consiste en una vesícula o cisterna aplanada. Cuando una serie de sáculos se apilan (no se intercomunican entre sí), forman un dictiosoma. Además, pueden observarse toda una serie de vesículas más o menos esféricas a ambos lados y entre los sáculos. El conjunto de todos los dictiosomas y vesículas constituye el aparato de Golgi. Este aparato recibe las moléculas formadas en el retículo endoplasmático, las transforma y las dirige hacia distintos lugares de la célula.

NUCLEO:

Es la estructura más conocido en casi todas las células animales y vegetales ; está rodeado de forma característica por una membrana, es esférico y mide unas 5 µm de diámetro. Dentro del núcleo, las moléculas de ADN y proteínas están organizadas en cromosomas que suelen aparecer dispuestos en pares idénticos. Los cromosomas están muy retorcidos y enmarañados y es difícil identificarlos por separado. Pero justo antes de que la célula se divida, se condensan y adquieren grosor suficiente para ser detectables como estructuras independientes. El ADN del interior de cada cromosoma es una molécula única muy larga y arrollada que contiene secuencias lineales de genes. Éstos encierran a su vez instrucciones codificadas para la construcción de las moléculas de proteínas y ARN necesarias para producir una copia funcional de la célula.El núcleo dirige las actividades de la célula y en él tienen lugar procesos tan importantes como la autoduplicación del ADN o replicación, antes de comenzar la división celular, y la transcripción o producción de los distintos tipos de ARN, que servirán para la síntesis de proteínas. El ARN mensajero (ARNm) por ejemplo, se sintetiza de acuerdo con las instrucciones contenidas en el ADN y abandona el núcleo a través de los poros. El núcleo cambia de aspecto durante el ciclo celular y llega a desaparecer como tal. Por ello se describe el núcleo en interfase durante el cual se puede apreciar las siguientes partes en su estructura:

Envoltura nuclear: formada por dos membranas (una externa y otra interna) concéntricas perforadas por poros nucleares. A través de éstos se produce el transporte de moléculas entre el núcleo y el citoplasma. La membrana interna contiene proteínas específicas que actúan como lugares de unión

de láminas nuclear que la soporta. La membrana externa , la cual se parece mucho a la membrana del retículo endoplásmico rugoso, y que muchas veces se dispone en forma continuada con este; se encuentra en algunas secciones tapizadas por ribosomas que se hallan sintetizando proteínas, que son transportadas al espacio perinuclear o al lumen del RE.

El nucleoplasma, que es el medio interno del núcleo donde se encuentran el resto de los componentes nucleares.

Nucléolo, o nucléolos que son masas densas y esféricas sin membrana propia, formado por dos zonas: una fibrilar y otra granular. La fibrilar es interna y contiene ADN, la granular rodea a la anterior y contiene ARN y proteínas. El nucléolo es una región especial en la que se sintetizan partículas que contienen ARN y proteína que migran al citoplasma a través de los poros nucleares y a continuación se modifican para transformarse en ribosomas.

La cromatina, constituida por ADN y proteinas, aparece durante la interfase; pero cuando la célula entra en división la cromatina se organiza en estructuras individuales que son los cromosomas.

CELULA ANIMAL Y VEGETAL:

NUTRICION CELULAR:

a) Células fotótrofas ("que se alimentan de la luz").- Obtienen la energía que precisan en forma de energía radiante asociada a las radiaciones electromagnéticas, fundamentalmente la luz visible.

b) Células quimiótrofas.- Obtienen la energía que precisan a partir de reacciones químicas exergónicas, concretamentereacciones redox, en las que determinadas sustancias ceden sus electrones (se oxidan) a otras que tienen tendencia a aceptarlos (reduciéndose así), lo cual conlleva un desprendimiento de energía. Estas células pueden a su vez subdividirse en aerobias, si utilizan el

O2 como aceptor último de electrones en sus reacciones redox, yanaerobias, si utilizan alguna otra sustancia, generalmente de naturaleza orgánica. Muchas células pueden funcionar de modo aeróbico si hay oxígeno disponible y en modo anaeróbico en caso contrario; se dice que sonfacultativas. También hay células quimiótrofas que en ningún caso pueden utilizar el oxígeno e incluso resultan intoxicadas por él; se dice que son anaerobias estrictas.

TIPO DE CÉLULA FUENTE DE MATERIA FUENTE DE ENERGÍA

Fotolitótrofas Materia inorgánica LuzFotoorganótrofas Materia orgánica LuzQuimiolitótrofas Materia inorgánica Reacciones redox

Quimioorganótrofas Materia orgánica Reacciones redox

CIENCIAS ÓMICAS:

LA METABOLÓMICA

La metabolómica es el estudio y comparación de los metabolomas, es decir, la colección de todos los metabolitos (moléculas de bajo peso molecular) presentes en una célula, tejido u organismo en un momento dado. Estos metabolitos incluyen a intermediarios del metabolismo, hormonas y otras moléculas de señalización, y a metabolitos secundarios. En 2007, los científicos lograron completar el primer borrador del metaboloma humano. Catalogaron y caracterizaron a unos 2.500 metabolitos, unas 1.200 drogas y unos 3.500 componentes alimenticios que pueden encontrarse en el cuerpo humano. El metaboloma es muy dinámico, cambia ante la menor señal física o química, y debido a que son muchos los tipos de metabolitos que puede haber en una célula, también son varios los métodos que se emplean en el análisis.Para estudiar el metaboloma se necesita primero separar los metabolitos, y luego detectarlos.Para separarlos se suelen usar las técnicas de cromatografía en fase gaseosa, cromatografía líquida de alto rendimiento (o HPLC), o electroforesis con capilares. Para la detección de los metabolitos, se emplean principalmente la espectrometría de masa y la espectroscopía de resonancia magnética nuclear.Aunque se usan prácticamente en forma indistinta, para algunos autores los términos metabolómica y metabonómica hacen referencia a objetivos diferentes. Mientras la metabolómica cataloga y cuantifica a las moléculas pequeñas que se encuentran en los sistemas biológicos, la metabonómica estudia cómo cambian los perfiles metabólicos como respuesta a estreses, tales como enfermedades, tóxicos o cambios en la dieta.Entre las posibles aplicaciones de la metabolómica se encuentran los estudios toxicológicos, ya que se podría estudiar el metaboloma de la orina y otros fluidos corporales para detectar los cambios fisiológicos causados por la exposición a un posible tóxico. Como parte de la genómica funcional, la metabolómica puede ser una herramienta para estudiar la función de los genes, a través de la mutación, deleción o inserción de los mismos. En la nutrigenómica, que relaciona a las “ómicas”

con la nutrición humana, la metabolómica podría servir para correlacionar los perfiles de metabolitos de fluidos y órganos con patologías, constitución genética y dietas.GENÓMICA

Se denomina genómica al conjunto de ciencias y técnicas dedicadas al estudio integral del

funcionamiento, el contenido, la evolución y el origen de los genomas. Es una de las áreas más

vanguardistas de la Biología. La genómica usa conocimientos derivados de distintas ciencias como

son: biología molecular, bioquímica, informática, estadística, matemáticas, física, etc.

Muchas veces, la genómica es usada como sinónimo de otras áreas de estudio relacionadas, como la

proteómica y la transcriptómica, por ejemplo.

Las ciencias genómicas han tenido un importante auge en los últimos años, sobre todo gracias a las

tecnologías avanzadas de secuenciación de ADN, a los avances en bioinformática, y a las técnicas

cada vez más sofisticadas para realizar análisis de genomas completos. El desarrollo de la genómica

ha contribuido al avance de distintos campos de la ciencia como la medicina, la agricultura, etc;

gracias al descubrimiento de secuencias de genes necesarias para la producción de proteínas de

importancia médica y a la comparación de secuencias genómicas de distintos organismos. Por

ejemplo en varios países como Estados Unidos, la Unión Europea y Japón se han realizado enormes

proyectos para secuenciar el genoma de diversos organismos modelo. Probablemente el más

conocido es el Proyecto Genoma Humano.

En la actualidad se cuenta además con importantes servidores de acceso público, como el del NCBI

(National Center for Biotechnology Information), que permiten que cualquier usuario con conexión

a Internet acceda a la secuencia completa del genoma de decenas de organismos y a las secuencias

de cientos de miles de genes de distintos organismos.

PROTEOMICALa proteómica es el estudio y caracterización del conjunto de proteínas expresadas de un genoma (proteoma). El proteoma de una célula varía según el estado en el que se encuentre la célula, si se encuentra en una situación de estrés, bajo el efecto de fármacos o de una hormona. Así, en cada momento y en cada tipo celular el perfil de proteínas expresadas será diferente. La proteómica es útil para estudiar estas diferencias. Existen tres ramas en la proteómica que tratan de caracterizar el proteoma estudiando distintos aspectos del mismo: •La proteómica de expresión se encarga del estudio de la abundancia relativa de las proteínas y de sus modificaciones postranscripcionales •La proteómica estructural se encarga de la caracterización de la estructura tridimensional de las proteínas•La proteómica funcional se encarga de la localización y distribución subcelular de proteínas y de las interacciones que se producen entre las proteínas y otras moléculas con el fin de determinar su función La Proteómica permite identificar, categorizar y clasificar las proteínas con respecto a su función y a las interacciones que establecen entre ellas. De este modo, se pueden caracterizar las redes funcionales que establecen las proteínas y su dinámica durante procesos fisiológicos y patológicos.Las aplicaciones de la proteómica son múltiples, pero actualmente se destacan las siguientes:

•Identificación de nuevos marcadores para el diagnóstico de enfermedades •Identificación de nuevos fármacos•Determinación de mecanismos moleculares involucrados en la patogenia de enfermedades •Análisis de rutas de transducción de señalesLas técnicas más usadas en proteómica se basan en la electroforesis y en la espectrometría de masas. Dependiendo del objetivo del estudio podemos agrupar las técnicas de proteómica en los siguientes grupos: •Técnicas empleadas para analizar globalmente el proteoma y separar sus proteínas. Cabe destacar la electroforesis bidimensional, DIGE (Difference In Gel Electrophoresis: electroforesis diferencial en gel), ICAT (Isotope-Coded Affinity Tags: marcaje isotópico diferencial) y MudPIT(Multidimensional Protein Identification Technology: tecnología de identificación de proteínas multidimensional) •Técnicas usadas para analizar individualmente las proteínas. Con este objetivo se utilizan distintos tipos de espectrometría de masas, como el MALDI-TOF (Matrix-assisted laser desorption/ionization Time Of Flight: desorción/ionización mediante láser asistida por matriz en “tiempo de vuelo”), SELDI-TOF-MS (Surface Enhanced Laser Desorpcion Ionization Time Of Flight Mass Spectrometry: espectrometría de masas en "Tiempo de Vuelo" mediante desorción/ionización por láser de superficie), MS/MS (Mass Spectrometry/ Mass Spectrometry: espectrometría de masas en tándem). Con estas técnicas se obtiene la huella peptídica (peptide mass fingerprint). La huella peptídica es el conjunto de fragmentos peptídicos que se obtienen tras tratar una proteína concreta con una proteasa determinada. La huella peptídica es característica de cada proteína y depende de la enzima con la que se fragmente. Actualmente hay numerosas bases de datos que recogen las huellas peptídicas de multitud de proteínas conocidas. Estas bases de datos se pueden rastrear usando programas bioinformáticos para buscar la huella peptídica que corresponda con la huella peptídica de la proteína que se esté estudiando y por tanto poder identificarla. •Técnicas que se usan para estudiar interacciones entre proteinas, como los sistemas “yeast two hybrids” de alto rendimiento o y la técnica “Phage Display”. La técnica “Phage Display” permite averiguar con qué proteínas interacciona una proteína problema o sonda. Esta técnica consiste en la expresión en la superficie de un fago de las proteínas que se quieren analizar. La proteína problema o sonda se inmoviliza sobre un soporte o membrana de tal modo que los fagos que expresan las proteínas que se unen a la sonda quedan inmovilizados sobre el soporte. Estos fagos se pueden recuperar fácilmente de la membrana y pueden ser empleados para la expresión de la proteína en Escherichia coli y su posterior identificación.•El análisis y la interpretación de los datos obtenidos con las técnicas de proteómica descritas anteriormente, especialmente cuanto se utilizan a gran escala, necesita herramientas bioinformáticas. Durante los últimos años la genómica, la proteómica y la bioinformática se han desarrollado de forma sinérgica experimentando un desarrollo sorprendente que está aportando grandes avances a la medicina.FLUXÓMICA

El flujo neto de una vía metabólica (la velocidad de producción del metabolito final) está determinado por la velocidad a la que los enzimas y transportadores de la vía catalizan reacciones o facilitan procesos de transporte. Así, el flujo de una vía metabólica es la variable que sirve como indicador de la velocidad de todos sus componentes individuales. La fluxómica es la disciplina de las ómicas que se ocupa del análisis de los flujos metabólicos.

A diferencia de otras ómicas, como la transcriptómica, la proteómica o la metabolómica, que proporcionan una visión estática de sistemas biológicos, la fluxómica proporciona información sobre la dinámica del sistema, es decir, de su evolución en el tiempo. Así, por ejemplo, si se cuantifica la transcriptómica, proteómica y metabolómica en una línea celular se obtiene información de los transcritos, proteínas y metabolitos presentes en la muestra en el momento del experimento, pero si se cuantifica la fluxómica es posible inferir cómo cambiará el sistema en el tiempo, por ejemplo, cuánto tardará en duplicarse la línea celular. Es más, se considera que el flujoma, el conjunto de flujos metabólicos en un sistema metabólico, es una manifestación directa del fenotipo metabólico. Consecuentemente, el flujoma es clave para entender cualquier enfermedad con un fuerte componente metabólico, como por ejemplo el cáncer.

A diferencia del transcriptoma, proteoma y metaboloma, que pueden ser cuantificados directamente, el flujoma solo se puede estimar indirectamente mediante la integración en modelos matemáticos de medidas de producción y consumo de metabolitos, datos de transcriptómica, proteómica o metabolómica y/o mapas de distribución de 13C en distintos metabolitos obtenidos a partir de experimentos en que se incuban células con sustratos marcados con 13C. Destacan dos grandes clases de modelos capaces de predecir flujos: los cinéticos y los estequiométricos.

 Modelos cinéticos

En los modelos cinéticos, un sistema metabólico se describe mediante un sistema de ecuaciones diferenciales de primer orden. Así, para cada metabolito se formula una ecuación diferencial que define su variación en el tiempo. Estas se construyen sumando los flujos que producen cada metabolito y restando los flujos que lo consumen sobre la base de la estequiometría de las reacciones definidas en la red metabólica. En los modelos cinéticos, el flujo de una reacción es función de la concentración de aquellos metabolitos que participan o regulan la reacción. La función matemática, que expresa cómo depende el flujo de una reacción concreta de las concentraciones de metabolitos, se denomina ecuación cinética. En reacciones catalizadas por enzimas, las ecuaciones cinéticas suelen reflejar la cantidad total de enzima, la afinidad de este por los sustratos y su grado de inhibición o activación. La complejidad y número de parámetros asociados a una ecuación cinética depende del detalle con el que se quiera modelar la reacción. Para obtener la máxima correspondencia entre las predicciones del modelo y los datos experimentales, normalmente se realiza un ajuste de los parámetros de las ecuaciones cinéticas.

Dada su estructura dinámica, los modelos cinéticos son ideales para estudiar la evolución del flujoma en el tiempo. Asimismo, permiten incorporar una gran cantidad de detalle, como propiedades cinéticas de enzimas o mecanismos de regulación a corto plazo a través de la construcción de ecuaciones cinéticas específicas.

La principal limitación de los modelos cinéticos radica en la dificultad de construir y parametrizar leyes cinéticas para las distintas reacciones. Esto limita la aplicación de los modelos cinéticos a redes metabólicas de reducidas dimensiones en las que el número de reacciones es relativamente bajo.

Modelos estequiométricos

En los modelos estequiométricos, el sistema metabólico se describe como un sistema lineal de ecuaciones e inecuaciones con los flujos metabólicos como variables. Se basan en asumir que el sistema de estudio está en estado estacionario, es decir, en un estado en que las concentraciones de metabolitos son constantes en el tiempo. Esto implica que el sumatorio de los flujos de las reacciones que producen un determinado metabolito debe ser igual al sumatorio de los flujos de reacciones que consumen este mismo metabolito, es decir, que los flujos de producción y de consumo para todos los metabolitos estén balanceados. Adicionalmente, también se puede definir un límite superior e inferior para cada flujo. Estos límites pueden ser usados para incorporar datos experimentales, permitiendo restringir los flujos de consumo y producción de metabolitos a los valores determinados experimentalmente.

El sistema de ecuaciones e inecuaciones juntamente con los límites superiores e inferiores para los flujos sirve para definir un espacio de soluciones, es decir, valores de flujo posibles. Para seleccionar las mejores soluciones dentro de este espacio se suele definir un objetivo biológicamente deseable en el sistema, por ejemplo la maximización de uno o más flujos. El objetivo biológico fijado dependerá del sistema estudiado. Así, en un sistema altamente proliferativo, como una bacteria o célula tumoral, normalmente se asume que «el objetivo» es maximizar el crecimiento. Este objetivo se implementa a través de maximizar la producción de los componentes de la biomasa del organismo, dando a los distintos componentes un peso proporcional a su abundancia. El resultado es la distribución de flujos (flujoma) óptima, es decir, que maximiza la producción de biomasa y por tanto la proliferación bacteriana o tumoral (fig. 2). Esta aproximación se conoce como flux balance analysis.  

Para construir un modelo estequiométrico solo es necesario conocer la estequiometría del conjunto de reacciones que integran la red metabólica. Por ello, estos modelos permiten integrar un gran número de reacciones e incluso pueden ser construidos automáticamente mediante la información disponible en bases de datos.

Fluxómica asistida por 13C

Independientemente de si se usan modelos cinéticos o modelos estequiométricos, un reto al cuantificar flujos son los grados de libertad asociados al gran número de ramificaciones y ciclos que contiene una red metabólica. El uso de sustratos marcados con 13C, un isótopo estable del carbono, proporciona los medios para reducir esta incertidumbre. Esto es posible porque la conversión de sustratos en productos a través de distintas vías metabólicas resulta en patrones de marca característicos en los intermediarios y los productos metabólicos. Por ejemplo, el piruvato puede ser incorporado al ciclo de Krebs tanto a través de la piruvato deshidrogenasa (PDH) como de la piruvato carboxilasa (PC). Si el piruvato está marcado, por ejemplo debido a la incubación de las células en estudio con glucosa marcada con 13C, estas dos reacciones resultan en un patrón de marca distinto en glutamato. De este modo, si después de una incubación con glucosa marcada con 13C se cuantifica el patrón de marca en glutamato se puede inferir la actividad relativa de la PDH y la PC (fig. 3).

Figura 3. Propagación de 13C de [1,2-13C2]-glucosa hasta glutamatoLos círculos representan átomos de carbono, específicamente los grises representan 12C y los círculos de color 13C. Particularmente, los círculos rojos representan 13C que ha entrado en el ciclo de Krebs a través de la piruvato carboxilasa (PC), los círculos amarillos 13C que ha entrado en el ciclo de Krebs a través de la piruvato deshidrogenasa (PDH) y los círculos marrones representan 13C que aún no han entrado en el ciclo de Krebs

En experimentos con marca, resulta clave seleccionar los sustratos marcados en función de los flujos que se quiera cuantificar. Por ejemplo, incubar con [1,2-13C2]-glucosa, uno de los sustratos más usados, proporciona información sobre los flujos en glicólisis, vía oxidativa y no oxidativa de pentosas fosfato y oxidación y carboxilación del piruvato.

«En los últimos años, la fluxómica basada en 13C ha demostrado su gran potencial para caracterizar el flujoma en distintos tipos celulares y condiciones.»

Entre ellas destaca la del software IsoDyn, desarrollado en el grupo de la Dra. Marta Cascante, que consiste en un modelo cinético acoplado a un modelo dinámico de isotopómeros. El modelo de propagación de marca de IsoDyn consiste en un sistema de ecuaciones diferenciales análogo al de un modelo cinético pero con la particularidad de que es capaz de predecir la evolución de la concentración de isotopómeros.

En los últimos años, la fluxómica basada en 13C ha demostrado su gran potencial para caracterizar el flujoma en distintos tipos celulares y condiciones. En particular, un campo en el que ha sido ampliamente usada ha sido en el estudio de la reprogramación metabólica que presentan las células tumorales. Caracterizar esta reprogramación resulta clave para identificar vulnerabilidades que puedan ser explotadas en terapia. Sin embargo, la fluxómica con 13C tiene la limitación que resulta difícil de aplicar en modelos de grandes dimensiones. Consecuentemente, no es factible aplicar esta técnica en modelos de escala genómica sin reducir previamente el número de reacciones del modelo al mínimo esencial.

Perspectivas de futuro

En este artículo se han descrito las dos grandes aproximaciones para estudiar la fluxómica, los modelos cinéticos y los modelos estequiométricos, cada una con sus ventajas y limitaciones. Asimismo, también se han descrito los principios de la fluxómica de 13C y su gran utilidad en la determinación de flujos metabólicos.

El desafío de la fluxómica para la próxima década es crear una nueva aproximación híbrida que sea capaz de integrar modelos cinéticos con modelos de escala genómica, combinando así las ventajas de estas dos aproximaciones, y que además sea compatible con técnicas de fluxómica asistida por 13C.

Por último, vale la pena señalar que la tendencia actual y futura es la de facilitar el intercambio libre de los datos flujómicos generados entre la comunidad científica. La consecución de este objetivo requiere la generación de estándares internacionales, bases de datos de información flujómica e infraestructuras electrónicas que faciliten la diseminación de los datos obtenidos. La iniciativa europea COSMOS (EC312941) desempeña un papel fundamental en este proceso, que tiene una gran importancia para la correcta gestión y aprovechamiento de la ingente cantidad de datos que se generan en los estudios flujómicos y metabolómicos.

RUTA METABÓLICA DE ASPERGILUS NIGER:

IMPORTANCIA DE LA INGENIERÍA GENÉTICA:Gracias al avance de las ciencias podemos hoy en día acceder a multitud de facilidades que unos siglos atrás parecían impensables.Uno de los apartados de la ciencia es la ingeniería genética, en la cual el progreso es todavía mayor.¿Qué es es la   ingeniería   genética? La ingeniería genética es la parte de las ciencias que se encarga de la manipulación y transferencia de ADN de un organismo a otro.  Nos permite  la creación de transgenicos, como vimos en la entrada anterior. Sin embargo existen mas aplicaciones, entre las que se encuentran la corrección de defectos genéticos o la obtención de fármacos para tratar enfermedades.

AplicacionesProducción   de insulina.  A esta ultima nos referimos al hablar de la producción de insulina. La diabetes es una enfermedad crónica en la que algunos de sus pacientes necesita el suministro de dicha sustancia ya que su organismo no produce o lo hace de manera deficiente insulina.Los fisiólogos canadienses Fredereick G. Banting y Charles H. Best en 1921 extrajeron insulina de un perro.Dos años mas tarde ya se comercializaba con este producto en EE.UU.Mas tarde se pensó en el cerdo o las vacas como medio para conseguir la insulina, pero al proceder de animales podía  causar daños en el organismo humano.Se decide entonces optar por la ingeniería genética , siendo la insulina en 1982, la primera sustancia aprobada obtenida de  manera artificial  para el tratamiento en seres humanos.Para ellos se aisló el gen que portaba dicha información y se introdujo en bacterias a las que se les realizó un cultivo para que se multiplicasen. Al hacerlo se obtiene grandes cantidades de insulina que es extraída de las bacterias, purificadas y por ultimo puestas a la venta.

Factor VIII de   coagulación.  La ingeniería genética permite  la fabricación del factor VIII de coagulación  del cual carecen las personas hemofílicas. Esto permite que no haya riesgo de adquirir un virus con una transfusión de sangre.Terapias   génicas. Las terapias génicas son tratamientos que manipulan la información de las células las cuales provocan un defecto genético. Esta es la mejor opción para tratar distintos tipos de canceres, sin embargo, hay que saber que estos procedimientos no son utilizados en personas a las que se les diagnostica esta enfermedad. La terapia génica es usada únicamente antes de que se haya formado el cigoto, y así sí, podemos evitar que una persona que por cuestiones genéticas este predestinada a tener cáncer pueda realizar su vida con normalidad sin padecer nunca dicha enfermedad.Las terapias génicas recurren al uso de retrovirus, ya que estos permiten que las células realicen copias de los genes víricos y así se integran en los cromosomas.GENUn gen es un segmento corto de ADN. Los genes le dicen al cuerpo cómo producir proteínas específicas. Hay aproximadamente 20,000 genes en cada célula del cuerpo humano. Juntos forman constituyen el material hereditario para el cuerpo humano y la forma como funciona.La composición genética de una persona se llama genotipo.

Los genes están compuestos de ADN. Las hebras de ADN conforman parte de los cromosomas. Los cromosomas tienen pares apareados de una copia de un gen específico. El gen se presenta en la misma posición en cada cromosoma.Los rasgos genéticos, como el color de los ojos, son dominantes o recesivos:Los rasgos dominantes son controlados por un gen en el par de cromosomas.Los rasgos recesivos requieren que ambos genes en el par de genes trabajen juntos.Muchas características personales, como la estatura, son determinadas por más de un gen. Sin embargo, algunas enfermedades, como la anemia drepanocítica, pueden ser ocasionadas por un cambio en un solo gen.GENOMASe denomina Genoma de una especie al conjunto de la información genética, codificada en una o varias moléculas de ADN (Acido Desoxirribo Nucleico) (en muy pocas especies ARN), donde están almacenadas las claves para la diferenciación de las células que forman los diferentes tejidos y órganos de un individuo. Por medio de la reproducción sexuada de los individuos esa información es permanentemente reordenada y transmitida a los descendientes, constituyendo una población dinámica. El conjunto de esa información codificada es el Genoma, y el de las características morfológicas y funcionales resultantes de la "expresión" de dicha información caracteriza a cada especie de los seres vivos.