El Sistema Inmune: Fundamentos y Funciones

Es el sistema encargado de proteger al organismo frente a agentes extraños como microorganismos patógenos, alérgenos, células tumorales o células trasplantadas. Su función principal es reconocer lo propio de lo ajeno y defender al organismo mediante mecanismos coordinados que permiten mantener la salud y el equilibrio corporal. También interviene en procesos como la destrucción de células envejecidas, mutadas o dañadas.

Componentes Clave del Sistema Inmune

El sistema inmune está formado por órganos linfoides, células y moléculas. Los órganos linfoides se dividen en primarios y secundarios. En los órganos primarios, como la médula ósea y el timo, se originan y maduran los linfocitos. En los órganos secundarios, como los ganglios linfáticos, el bazo y las placas de Peyer del intestino, los linfocitos entran en contacto con antígenos y se activan. Entre las células inmunes destacan los linfocitos B (productores de anticuerpos), los linfocitos T (que median la inmunidad celular), los macrófagos (que fagocitan y presentan antígenos), y las células NK (natural killer), que destruyen células infectadas o tumorales. Entre las moléculas o sustancias clave participan las inmunoglobulinas (anticuerpos), el interferón y el sistema del complemento, que potencian la respuesta inmunitaria.

Defensas Innatas (Inespecíficas): Primera Línea de Protección

Son mecanismos de defensa presentes desde el nacimiento. Actúan de forma inmediata y no distinguen entre diferentes patógenos. Incluyen barreras externas, como la piel, las mucosas, las lágrimas, la saliva y el jugo gástrico, que impiden la entrada de microorganismos, y mecanismos internos, que entran en acción si estas barreras se rompen.

La Respuesta Inflamatoria: Un Mecanismo de Defensa Local

Es una reacción local caracterizada por enrojecimiento, calor, hinchazón y dolor. Su objetivo es aislar al patógeno, atraer células defensivas y comenzar la reparación del tejido.

Interferón: Proteína Antiviral Clave

Es una proteína producida por células infectadas por virus. Su función es impedir la replicación viral al bloquear la síntesis de proteínas del virus. Además, activa otras células inmunes como los linfocitos NK, los macrófagos y los linfocitos B.

Sistema del Complemento: Potenciador de la Inmunidad

Es un conjunto de proteínas del plasma que, al activarse, desencadenan una serie de reacciones en cascada que ayudan a destruir al microorganismo, ya sea formando poros en su membrana o facilitando su fagocitosis.

Defensas Adquiridas (Específicas): Memoria y Adaptación

Actúan de forma más lenta pero específica, ya que reconocen antígenos concretos. Generan memoria inmunológica, lo que permite responder más rápido y con más eficacia si el organismo vuelve a exponerse al mismo agente. Están mediadas por linfocitos B y T.

Inmunidad Humoral: El Rol de los Anticuerpos

Es llevada a cabo por linfocitos B, que reconocen antígenos mediante receptores de membrana (anticuerpos). Una vez activados, se multiplican y secretan anticuerpos al medio extracelular, donde se unen al antígeno para neutralizarlo o marcarlo para su eliminación.

Tipos de Anticuerpos (Inmunoglobulinas)

• IgM: primeras en aparecer; activan el complemento.
• IgG: más abundantes; atraviesan la placenta, activan el complemento y favorecen la fagocitosis.
• IgA: presentes en saliva, lágrimas y mucosas; protegen superficies expuestas.
• IgE: implicadas en alergias y en defensa contra parásitos; activan mastocitos y liberan histamina.
• IgD: se encuentran en la membrana de los linfocitos B como receptores.

Los anticuerpos pueden actuar directamente sobre el antígeno mediante opsonización (facilitando su fagocitosis) o activación del complemento, o indirectamente formando complejos antígeno-anticuerpo que desencadenan otras respuestas inmunitarias.

Inmunidad Celular: La Acción Directa de los Linfocitos T

Es mediada por linfocitos T, que no producen anticuerpos, sino que destruyen directamente células infectadas, tumorales o trasplantadas. También actúan frente a microorganismos intracelulares como Mycobacterium tuberculosis o Leishmania.

Tipos de Linfocitos T

• T4 (CD4)
  • Th (cooperadores): activan linfocitos B, linfocitos Tc y macrófagos mediante la secreción de interleucinas.
  • Td: aumentan la actividad de los macrófagos.
• T8 (CD8)
  • Tc (citotóxicos): destruyen células diana mediante perforinas, que abren poros en la membrana de la célula objetivo.
  • Ts (supresores): frenan la respuesta inmune y mantienen la tolerancia inmunológica para evitar ataques a células propias.

Activación de Linfocitos T: Reconocimiento Antigénico

Los linfocitos T solo reconocen antígenos presentados por otras células. Un macrófago u otra célula presentadora fagocita al patógeno, digiere sus proteínas y expone fragmentos antigénicos en su superficie junto con autoantígenos. Este complejo es reconocido por el linfocito T específico, que se activa. La respuesta comienza con los Th, que activan a su vez a los Tc y a los Ts.

Funciones Clave de los Linfocitos T

Los Tc destruyen directamente células infectadas o tumorales. Los Th coordinan y potencian la respuesta inmunitaria mediante interleucinas que activan a otros linfocitos y macrófagos. Los Ts suprimen la actividad de linfocitos activos para evitar reacciones excesivas o autoinmunes. Si los Ts fallan, pueden desarrollarse alergias o enfermedades autoinmunes al no controlarse adecuadamente la respuesta inmunitaria.

Metabolismo Celular: Catabolismo y Anabolismo

Introducción al Catabolismo: Obtención de Energía

El catabolismo es el conjunto de reacciones que degradan moléculas orgánicas complejas en todos los organismos. Su finalidad principal es la obtención de energía, que se logra a través de reacciones de oxidación donde se liberan electrones. Estos electrones pasan por distintas moléculas, perdiendo energía que se aprovecha para formar ATP, una molécula que almacena energía en sus enlaces fosfato. Además de energía, el catabolismo proporciona poder reductor (NADH, NADPH) y precursores metabólicos que pueden utilizarse en procesos de síntesis.
Las oxidaciones pueden realizarse por fermentación, donde la oxidación es incompleta y el aceptor final de electrones es una molécula orgánica, o por respiración celular, donde la oxidación es completa. Si el aceptor final de electrones es oxígeno, se trata de respiración aerobia; si es otra molécula, es anaerobia. En la respiración, el ATP se forma por fosforilación oxidativa en las mitocondrias gracias a la cadena de transporte electrónico.

Catabolismo de Glúcidos: La Glucosa como Combustible

La glucosa es el principal combustible energético en los seres vivos. Los autótrofos la producen mediante fotosíntesis y la almacenan como almidón. En los heterótrofos, la glucosa se obtiene del medio y se almacena en forma de glucógeno, que se degrada cuando se necesita energía mediante la glucogenólisis. Este paso es previo a las rutas de oxidación de la glucosa.

Glucogenólisis: Liberación Rápida de Glucosa

Es la vía metabólica que permite liberar glucosa rápidamente a partir del glucógeno. Se activa por bajos niveles de glucosa en sangre y por hormonas como el glucagón y las catecolaminas. En la primera etapa, la enzima glucógeno fosforilasa extrae glucosa 1-fosfato del glucógeno. Después, actúa la enzima desramificante, que rompe los enlaces α-1,4 y α-1,6 del glucógeno. Luego, la glucosa 1-fosfato se transforma en glucosa 6-fosfato mediante la fosfoglucomutasa. En el hígado, la glucosa 6-fosfatasa convierte la glucosa 6-fosfato en glucosa libre que puede salir a la sangre.

Glucólisis: La Ruta Central del Catabolismo de Glucosa

La glucólisis es la primera etapa de la oxidación de la glucosa y ocurre en el citoplasma. Es una vía anaerobia, común tanto a la fermentación como a la respiración. Consta de 10 reacciones divididas en dos fases. En la fase de activación, se gastan 2 ATP para fosforilar la glucosa y dividirla en dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. En la fase de oxidación, estas se convierten en piruvato, generando 2 NADH y 4 ATP por fosforilación a nivel de sustrato. El balance final es un beneficio neto de 2 ATP y 2 NADH por cada molécula de glucosa.

Respiración Aerobia: Oxidación Completa para Mayor Energía

Cuando hay oxígeno, el piruvato entra en la mitocondria y se oxida completamente a CO₂. Primero, sufre descarboxilación oxidativa mediante la enzima piruvato deshidrogenasa, produciendo Acetil-CoA y NADH. Luego, el Acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs, donde se une al oxalacetato y se oxida completamente a CO₂. En cada vuelta del ciclo se obtienen 3 NADH, 1 FADH₂ y 1 GTP. Finalmente, los NADH y FADH₂ transfieren sus electrones a la cadena de transporte electrónico en la membrana mitocondrial interna. Esta cadena conduce los electrones hasta el oxígeno, que actúa como aceptor final y forma agua. La energía liberada se utiliza para bombear protones y generar ATP por fosforilación oxidativa.

Fosforilación Oxidativa: La Mayor Producción de ATP

Este proceso tiene lugar en la membrana interna de la mitocondria. Los electrones de NADH y FADH₂ pasan por una cadena de complejos transportadores que bombean protones al espacio intermembrana, creando un gradiente de H⁺. Este gradiente genera energía que se aprovecha cuando los protones regresan a la matriz a través de la ATP-sintetasa, formando ATP. Cada NADH permite sintetizar aproximadamente 3 ATP, y cada FADH₂, 2 ATP. El rendimiento total de la respiración aerobia de una molécula de glucosa es de 38 ATP, aunque puede ser ligeramente menor según el sistema lanzadera utilizado.

Tipos de Respiración Celular

La respiración aerobia utiliza oxígeno como aceptor final de electrones, y como resultado se forma agua. La respiración anaerobia ocurre cuando el aceptor final es una molécula diferente, como nitratos, sulfatos o hierro. Existe también la respiración quimiolitótrofa, exclusiva de ciertas bacterias, que oxidan compuestos inorgánicos como amoníaco o sulfuro, cediendo electrones al oxígeno, y generando ATP por fosforilación oxidativa.

Fermentaciones: Rutas Anaerobias de Obtención de Energía

Las fermentaciones son procesos de oxidación incompleta que ocurren sin oxígeno. El ATP se obtiene exclusivamente durante la glucólisis. El principal objetivo de la fermentación es regenerar NAD⁺ para mantener la actividad de la glucólisis. En la fermentación láctica, el piruvato se reduce a ácido láctico gracias al NADH, y la enzima responsable es la lactato deshidrogenasa. En la fermentación alcohólica, el piruvato pierde CO₂ y se convierte en acetaldehído, que luego se reduce a etanol mediante la alcohol deshidrogenasa. Ambas permiten continuar la glucólisis en condiciones anaerobias. En el efecto Pasteur, las levaduras cambian la fermentación por respiración si aparece oxígeno.

Catabolismo de Lípidos: Una Fuente Energética Alternativa

Cuando faltan glúcidos, los lípidos se convierten en una fuente importante de energía. Los triglicéridos se hidrolizan en glicerol y ácidos grasos. El glicerol entra en la glucólisis como gliceraldehído-3-fosfato. Los ácidos grasos se oxidan por β-oxidación en la matriz mitocondrial, después de ser activados con CoA y transportados por carnitina.

Beta-Oxidación: Degradación de Ácidos Grasos

Cada vuelta de la β-oxidación del acil-CoA produce 1 FADH₂, 1 NADH y 1 Acetil-CoA. El Acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs. La activación del ácido graso requiere 2 ATP. Por ejemplo, la β-oxidación de un ácido graso de 14 carbonos genera 6 NADH, 6 FADH₂, 7 Acetil-CoA, lo que suma un total de 114 ATP, y al restar los 2 ATP gastados, el resultado neto es 112 ATP.

Catabolismo de Proteínas: Último Recurso Energético

Las proteínas solo se usan como fuente de energía en condiciones extremas. Primero se hidrolizan en aminoácidos. Luego, estos pasan por dos fases: eliminación del grupo amino y oxidación de la cadena carbonada.

Eliminación del Grupo Amino

Se realiza por transaminación, en la que el grupo amino se transfiere al α-cetoglutarato formando glutamato. El glutamato luego se desamina oxidativamente, liberando el grupo amino en forma de amoníaco. Según el tipo de animal, este se elimina directamente (amoniotélicos), se transforma en urea (ureotélicos) o en ácido úrico (uricotélicos).

Oxidación de la Cadena Carbonada

La cadena sin el grupo amino se convierte en un cetoácido. Si es un aminoácido glucogénico, se transforma en piruvato o en un intermediario del ciclo de Krebs. Si es cetogénico, se convierte en Acetil-CoA, que puede entrar al ciclo de Krebs o usarse para la síntesis de lípidos.

Introducción al Anabolismo: Síntesis de Moléculas

El anabolismo comprende el conjunto de procesos metabólicos en los que las células construyen moléculas complejas a partir de otras más simples, consumiendo energía en el proceso. Esta energía proviene de la hidrólisis del ATP y de la oxidación de coenzimas como el NADPH, NADH o FADH₂. Según la fuente de carbono (C) y de energía que utilizan, los organismos pueden clasificarse como autótrofos o heterótrofos y como fotótrofos o quimiótrofos. De la combinación de estas clasificaciones surgen tipos como los fotoautótrofos (plantas), quimioautótrofos (bacterias), fotoheterótrofos (bacterias púrpuras) y quimioheterótrofos (animales, hongos, protozoos).

Anabolismo: Procesos de Síntesis y Construcción

Las reacciones anabólicas son reductoras y requieren energía para la síntesis de moléculas necesarias para la vida. En los organismos autótrofos, estas reacciones permiten formar materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas (fotosíntesis y quimiosíntesis). Tanto autótrofos como heterótrofos pueden realizar anabolismo construyendo compuestos orgánicos complejos a partir de otros más simples.

Fotosíntesis: La Conversión de Energía Solar

La fotosíntesis es el proceso mediante el cual los organismos fotosintéticos convierten la energía solar en energía química en forma de ATP y NADPH, los cuales se utilizan después para la síntesis de glúcidos y otros compuestos orgánicos. Es esencial para la vida, ya que inicia las cadenas tróficas y libera oxígeno en la fotosíntesis oxigénica.

Tipos de Fotosíntesis

• Oxigénica: Libera oxígeno. Propia de plantas y cianobacterias.
• Anoxigénica: No libera oxígeno. Propia de bacterias fotosintéticas.

Fase Lumínica de la Fotosíntesis: Captura de Energía

Se lleva a cabo en los tilacoides de los cloroplastos. Los pigmentos (clorofilas, carotenoides, etc.) captan la energía solar y la transmiten a un centro de reacción (P680 en el fotosistema II y P700 en el I). Esa energía excita electrones que son transferidos por una cadena de transporte electrónico.

• Fotofosforilación no cíclica (fase abierta): Los electrones llegan al NADP⁺, formando NADPH y liberando O₂ por la fotólisis del agua.
• Fotofosforilación cíclica (fase cerrada): El electrón retorna al mismo fotosistema, solo se genera ATP, sin NADPH ni liberación de oxígeno.

Durante el transporte de electrones, la energía sirve para bombear protones al interior del tilacoide, generando un gradiente que impulsa la síntesis de ATP mediante la ATP sintasa.

Fotosíntesis Bacteriana: Variantes Anoxigénicas

Las bacterias fotosintéticas tienen un solo fotosistema y no realizan fotólisis del agua, por lo que no liberan oxígeno. Usan bacterioclorofilas y carotenoides en su membrana plasmática para captar luz. Generan ATP por fotofosforilación cíclica y el NADPH se obtiene por otras rutas.

Fase Oscura o Ciclo de Calvin: Fijación del Carbono

Se produce en el estroma del cloroplasto e implica la fijación del CO₂. Consta de tres fases:

1. Fijación del CO₂: El CO₂ se une a ribulosa 1,5-difosfato, catalizado por la enzima RUBISCO.
2. Reducción: El 3-fosfoglicerato resultante se convierte en gliceraldehído-3-fosfato (G3P) usando ATP y NADPH.
3. Regeneración: Parte del G3P se usa para regenerar la ribulosa 1,5-difosfato, cerrando el ciclo.

Se necesitan 18 ATP y 12 NADPH para formar una molécula de glucosa. Parte del ATP extra se genera gracias a la fase luminosa cíclica.

Quimiosíntesis: Energía de Compuestos Inorgánicos

Realizada por bacterias quimioautótrofas, que fijan CO₂ usando el ciclo de Calvin pero obtienen energía no de la luz, sino de la oxidación de compuestos inorgánicos. No poseen pigmentos fotosintéticos. Según el sustrato que oxidan, se clasifican en:

• Nitrificantes: Oxidan amoníaco (Nitrosomonas) o nitritos (Nitrobacter).
• Sulfooxidantes: Oxidan H₂S o azufre elemental.
• Ferrooxidantes: Oxidan hierro ferroso.
• Oxidantes de hidrógeno: Oxidan H₂.
• Metanotróficas: Oxidan metano.

Gluconeogénesis: Síntesis de Glucosa a Partir de Precursores No Glucídicos

Es el proceso inverso a la glucólisis mediante el cual se forma glucosa a partir de piruvato, lactato, aminoácidos o ácidos grasos. Se requiere una inversión energética de 6 ATP por cada glucosa sintetizada. El proceso se da en la mitocondria y el citoplasma. El piruvato inicial puede proceder del ciclo de Krebs u otras fuentes metabólicas.

Biosíntesis de Lípidos: Ácidos Grasos

Ocurre en el citoplasma mediante el complejo enzimático ácido graso sintetasa, que utiliza acetil-CoA como precursor. El acetil-CoA se transforma en malonil-CoA (3C), que luego se condensa con otro acetil-CoA para formar ácidos grasos por medio de condensación, reducción y deshidratación. El ácido graso se alarga en unidades de 2 carbonos.

Biosíntesis de Triglicéridos: Almacenamiento Energético

Los triglicéridos se forman por esterificación de tres ácidos grasos con una molécula de glicerol. Los ácidos grasos primero deben activarse con CoA, y el glicerol con un grupo fosfato. La síntesis ocurre en el citoplasma, principalmente en el hígado y en el tejido adiposo, donde se almacenan como reserva energética.

Biosíntesis de Compuestos Nitrogenados: Aminoácidos

Tiene lugar en el citoplasma y consta de dos etapas:

1. Síntesis del esqueleto carbonado, a partir de intermediarios como piruvato, oxalacetato o α-cetoglutarato.
2. Incorporación del grupo amino, que se obtiene por la reducción de nitratos a amoníaco en plantas, o por transaminaciones en animales a partir de aminoácidos obtenidos de la dieta.