20 ANEXO Fundamentos BiolÃgicos

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ANEXO: Fundamentos Biológicos I 
ANEXO: 
Fundamentos Biológicos 
 
Se desarrollará en este apartado unas nociones de biológica molecular básica 
necesarias para la comprensión del funcionamiento de las construcciones que se 
detallarán más adelante. 
Comenzaré por incluir unas definiciones de los entes partícipes y las relaciones que se 
crean entre ellos. Tras esto, haremos un estudio de las cinéticas de las reacciones 
intervinientes. 
 
Este anexo pretende servir de base para aquellos cuyas nociones de la biología 
molecular no son suficientes, y están extraídos del libro Biología, de Curtis [12]. 
 
II ANEXO: Fundamentos Biológicos 
 
ANEXO: Fundamentos Biológicos III 
Contenido del Anexo: 
 
1. Definiciones de Entes Biológicos ............................................................................... V 
2. La expresión genética ............................................................................................. VIII 
Dogma Central de la Biología Molecular ................................................................ VIII 
3. La regulación de la expresión genética ..................................................................... X 
Operón ....................................................................................................................... X 
Fago Lambda.............................................................................................................. X 
4. Otras reacciones biológicas ...................................................................................... XI 
Proteólisis ................................................................................................................. XI 
ARN Antisentido ....................................................................................................... XI 
5. Cinéticas Enzimáticas ............................................................................................. XIII 
Michaelis-Menten .................................................................................................. XIII 
Inhibición enzimática ............................................................................................... XV 
Cinéticas no Michaelianas ..................................................................................... XVII 
 
 
IV ANEXO: Fundamentos Biológicos 
 
ANEXO: Fundamentos Biológicos V 
1. Definiciones de Entes Biológicos 
 
Proteína 
Compuesto orgánico complejo constituido por una o más 
cadenas polipeptídicas, cada una formada por muchos (100 o 
más) aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. 
Enzima 
Molécula de proteína globular que acelera una reacción química específica. Son 
proteínas con la capacidad de manipular a otras moléculas. 
Proteasa 
Son enzimas que pueden romper los enlaces de las cadenas de polipéptidos. Sirven para 
controlar el nivel de proteínas no deseadas. El proceso por el que estas enzimas 
realizan la digestión de las proteínas, se conoce como Proteolisis. 
ADN (Ácido Desoxirribonucleico) 
El portador de la información genética en las células, 
compuesto por dos cadenas complementarias de nucleótidos 
enrolladas en una doble hélice, capaz de autorreplicarse y de 
dirigir la síntesis de RNA. 
ARN (Ácido Ribonucleico) 
Clase de ácidos nucleicos caracterizada por la presencia del 
azúcar ribosa y la pirimidina uracilo; incluye ARNm, ARNt y 
ARNr. El ARN es el material genético de muchos virus. 
ARN Mensajero (ARNm) 
Un tipo de moléculas de ARN, cada una de las cuales es complementaria de una hebra 
de ARN. Lleva la información genética del cromosoma a los ribosomas, donde se 
traduce a proteína. 
ARN de Transferencia (ARNt) 
Clase de ARN pequeños con dos sitios funcionales; uno reconoce un aminoácido 
específico activado; el otro lleva el triplete de nucleótidos (anticodón) para ese 
aminoácido. Cada tipo de ARNt acepta un aminoácido activado específico y lo 
transfiere a una cadena polipeptídica naciente, según lo especifica la secuencia de 
nucleótidos del ARNm que está siendo traducido. 
VI ANEXO: Fundamentos Biológicos 
ARN Ribosómico (ARNr) 
Tipo de molécula de ARN que se encuentra junto con proteínas características en los 
ribosomas; se transcribe a partir del ADN de los bucles de cromatina que forman el 
nucléolo. 
ARN Antisentido (ARNas) 
Un ARNm antisentido es complementario a un ARNm endógeno. Su función es la de 
bloquear la expresión de un gen, ya que se adhiere al ARNm y no permite que este 
pueda ser traducido. 
Ribosoma 
Organela pequeña compuesta por proteína y ácido ribonucleico; sitio de traducción en 
la síntesis de proteínas; en las células eucarióticas, unido frecuentemente al retículo 
endoplásmico. 
Gen 
Molécula de DNA que desempeña una función específica, tal como codificar una 
molécula de RNA o un polipéptido. 
Cromosoma 
La estructura que lleva los genes. Los 
cromosomas eucarióticos son 
filamentos o bastones de cromatina 
que aparecen contraídos durante la 
mitosis y la meiosis y que en otros momentos están contenidos 
en un núcleo. Los cromosomas procarióticos consisten en un 
círculo de ADN con el que se asocian varias proteínas. 
 
Operón 
Unidad de expresión y regulación de genes bacterianos. En el cromosoma bacteriano, 
un segmento de ADN que consiste en un promotor, un operador y un grupo de genes 
estructurales adyacentes que codifican para proteínas involucradas en una vía 
metabólica. Los genes estructurales se transcriben en una sola molécula de ARNm y su 
transcripción es regulada por una proteína represora. 
 
ANEXO: Fundamentos Biológicos VII 
Promotor 
Segmento específico de ADN al cual se une la ARN polimerasa para iniciar la 
transcripción del ARNm desde un operón. 
Represor 
En genética, una proteína que se une al operador impidiendo que la ARN polimerasa se 
una al promotor y transcriba los genes estructurales del operón; lo codifica un gen 
conocido como regulador. 
Plásmido 
En los procariotas, una molécula de ADN circular, pequeña, 
extracromosómica, de replicación independiente. 
Procariota 
Célula que carece de núcleo y orgánelas limitadas por 
membrana. 
Bacteria Escherichia Coli (E. Coli) 
Organismo procariota, sin núcleo celular definido, 
perteneciente al género de las enterobacterias. Fue descrita 
por primera vez en 1885 por Theodore von Escherich, y es 
probablemente el organismo más estudiado. 
 
 
VIII ANEXO: Fundamentos Biológicos 
2. La expresión genética 
La expresión genética y su regulación es la idea en la que se basa nuestro dispositivo y 
por tanto será preciso definirla y profundizar en los agentes que intervienen además 
de los mecanismos que nos hará posible controlarla y modificarla. 
Dogma Central de la Biología Molecular 
 
Se describe mediante un proceso de dos etapas, 
transcripción y traducción. De esta manera es como se 
transforma el código genético en la proteína que 
recoge. 
 
La información que almacena una cadena de ADN se 
divide en genes. Un gen codificador de proteínas 
consiste en un promotor (secuencia de pares de bases 
que especifica donde debe comenzar la transcripción), seguido de la secuencia de 
codificación de la proteína (secuencia codificante de la proteína) y de un terminador 
(secuencia que especifica el final de la transcripción). 
 
Fig. Esquema de la estructura de un gen 
 
La Transcripción es la síntesis de una copia de ARN a partir de un segmento de ADN. El 
ARN se sintetiza mediante la enzima ARN polimerasa. Cuando la enzima encuentra un 
promotor, recorre la cadena del gen, a medida que crea una cola tras de si con el 
código ya transcrito. A la molécula de ARN que se crea tras esta etapa se llama ARN 
mensajero (ARNm). Finalmente, la molécula formada se separa del ADN al encontrarse 
un una secuencia terminadora 
La Traducción es la síntesis de la cadena de polipéptidos (proteína) especificado en el 
ARNm. Cuando el ARN mensajero encuentra un ribosoma, éste lo recorre y sitúa los 
polipéptidos necesarios de acuerdoa la secuencia que lee. Finalmente, se separan el 
ARNm y el ribosoma tras crearse la proteína correspondiente. 
ANEXO: Fundamentos Biológicos IX 
Hay que destacar que, aunque cada molécula nombrada tiene una vida, tras la 
traducción, la molécula de ARNm está de nuevo disponible para realizar una nueva 
copia si, eventualmente, se encontrase con un ribosoma. Al igual ocurre con el 
ribosoma. 
 
X ANEXO: Fundamentos Biológicos 
3. La regulación de la expresión genética 
Los mecanismos naturales de los que hacemos uso para poder controlar la expresión 
de proteínas se basan en la represión o inhibición, e inducción. 
La represión genética es el mecanismo por el que se inhibe la transcripción de un 
promotor y de su secuencia génica. Esto ocurre de varias maneras en la naturaleza, sin 
embargo, en nuestro caso, la forma de conseguir tal objetivo es obstaculizando 
físicamente la unión primera entre el promotor y la enzima transcriptora. 
La inducción por tanto, se refiere al mecanismo contrario. Un agente, normalmente 
una enzima, elimina la barrera posible entre el promotor y la ARN polimerasa. 
Mientras la represión inhibe la transcripción, es la inducción a través de un inductor, la 
que la reactiva. 
El tipo de regulación natural que dará lugar a nuestro esquema es el de Operón. 
Operón 
Los genes estructurales del operón codifican un grupo de proteínas funcionalmente 
relacionadas. La transcripción es controlada por secuencias en el promotor y en el 
operador, adyacentes a los genes estructurales y capaces de unir proteínas específicas. 
El promotor contiene una posición de unión para la ARN polimerasa. El operador es el 
sitio de unión para un represor, proteína codificada por otro gen, el regulador. Cuando 
el represor se une a la molécula de ADN en el sitio operador, la ARN polimerasa no 
puede iniciar la transcripción del ARNm. Cuando el represor no está presente, la ARN 
polimerasa puede unirse y comenzar su movimiento a lo largo del cromosoma, 
permitiendo que ocurra la transcripción y la síntesis de proteínas. 
El Operón Lac Será el operón específico con el que trabajamos. Fue el primer operón 
en ser estudiado y comprendido. En la bacteria Escherichia Coli es requerido para el 
transporte y metabolismo de la lactosa. 
Fago Lambda 
Los fagos son virus que afectan únicamente a las bacterias. En nuestro caso, usamos un 
mecanismo del fago lambda, ya que éste virus afecta la bacteria Escherichia Coli, y 
produce una proteína represora llamada cI. Se conoce como proteína lambda dado su 
origen. el represor actúa como inhibidor de la transcripción insertándose en un sitio 
específico del genoma. 
 
ANEXO: Fundamentos Biológicos XI 
4. Otras reacciones biológicas 
Durante el desarrollo del documento, aparecen otros procesos biológicos que no 
pertenecen propiamente a la regulación genética. Estas son las siguientes. 
Proteólisis 
Los procesos por proteólisis contemplan las degradaciones de proteínas mediante 
enzimas específicas llamadas proteasas. La digestión intracelular, se produce cuando 
una proteasa se encuentra con la proteína. 
ARN Antisentido 
Una hebra complementaria de un ARNm permite la inhibición de la molécula de ARNm 
a la que es análoga. El ARN antisentido se “aparea” con su ARNm complementario 
formando una molécula de doble hebra que puede no traducirse y termina 
degradándose enzimáticamente. 
Para comprender mejor el efecto de un ARN antisentido, incluyo una breve 
explicación: 
 
El ADN está compuesto de una serie de módulos, llamadas bases. Hay 4 tipos de bases 
nitrogenadas: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T), que se colocarán una 
tras otras en una determinada disposición. Una cadena de ADN se asocia con otra 
cadena de ADN complementaria formando uniones entre parejas de bases. Las 
uniones posibles son: Citosina-Guanina y Adenina-Timina y viceversa, Guanina-Citosina 
y Timina-Adenina. De esta manera se forman las cadenas de doble hélice (una por cada 
cadena de ADN) de pares de bases (uniones C↔G, A↔T). 
 
Cuando ocurre la transcripción, la doble hélice se “abre” habilitando la lectura de una 
de las cadenas de ADN. A medida que la ARN polimerasa comienza a leer la cadena, va 
creando una cola con la misma cadena transcrita. Al terminar, el segmento formado se 
llama ARN mensajero. La terminología usada (transcripción, ARN mensajero) hace 
referencia lo siguiente. Una cadena de ARN no tiene las mismas bases o nucleótidos 
que el ADN, sino que usa en vez de la Timina (T) el Uracilo (U). Cuando la ARNp crea su 
cola, las ribonucleótidos son los complementarios uno a uno, es decir, C↔G, A↔U 
 
XII ANEXO: Fundamentos Biológicos 
 
 Si una cadena de ADN fuese algo así 
La cadena de ARN mensajero será 
 
Entendido esto, un ARN antisentido es 
precisamente el complementario de la 
cadena de ARN. Fíjese que es igual que la cadena de ADN primera excepto porque 
aparece el U de uracilo en vez de la T de timina. 
Así, se consigue que la cadena de ARN mensajera no pueda ser leída ni traducida. 
A-C-G-T-C-A-A-C-C-T-T 
U-G-C-A-G-U-U-G-G-A-A 
U-G-C-A-G-U-U-G-G-A-A 
A-C-G-U-C-A-A-C-C-U-U 
ANEXO: Fundamentos Biológicos XIII 
5. Cinéticas Enzimáticas 
Michaelis-Menten 
Estas cinéticas fueron estudiadas por Leonor Michaelis y Maude Menten, que crearon 
modelos que ajustaban la velocidad de acción de estos procesos. 
Lejos de querer hacer un estudio de la cinética enzimática, expondré brevemente el 
mecanismo que reproducen las reacciones inherentes en nuestro sistema. 
Las enzimas catalizan las reacciones para las que se existen específicamente. Para que 
pueda operar necesita de un sustrato, con el que se una, para generar productos. Una 
vez se completa, la enzima queda liberada para servir de catalizador a otros sustratos. 
Haciendo un símil con un proceso ingenieril, las enzimas actúan como agentes 
nucleantes al igual que lo hacen las impurezas o paredes del recipiente durante la 
solidificación de materiales fundidos. Ofrecen un sitio donde la energía necesaria para 
continuar esa etapa es menor. 
La cinética de Michaelis-Menten proporciona el siguiente planteamiento. 
𝐸 + 𝑆
𝑘1
⇌
𝑘−1
𝐸𝑆
𝑘2
→
 
𝐸 + 𝑃 
Esta ecuación no contempla la reversión del paso del complejo a producto. Esta 
suposición no es crítica y simplifica mucho la formulación del producto: 
𝑑[𝐸𝑆]
𝑑𝑡
= 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐸𝑆 − 𝑟𝑜𝑡𝑢𝑟𝑎 − 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 
𝑑[𝐸𝑆]
𝑑𝑡
= (𝑘1 · ([𝐸𝑡] − [𝐸𝑆]) · [𝑆]) − 𝑘−1[𝐸𝑆] − 𝑘2[𝐸𝑆] 
Asumiendo régimen permanente, 
𝑑[𝐸𝑆]
𝑑𝑡
= 0 → 𝑘1 · ([𝐸𝑡] − [𝐸𝑆]) · [𝑆] = 𝑘−1[𝐸𝑆] + 𝑘2[𝐸𝑆] 
[𝐸𝑆] =
𝑘1[𝐸𝑡][𝑆]
𝑘1[𝑆] + 𝑘−1 + 𝑘2
 [𝐸𝑆] =
[𝐸𝑡][𝑆]
[𝑆] + 𝐾𝑚
 
 
 
 
XIV ANEXO: Fundamentos Biológicos 
Así podemos calcular la producción de producto como: 
𝑣 =
𝑉𝑚𝑎𝑥[𝑆]
𝐾𝑚 + [𝑆] 𝐾𝑚 =
𝑘2 + 𝑘−1
𝑘1
 
 
 
Ecuación de Michaelis-Menten, una ecuación de velocidad para reacciones enzimáticas 
de sustrato único. La constante de Michaelis Km se define como la concentración a la 
que la velocidad de reacción es la mitad de la Vmax. 
𝐾𝑚
= 𝑇𝑖𝑒𝑛𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜. 𝑆𝑒 𝑒𝑣𝑎𝑙ú𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑚𝑖𝑡𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑉𝑚𝑎𝑥 
𝑉𝑚𝑎𝑥
= 𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 �
𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
� .𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 
 
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
[S]
V
Cinética de Michaelis-Menten
 
 
Km
Vmax
V
Vmax/2
ANEXO: Fundamentos Biológicos XV 
Inhibición enzimática 
Explicado anteriormente en los apartados de Regulación génica y Operón, es el 
mecanismo por el que controlamos la expresión génica o más concretamente la acción 
enzimática, se produce ha través de la inhibición. 
Los inhibidores pueden clasificarse en 2 grupos funcionales: 
- Irreversibles 
- Reversibles: competitivos y no competitivos 
Atendiendo a las características de la regulacióngénica del operón Lac, nuestro 
estudio debe situarse dentro de los reversibles y competitivos ya que el inhibidor se 
une con la enzima. Esto tiene un significado en las cinéticas de Michaelis-Menten vistas 
anteriormente. 
Comencemos estudiando las reacciones que se producen: 
 
 
En la imagen se aprecia como la unión entre enzima e inhibidor no 
permite al sustrato adherirse, cortando así la transformación del 
sustrato en producto. 
Esto provoca una variación en la constante llamada de Michaelis Km. 
𝑣 =
𝑉𝑚𝑎𝑥[𝑆]
[𝑆] + 𝐾𝑚 �1 + [𝐼]
𝐾𝑖
�
 
Vemos como el término que lleva ahora adosada la constante 𝐾𝑚 es la unidad en el 
caso de que no haya inhibidor, y como su presencia provoca un aumento aparente del 
valor de la contante de Michaelis. 
XVI ANEXO: Fundamentos Biológicos 
 
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
[S]
V
Cinética de Michaelis-Menten con Inhibición
Vmax
Michaelis-Menten con Inhibición
Michaelis-Menten sin Inhibición
ANEXO: Fundamentos Biológicos XVII 
Cinéticas no Michaelianas 
Se le da este nombre a un tipo de reacciones enzimáticas que dan lugar a unas curvas 
con trazado sigmoideo, provocado por el concepto de cooperatividad y alosterismo. 
Los primeros estudios que se realizaron de las proteínas cooperativas los realizo Hill en 
1910. La idea que subyace tras la cooperatividad es la unión de varias enzimas para 
realizar la inhibición e implica una ralentización del proceso. 
De nuevo sucede lo mismo que en el apartado anterior, se modifica la constante de 
Michaelis. Sin embargo, Hill plantea un nuevo modelo muy parecido al de las cinéticas 
enzimáticas comunes. 
La reacción de unión: 
𝐸 + 𝑆1 → 𝐶1 + 𝑆2 → ⋯ → 𝐸 + 𝑃 
𝐸 + 𝑛𝑆 → 𝐸𝑆𝑛 → 𝐸 + 𝑃 
Sea la reacción de cooperatividad, donde la cinética por ella expresada es: 
𝑣 =
𝑉𝑚𝑎𝑥[𝑆]𝑛
𝐾𝐻 + [𝑆]𝑛 
El trazado de esta curva es la siguiente: 
 
 
En la imagen se puede observar la variación respecto a la cinética de Michaelis-
Menten. Además podemos identificar dos estados diferentes: 
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
[S]
V
Cinética enzimática cooperativa
Michaelis-Menten
Cooperatividad Negativa
Cooperatividad Positiva
XVIII ANEXO: Fundamentos Biológicos 
Cooperatividad positiva: la unión al sustrato es más fácil medida que se acerca la 
enzima a la saturación. La evolución de este comportamiento es sigmoidal 
Cooperatividad negativa: la unión al sustrato es más difícil a medida que la enzima 
satura. La evolución es hiperbólica. 
	ANEXO: Fundamentos Biológicos
	1. Definiciones de Entes Biológicos
	2. La expresión genética
	Dogma Central de la Biología Molecular
	3. La regulación de la expresión genética
	Operón
	Fago Lambda
	4. Otras reacciones biológicas
	Proteólisis
	ARN Antisentido
	5. Cinéticas Enzimáticas
	Michaelis-Menten
	Inhibición enzimática
	Cinéticas no Michaelianas