Blog de biomedicina

4.5.2. Reproducción celular II

noreply@blogger.com (David Funes) — Sun, 25 Sep 2016 14:36:00 +0000

El ciclo celular es un conjunto de sucesos ordenados que involucran el crecimiento y la división celular para producir dos células hijas nuevas.

Las células en su camino hacia la división celular atraviesan una serie de etapas de crecimiento, replicación del DNA y división, cuidadosamente reguladas y sincronizadas con precisión con el fin de producir dos células idénticas.

Dos fases principales componen el ciclo celular: la interfase y la fase mitótica. Durante la primera, la célula crece y se replica el DNA. Mientras, en la fase mitótica, el DNA replicado y el contenido citoplasmático se separan y la célula se divide.

Interfase

La interfase es el período más largo del ciclo celular, transcurre entre dos mitosis y en ella se distinguen las siguientes fases:

▣ G1: la célula crece hasta alcanzar su tamaño crítico. Se sintetizan RNA y proteínas y se duplica el centrosoma. Si las condiciones son adecuadas, la célula sobrepasa el denominado punto de restricción (punto de control de la fase G1) y continúa a la siguiente fase.
Las células diferenciadas que no se dividen (p. ej., neuronas o células del músculo cardíaco) abandonan el ciclo celular en esta etapa y comienzan la fase G0^[1].

▣ S: se replica el DNA. De este modo, las dos células hijas heredarán el mismo genoma de la célula madre.

▣ G2: fase de reparación del DNA y preparación para la mitosis. La célula duplica su tamaño respecto a G1.

Fase mitótica

La fase mitótica es un proceso de múltiples pasos durante el cual los cromosomas duplicados se alinean, se separan y se trasladan a las dos nuevas células hijas generadas.
La primera parte de la fase mitótica se denomina cariocinesis, mitosis o división del núcleo y la segunda parte citocinesis, que consiste en la separación física de los componentes citoplasmáticos en las dos células hijas.

En la mitosis se produce el reparto equitativo del material genético, que consta, a su vez, de las siguientes etapas:

▣ Profase: la cromatina se condensa, se forma el huso mitótico^[2] y el nucleolo desaparece.

▣ Prometafase: se origina la desintegración de la envoltura nuclear. Los cromosomas se unen a los microtúbulos gracias a los cinetocoros^[3].

▣ Metafase: los cromosomas se alinean aleatoriamente en un plano denominado placa metafásica, o plano ecuatorial, a mitad de camino entre los dos polos de la célula.

▣ Anafase: se produce el acortamiento de los microtúbulos del huso que da lugar a la separación de las cromátidas hermanas.

▣ Telofase: los cromosomas se descondensan y se organiza la envoltura nuclear. Se forma el nucleolo y desaparece el huso mitótico.

En la etapa final de la fase mitótica, la citocinesis, se forma un anillo contráctil de filamentos de actina que divide el citoplasma entre las dos células hijas.

Control del ciclo celular

La duración del ciclo celular es altamente variable, incluso en las células de un mismo organismo. En los humanos varía desde unas pocas horas de las células embrionarias a una media de 2 a 5 días para las células epiteliales o el período de una vida humana completa para las células especializadas, como las células musculares cardíacas o las neuronas corticales.

También existe variación en el tiempo en el que una célula transcurre en cada fase del ciclo. Así, por ejemplo, las células humanas con un ciclo de 24 horas, pasan aproximadamente nueve horas en la fase G1, diez horas en la fase S, alrededor de cuatro horas y media en la fase G2 y aproximadamente treinta minutos en la fase M.

La regulación del tiempo en cada uno de los pasos del ciclo celular es controlada por mecanismos tanto internos como externos a la célula.

Regulación a través de eventos externos

Tanto el comienzo como la finalización del ciclo celular son activados por eventos externos a la célula cuando está a punto de comenzar el proceso de replicación.
Por ejemplo, sucesos como la muerte de una célula cercana, la liberación de hormonas promotoras del crecimiento o que la célula alcance un determinado tamaño pueden iniciar la división celular.
Independientemente del tipo de mensaje recibido, la célula recibe la señal y una serie de acontecimientos en su interior la dirigen hacia la interfase.
Partiendo de este punto inicial, debe satisfacerse cada parámetro requerido en cada fase para que el ciclo celular pueda seguir adelante.

Regulación a través de puntos de control internos

Los puntos de control del ciclo celular van a evitar que las células con errores en la duplicación o en la distribución de los cromosomas y que, por lo tanto, produzcan mutaciones, puedan continuar progresando hasta que sean solventados.

Se distinguen tres puntos de control:

▣ Punto de control G1: también denominado punto de restricción en mamíferos. Actúa cerca del final de la fase G1 y determina si se dan todos los requisitos necesarios para proceder a la división celular.
Si no se cumplen, la célula puede parar el ciclo hasta que las condiciones adversas se solucionen o puede pasar a la fase G0 y esperar señales que indiquen que las condiciones han mejorado.

▣ Punto de control G2: realiza su acción durante la transición de las etapas G2/M. Su misión más importante es asegurar que todos los cromosomas han sido replicados y esa replicación se ha producido sin daños en el DNA. Si se detectasen daños, el ciclo se para, y la célula intenta completar la replicación del DNA o repara el que está dañado.

▣ Punto de control M: también conocido como punto de control del ensamblaje del huso. Tiene lugar cerca del final de la etapa de la cariocinesis.
Determina si las cromátidas hermanas están correcta y firmemente unidas a los microtúbulos mediante los cinetocoros.

El sistema de control del ciclo celular podría asemejarse al sistema programador de una lavadora, donde la lavadora solamente prosigue con el lavado si las señales que recibe de sus sensores (puerta cerrada, niveles de agua y detergente, suministro eléctrico) son las adecuadas para continuar durante las distintas etapas del ciclo de lavado.

Moléculas reguladoras del ciclo

Además de los puntos de control, existen unas moléculas intracelulares que regulan el ciclo celular y que pueden actuar de manera individual o influyen en la actividad o en la producción de otras proteínas reguladoras.

Se distinguen dos grupos:

▣ Aquellas moléculas que promueven el progreso de la célula a la siguiente fase (regulación positiva). A su vez, se clasifican en dos tipos de proteínas: ciclinas^[4] y quinasas dependientes de ciclinas (CDKs)^[5].

▣ El segundo grupo de moléculas reguladoras son los reguladores negativos que se encargan de parar el ciclo celular. Las mejores conocidas de todas ellas son las proteínas del retinoblastoma (Rb), p53 y p21.
La proteína del retinoblastoma es una proteína supresora de tumores que se encuentra alterada en muchos tipos de cáncer (próstata, mama), pero es del cáncer de retina de donde toma su nombre.
La proteína p21 inhibe el ciclo celular, estando sus niveles controlados, a su vez, por la proteína p53 que regula el crecimiento celular y controla los daños en el DNA, parando el ciclo en su caso, pudiendo inducir apoptosis.

[1] Fase de quiescencia (inactividad) permanente o temporal en la que se detiene el ciclo celular.
[2] Conjunto de microtúbulos cuya función es posibilitar la migración y correcta separación de los cromosomas durante la mitosis.
[3] Estructuras proteicas cuya función es iniciar, controlar y supervisar los movimientos de los cromosomas durante la división celular.
[4] Proteínas sintetizadas en la interfase y destruidas al final de la mitosis en cada ciclo. Regulan la actividad enzimática de las CDKs.
[5] Enzimas que activan o inactivan otras proteínas fosforilándolas (añadiéndoles grupos fosfatos).

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
  http://www.biocancer.com/journal/1219/41-regulacion-positiva-del-ciclo-celular
  http://www.pucmmsti.edu.do/websise/estudiante/materias/201120122/ST-BIO-112-T-003/04.%20Regulacion%20del%20ciclo%
20celular%20Apoptosis%20Cancer%20%20.pdf
  http://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch02/interphase.html
  http://www.slideshare.net/obessionforu/cell-cycle-and-molecular-basis-of-cancer
  http://biologicalexceptions.blogspot.com.es/2013_01_01_archive.html
  http://gleesonbiology.pbworks.com/w/page/7537859/C9
  http://www.bioscirep.org/content/30/4/243

4.5.1. Reproducción celular I

noreply@blogger.com (David Funes) — Sat, 03 Sep 2016 15:20:00 +0000

El ser humano, como cualquier otro organismo que se reproduce sexualmente, comienza la vida a partir de un cigoto u óvulo fertilizado.
Posteriormente, ocurren miles de millones de divisiones celulares de una manera controlada para dar lugar a un ser humano multicelular complejo, o lo que es lo mismo, una única célula es el ancestro común del resto de células del organismo.
Aún cuando un ser vivo se ha desarrollado por completo, la división celular sigue siendo necesaria para el crecimiento, mantenimiento y reparación de sus células y tejidos. Esta división se encuentra estrictamente regulada para evitar consecuencias que pudieran ser fatales para la vida de ese organismo.

División celular

La reproducción celular por medio del ciclo celular constituye el fundamento que permite la continuidad de la vida de una célula a otra. Este ciclo, que se halla fuertemente regulado, describe las etapas de la vida de una célula desde la división de una sola célula madre hasta la producción de dos células hijas nuevas.

Antes de continuar con el proceso de reproducción celular, es necesario conocer ciertos conceptos acerca de la estructura y función de la información genética de una célula.
El número de cromosomas^[1] de las células eucariotas varía dependiendo de la especie. En el caso del ser humano, sus células corporales (células somáticas) tienen 46 cromosomas, mientras que las células sexuales o gametos (óvulos y espermatozoides) tienen 23 cada uno.
Las células somáticas contienen dos series de cromosomas (2n^[2]) en una configuración conocida como diploide.
Los gametos que poseen un único conjunto de cromosomas se designan 1n y se conocen como células haploides.

Los genes (unidades funcionales de los cromosomas) determinan unas características concretas al codificar ciertas proteínas específicas, siendo los rasgos las variaciones de dichas características. Por ejemplo, el color de los ojos es una característica con unos rasgos que pueden ser marrones, azules o verdes.
Estos rasgos en un individuo van a estar establecidos por los genes heredados de cada padre.

Si se desplegase el DNA de los 46 cromosomas de una célula humana de extremo a extremo, mediría en torno a los dos metros con un diámetro de 2 nm. Considerando que una célula típica tiene un tamaño de 10 μm, el DNA debe compactarse fuertemente para caber en el núcleo celular y debe ser rápidamente accesible para que los genes sean expresados.

Durante varias fases del ciclo celular, las largas cadenas de DNA se hallan altamente condensadas en cromosomas. Existen diversos mecanismos por los que los cromosomas son compactados, interviniendo en todos ellos varias clases de proteínas que ayudan a la organización y empaquetamiento del DNA cromosómico.

En el primer nivel de compactación del DNA, éste se encuentra fuertemente empaquetado en torno a un núcleo de ocho proteínas estructurales (histonas) a intervalos regulares a lo largo del cromosoma, formando la denominada cromatina.
La unidad fundamental de organización de la cromatina en las células eucariotas es el nucleosoma, formado por un fragmento de DNA de unos 200 pb (pares de bases) y un octámero (grupo de ocho) de histonas. Esta estructura compacta siete veces la molécula de DNA y su aspecto al microscopio electrónico es el de un ‘collar de cuentas’ con un espesor de 10 nm.

En el segundo nivel de compactación, fibras de nucleosomas de 10 nm y el DNA espaciador^[3] se enrollan en fibras de 30 nm (compactación de 50 veces respecto a la molécula de DNA).

En el tercer nivel, se emplean proteínas fibrosas para compactar la cromatina dando lugar a bucles de 250-400 nm de longitud. Estas proteínas aseguran que cada cromosoma en la fase de no división celular ocupe una zona determinada del núcleo sin que se solapen con los otros.

Los niveles superiores de organización se encuentran en las cromátidas (700 nm - 1 μm de espesor), que al unirse dos de ellas, a través de una región denominada centrómero, forman los cromosomas metafásicos^[4].

[1] Estructuras altamente organizadas formadas por DNA y proteínas, que contienen la mayor parte de la información genética de un individuo.
[2] n indica el número de series de cromosomas..
[3] Regiones de DNA que no se transcriben y se localizan entre genes que sí lo hacen.
[4] Metafase: segunda fase de la mitosis (división celular) en la que desaparece la membrana nuclear y los cromosomas se sitúan en el plano ecuatorial de la célula.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
  https://www.quora.com/What-are-the-differences-between-chromosomes-chromatids-and-chromatin
  https://burningscience.wordpress.com/biology/dna-structure-and-replication/
http://27.109.7.67:1111/econtent/cell-communication/principles-part-3.php
  https://www.quora.com/What-are-the-differences-between-chromosomes-chromatids-and-chromatin

1.6. Medicina personalizada

noreply@blogger.com (David Funes) — Sun, 31 Jul 2016 15:00:00 +0000

En los últimos años, la definición de fármaco exitoso ha cambiado. La época en la que un medicamento era un éxito de ventas ha finalizado, puesto que ya no tenemos enfermedades que puedan ser tratadas con un único fármaco. Y al mismo tiempo, los pacientes y mercados exigen medicinas más eficaces.
Pero esta demanda se hace cada vez más difícil de cumplir, ya que nuestro entendimiento de las enfermedades se hace más y más complejo, a lo que hay que añadir presiones externas (por parte de agencias reguladoras, de instituciones financieras, de los gobiernos e incluso de científicos) para alcanzar los mejores resultados clínicos.
Luego, ¿cómo es posible producir nuevos fármacos cuando sus costes de desarrollo se incrementan año tras año y es más complicado crearlos con un beneficio clínico para los pacientes?

Para ello la ciencia nos ha proporcionado nuevas herramientas, como la capacidad de mapear el genoma humano (a un coste cada vez inferior) y de este modo, entender la expresión de diferentes proteínas en respuesta a diferentes enfermedades.
Como consecuencia, existe la idea de que la medicina personalizada, que utiliza este nuevo tipo de herramientas, pueda conducir hacia nuevas soluciones en el proceso de desarrollo de fármacos, medicamentos específicos que sean más eficaces e incluso más seguros.

Pero, ¿cómo se define un medicamento personalizado?, por medicina personalizada se entiende aquel tratamiento médico diseñado a la medida de las características individuales de cada paciente. Se espera que, tanto en sus tratamientos preventivos como terapéuticos, actúen exclusivamente en aquellos pacientes que puedan beneficiarse realmente de estas terapias, evitando usarse en otros que no vean ningún tipo de beneficio en su administración.
Al actuar de esta manera, no sólo se mejora la capacidad para tratar enfermedades, sino también, potencialmente, implica un ahorro económico en el proceso.

En la medicina personalizada se distinguen tres categorías:

▣ Diagnóstico: productos que pueden diagnosticar el riesgo de padecer una enfermedad, la presencia real de una enfermedad en un individuo, o incluso guiar el tratamiento en personas que ya han sido diagnosticadas con una afección específica.

▣ Pruebas diagnósticas con fines terapéuticos: en esta categoría se trabaja codo con codo con un tratamiento farmacológico, indicando al médico acerca del tipo de medicamentos que un paciente en particular debería recibir.

▣ Herramientas de cribado: poseen la finalidad de detectar enfermedades en etapas tempranas, lo que permite una intervención rápida con la esperanza de reducir los efectos provocados por la enfermedad.

Idealmente, lo que interesaría es hallar la manera de evaluar el riesgo de una persona a una enfermedad o su respuesta a cierto tratamiento antes incluso de administrárselo.
Con la medicina personalizada seríamos capaces de conocer de antemano qué personas responderían a un fármaco específico y cuáles no, quienes presentarían graves efectos secundarios y cuáles no, quienes lo precisarían en una fase más temprana y quienes en una fase más tardía, todo ello con el objetivo de obtener los mejores resultados posibles en cada individuo.

La medicina personalizada ha experimentado un espectacular crecimiento en los últimos años pasando de 13 productos comercializados en el año 2006 a 72 en el año 2011.
En la actualidad, el 94% de las compañías biofarmacéuticas están investigando en medicina personalizada, ya que son conscientes de que su uso como herramienta de investigación o su utilización junto con un producto comercializado puede realmente mejorar el potencial que ese fármaco tenga en los pacientes.
Así mismo, sus ventas también se han visto incrementadas alcanzando una cifra anual de 30.000 millones de dólares de este tipo de productos en los USA.

Entre los productos pertenecientes a la medicina personalizada que son actualmente empleados por los médicos para tratar a sus pacientes destacan:

▣ La prueba BRACAnalysis que identifica mutaciones potenciales en los genes BRCA1 y BRCA2 responsables de la mayoría de cánceres hereditarios de mama y ovario. Dependiendo de la existencia o no de esas mutaciones se determina la probabilidad del paciente a desarrollar estos tipos de cáncer en el futuro, y en función de ello guiar también en la toma de decisiones a otros miembros familiares.

▣ Prueba Oncotype DX es una prueba de 21 genes que predice la probabilidad de beneficiarse de la quimioterapia y el riesgo de recurrencia del cáncer en los próximos 10 años.

▣ PreDX es un test sanguíneo que estudia los niveles de siete marcadores de progresión de la diabetes en sangre. Estos marcadores están relacionados con la calidad del tejido adiposo, el estado inflamatorio pancreático y el metabolismo de la glucosa.

Entre los beneficios actuales aportados por la medicina personalizada se encuentran:

▣ Una reducción del 34% en la quimioterapia aplicada a mujeres que padecen cáncer de mama y que previamente al tratamiento se han realizado un test genético.

▣ Hasta 17.000 derrames cerebrales podrían prevenirse anualmente en aquellos pacientes que son propensos a ello al administrarles la dosis apropiada de warfarina^[1] siempre y cuando el correspondiente test genético se lleve a cabo.

▣ Un ahorro por encima de los 600 millones anuales en el sistema sanitario de los Estados Unidos si los pacientes que presentasen cáncer colorrectal con metástasis recibiesen el test del gen KRAS^[2] anterior a su tratamiento.

▣ Desarrollo de nuevas herramientas de diagnóstico que pueden ayudar de diversas maneras en el proceso de desarrollo de fármacos. Así, si las compañías farmacéuticas conocen con anterioridad qué pacientes responderán mejor a un ensayo clínico, se obtendrán mejores resultados en dicho estudio.

Nos encontramos todavía en las primeras etapas de la medicina personalizada con un largo camino por recorrer durante los próximos años. La medicina personalizada nos ayudará a entender mejor las afecciones asociadas con distintas enfermedades, la identificación de nuevas dianas terapéuticas, la reducción de efectos secundarios y al incorporarla en nuestros experimentos y método de investigación se producirán innovaciones en el proceso de descubrimiento de nuevos medicamentos.

[1] Anticoagulante empleado en la prevención de trómbolos y émbolos.
[2] Gen que elabora la proteína KRAS que participa en las vías de señalización celular, en el crecimiento celular y la apoptosis.

Fuentes: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.
http://www.patia.com.mx/braca.html
https://breast-cancer.oncotypedx.com/es-MX/Professional-Invasive/WhatIsTheOncotypeDXBreastCancerTest.aspx
http://www.tuorigen.cl/index.php/preguntas-frecuentes
http://www.cancer.gov/espanol/publicaciones/diccionario?cdrid=652256
http://www.lampadia.com/analisis/tecnologia/medicina-del-futuro-despliegue-de-un-nuevo-paradigma/

4.4. Comunicación celular

noreply@blogger.com (David Funes) — Sat, 23 Jul 2016 15:54:00 +0000

Del mismo modo que la organización social depende de la comunicación entre los individuos que constituyen esa sociedad y sin ella, la sociedad se desmoronaría, las células han de ser capaces de interactuar con su ambiente.

Con el fin de responder a los estímulos externos, las células han desarrollado complejos mecanismos de comunicación con los que pueden recibir mensajes, transferir la información a través de la membrana plasmática y producir posteriormente cambios dentro de la célula en respuesta a esos mensajes.

En los organismos multicelulares, las células envían y reciben constantemente mensajes para coordinar las acciones de células, tejidos y órganos distantes. La habilidad de mandar mensajes eficaz y rápidamente permite a las células coordinar y ajustar sus funciones.
Esta capacidad que desarrollaron las células individuales para comunicarse mediante señales químicas fue un hecho fundamental para la evolución de los organismos multicelulares.

Moléculas señalizadoras y receptores celulares

Las células se van a relacionar tanto por señalización intercelular (comunicación entre células) como por señalización intracelular (comunicación dentro de la célula).
Las células señalizadoras se encargan de secretar ligandos^[1] o se unen a las células objetivo o diana, iniciando una cadena de eventos en ellas.

Las cuatro categorías en las que se divide la señalización en los organismos multicelulares son: señalización endocrina, autocrina, paracrina y directa mediante uniones de hendidura (señales yuxtacrinas).
La señalización endocrina se lleva a cabo a grandes distancias a través del flujo sanguíneo gracias a la acción de hormonas.
En la señalización autocrina, las señales son recibidas por la misma célula que envía la señal u otras células cercanas del mismo tipo.
La señalización paracrina también ocurre a distancias cortas bajo la acción de ligandos que viajan por el medio líquido del espacio intercelular.
Por último, las uniones de hendidura permiten a las moléculas señalizadoras circular entre células vecinas.

Tipos de receptores

Los receptores son proteínas ubicadas dentro de la célula diana o en su superficie que se unen al ligando, dividiéndose en dos tipos: receptores internos y receptores superficiales.

Los primeros se localizan en el citoplasma de la célula adhiriéndose a la molécula ligando que atraviesa la membrana celular. Estos complejos receptor-ligando se desplazan hasta el núcleo e interactúan directamente con el DNA celular.

Los receptores superficiales transmiten una señal desde el exterior de la célula al citoplasma. Constan de tres partes principales: una región ubicada fuera de la célula para la unión del ligando (denominada dominio extracelular), una zona central hidrofóbica localizada en la membrana y en tercer lugar el dominio intracelular situado dentro de la célula.

Este tipo de receptores se dividen en tres categorías:

▣ Los receptores ligados a canales iónicos^[2]. Cuando se asocian a sus ligandos forman un poro que atraviesa la membrana plasmática y por el cual pueden pasar ciertos iones.

▣ Receptores acoplados a proteínas G. Interactúan con las proteínas G^[3] en la cara citoplasmática de la membrana celular.
Una vez que la proteína G se une al receptor, el compuesto resultante activa la proteína G, la cual libera GDP^[4] y recoge GTP^[5], interaccionando con otras enzimas o canales iónicos para transmitir una señal.

▣ Receptores acoplados a enzimas. Transmiten la señal de las enzimas membranales desde el exterior de la célula al dominio intracelular (extremo del receptor dentro de la célula). La unión con el ligando causa la activación de esa enzima.

Los pequeños ligandos hidrofóbicos (p.ej., esteroides) son capaces de penetrar la membrana celular y adherirse a los receptores internos.
Los ligandos hidrofílicos (solubles en agua), por el contrario, son incapaces de atravesar la membrana, por lo que se asocian con los receptores superficiales los cuales se encargan de transmitir la señal al interior de la célula.

Propagación de la señal

La unión del ligando al receptor permite la transducción^[6] de la señal a través de la célula.
A la cadena de eventos encargada de transmitir la señal se le denomina 'ruta o cascada de señalización', las cuales, a menudo son muy complejas como consecuencia de la interacción entre diferentes proteínas.
Uno de los componentes más importantes en estos procesos es la fosforilación de las moléculas por medio de unas enzimas conocidas como quinasas^[7].
La fosforilación añade un grupo fosfato a los residuos (cadenas R) de los aminoácidos serina, treonina y tirosina, activando o inactivando la proteína de la que forman parte o alterando su forma. También, pequeñas moléculas como los nucleótidos pueden ser fosforiladas.

Una vez se ha producido la activación de un receptor, se propaga una señal dentro de la célula a lo largo del citoplasma al alterar el comportamiento de ciertas proteínas celulares. Estas señales son liberadas por los denominados segundos mensajeros que son pequeñas moléculas no proteicas, entre las que destacan el AMP cíclico (cAMP), los iones calcio (Ca²⁺), el inositol trifosfato (IP₃) y el diacilglicerol (DAG).

Respuesta a la señal

El inicio de las rutas o vías de señalización se produce como respuesta a estímulos externos. Los resultados a estas respuestas son muy variados y pueden adoptar muy diversas formas dependiendo del tipo de célula involucrada, así como de las condiciones internas y externas.
Entre estos efectos encontramos el crecimiento celular, la síntesis de proteínas, cambios en el metabolismo de la célula e incluso la muerte celular.

Pero las rutas de señalización van a ejercer su mayor efecto sobre la célula al iniciar la expresión génica^[8] y todo ello se realiza gracias a una diversa variedad de métodos.
Así, algunas vías activan enzimas que interactúan con factores de transcripción del RNA y otras regulan la traducción de proteínas a partir del mRNA.
Otras vías, en cambio, actúan sobre el metabolismo celular, p. ej., van a permitir que las células musculares puedan transmitir sus señales de requerimiento de energía (en forma de glucosa) para desempeñar sus funciones.

Las rutas de señalización también juegan un papel muy importante en el crecimiento celular, el cual es casi siempre estimulado por señales externas, llamadas 'factores de crecimiento' (tipos de ligando que se unen con los receptores celulares superficiales).
Un crecimiento celular descontrolado conduce al cáncer, cuyo origen, a menudo, radica en las mutaciones que presentan los genes encargados de codificar las proteínas que forman parte de las vías de señalización.

Cuando una célula resulta dañada, no es necesaria o es potencialmente peligrosa para el organismo debe iniciar el mecanismo que desencadena la muerte celular programada o apoptosis. La apoptosis permite a la célula morir de un modo controlado, evitando la liberación de moléculas potencialmente dañinas, al contrario de lo que sucede en la muerte descontrolada o necrosis.

La señalización celular se va a encargar de asegurar el proceso de la apoptosis con el fin de que se produzca el desmantelamiento de la célula de una manera organizada, así como el reciclaje eficiente de los componentes de la célula muerta.

La finalización de la cascada de señalización es muy importante para que la respuesta a la señal sea la apropiada tanto en tiempo como en intensidad.
Dos de las formas más comunes de terminar la señalización dentro de las células se produce gracias a la degradación de las moléculas señalizadoras y la desfosforilación de productos intermedios de la ruta (previamente fosforilados) a través de la acción de la enzima fosfatasa^[9].

Algunas de las señales anormales que se originan en las células tumorales son una buena prueba de que la finalización de una señal en el momento oportuno es tan importante como el inicio de la misma.

[1] Pequeñas moléculas volátiles o solubles que se unen a otras moléculas específicas (receptores) liberando una señal en el proceso.
[2] Receptores superficiales en los canales de las membranas plasmáticas que se abren cuando un ligando se adhiere a su dominio extracelular (extremo del receptor fuera de la célula).
[3] Son transductores de señal que llevan información desde el receptor hasta las proteínas efectoras.
[4] El guanosín difosfato es un nucleótido difosfato. Producto de la defosforilación del GTP.
[5] El guanosín trifosfato es un nucleótido de guanina que contiene tres grupos fosfatos usado en el metabolismo celular.
[6] Transmisión de la señal desde el exterior de la célula a su interior.
[7] Enzimas que catalizan la transferencia de un grupo fosfato del ATP a otra molécula.
[8] Proceso por el que las células transforman la información codificada por los ácidos nucleicos en las proteínas necesarias para su desarrollo y funcionamiento.
[9] Enzima encargada de eliminar el grupo fosfato de una molécula que ha sido anteriormente fosforilada.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
http://mol-biol4masters.masters.grkraj.org/html/Cellular_Signal_Transduction1-Cells_And_Signals.htm
http://27.109.7.67:1111/econtent/cell-communication/principles-part-3.php
http://www.scq.ubc.ca/protein-phosphorylation-a-global-regulator-of-cellular-activity/
http://medicinembbs.blogspot.com.es/2011/03/programmed-cell-death-apoptosis.html

1.5. Control de calidad en la industria farmacéutica

noreply@blogger.com (David Funes) — Sat, 09 Jul 2016 14:59:00 +0000

El control de calidad es empleado en todas y cada una de las etapas del proceso de desarrollo de un medicamento. Se encarga de garantizar que el producto farmacéutico cumpla unos criterios de alta seguridad, calidad y eficacia.
La palabra ‘calidad’ se refiere a las características de un producto desde un punto de vista cuantitativo y cualitativo, aludiendo tanto a la calidad del proceso de fabricación como al producto en sí mismo.
La palabra ‘control’ implica un procedimiento por el cual se comprueba que la producción se está realizando de acuerdo a un plan específico cumpliéndose los estándares previamente establecidos.

La industria farmacéutica es responsable del diseño, examen y producción de la forma farmacéutica en la que se va a administrar el medicamento, la cual debe cumplir ciertos requisitos de seguridad, pureza, estabilidad, uniformidad de su contenido y disponibilidad fisiológica para el consumidor.

El mantenimiento de la calidad de un fármaco depende de todas y cada una de las personas y equipos que intervienen en su desarrollo. El control de calidad de una compañía desempeña una supervisión estricta en cada una de las partes de las etapas del proceso, con el fin de que el producto final alcance la máxima calidad. El departamento responsable se encarga de monitorizar los registros, procedimientos, sistemas, instalaciones, personal y análisis que se llevan a cabo en el proceso de desarrollo y producción de un producto farmacéutico.

Variaciones en la calidad del fármaco pueden ocurrir a lo largo de todo el proceso, desde la recepción de las materias primas hasta el empaquetado del producto final y el riesgo de que suceda se incrementa a medida que el método de fabricación se hace más complicado. Entre las fuentes más comunes que originan una variación en la calidad del producto se hallan:

▣ Métodos:

Negligencia en el procedimiento
Procedimiento erróneo
Procedimiento inadecuado

▣ Materiales:

Variaciones entre los proveedores de la misma sustancia
Variaciones entre los lotes del mismo proveedor
Variaciones dentro de un lote.

▣ Personal:

Condiciones de trabajo inapropiadas
Formación inadecuada
Falta de interés y atención
Fatiga y despreocupación

Los errores pueden ser controlados, minimizados o eliminados mediante el control del material, su empaquetado y bajo la acción de las buenas prácticas de fabricación (BPF, GMP en inglés).

El control del material comienza justo después de su recepción. Las sustancias activas, excipientes, materiales de empaquetado y soportes impresos se almacenan de manera apropiada y clasificados alfabéticamente o dependiendo de su naturaleza física.
En el caso de los constituyentes activos se comprueba su porcentaje de pureza, adulteración, fecha de caducidad y número de lote.
Para los materiales de envasado e impresión se coteja color, peso y gramaje de las etiquetas y cartones.

Control en las prácticas de fabricación

En el proceso de fabricación para alcanzar la máxima calidad se efectúan los controles pertinentes en los siguientes elementos:
- Personal
- Equipos e instalaciones
- Control de los registros
- Control del proceso de producción

▣ Personal

El personal ha de estar convenientemente formado y capacitado para trabajar en la industria farmacéutica.
Deben recibir formación continua adecuada al puesto que ocupan.
Deben ser alertados de los riesgos y responsabilidad en sus puestos de trabajo.
El trabajo desempeñado por todos los trabajadores ha de ser examinado por personal jerárquicamente superior, altamente formado y con gran experiencia.
Los supervisores han de estar siempre disponibles en caso de cualquier problema o contingencia.

▣ Equipo e instalaciones

Los equipos y edificios empleados en el almacenamiento, proceso, examen y empaquetado deben contar con el diseño, tamaño y condiciones adecuadas de ubicación y construcción.
La superficie de los equipos utilizados debe ser no reactiva y no absorbente.
Los equipos han de ser construidos e instalados de tal manera que sean fáciles de reemplazar, limpiar y operar con ellos.
En el caso de los edificios han de estar libres de cualquier tipo de contaminación.

▣ Control de los registros

Entre los controles de los registros encontramos los correspondientes a la formulación del fármaco y la producción de lotes.

El registro de la formulación del medicamento debe contener:
- Nombre del producto y forma de dosificación.
- Lista completa de ingredientes incluyendo excipientes.
- Calidad por peso o volumen de cada ingrediente.
- Estándares o especificaciones de cada ingrediente.
- Instrucciones de fabricación y control, especificaciones y precauciones.
- Descripción completa de recipientes, envases, etiquetado y materiales de empaquetado.

El registro de producción de lotes debe poseer, en cambio, la siguiente información:
- Número de lote.
- Número de código.
- Fecha de fabricación.
- Fecha de caducidad.

▣ Control del proceso de producción

Los procesos de fabricación se ejecutan desde la recepción del material hasta la entrega del producto final de acuerdo con una serie de normas previamente establecidas.
Al Departamento de Producción se entrega la denominada Fórmula Maestra que contiene una lista completa de todos los componentes del fármaco junto con sus cantidades, procedimientos, equipos y precauciones a tomar en su producción.

Todos esos ingredientes son reexaminados y testados en el laboratorio.
Algunos de estos análisis se desarrollan durante el mismo proceso de producción, es el llamado “Control de Calidad en Proceso” (IPQC en inglés) que se encuentra bajo supervisión del Departamento de Control de Calidad.
Los exámenes de IPQC varían dependiendo de la forma de dosificación del medicamento (tabletas, jarabes, formas semisólidas, inyectables...).

Control de envasado

Cuando el producto llega a la sección de embalaje, se empaqueta en sus envases correspondientes teniendo cuidado de no cometer errores en su etiquetado y número de lote.
Se emplea un material de envasado u otro en función de la naturaleza y distribución del producto.

Control de distribución

Las responsabilidades del Departamento de Control de Calidad no finalizan cuando se distribuye el producto farmacéutico en el mercado.
Este departamento se encarga de registrar muestras de cada lote y se almacenan durante años con el propósito de examinarse o analizarse en caso de necesidad o demanda.

Organización del control de calidad

De manera general existen cinco departamentos en el Control de Calidad:

▣ Departamento analítico

La calidad del producto final radica en la calidad de las materias primas utilizadas en el proceso de fabricación. Este departamento es el responsable de analizarlas y que el fármaco cumpla con un conjunto de especificaciones para mantener la calidad del mismo entre las que encontramos: solubilidad, tensión superficial, forma cristalina, viscosidad...

▣ Laboratorio de análisis químico

Las propiedades físico-químicas de cada lote de materias primas y de productos finales son testadas en este laboratorio.
Este laboratorio ha de estar localizado en un área aislada de ruidos y vibraciones y contar con el equipo adecuado para desempeñar una gran diversidad de exámenes químicos.

▣ Laboratorio de análisis biológico

Este tipo de tests no se reduce únicamente a los productos conocidos como biológicos dentro de la industria farmacéutica, sino a una amplia gama de productos como los parenterales que requieren pruebas de esterilidad y detección de pirógenos^[1] antes de su comercialización.

▣ Oficina central

La oficina central lleva a cabo la evaluación de los voluminosos registros generados a lo largo de todas las etapas de fabricación y envasado. Estos registros contienen un informe completo de las características de cada lote producido y distribuido en el mercado, lo que facilita a este grupo investigar las reclamaciones recibidas por los clientes concernientes a la calidad del producto.

▣ Inspección y comprobación

Finalmente, los Inspectores del Departamento de Control de Calidad se responsabilizan de la selección de muestras de las materias primas recibidas y productos finales para su inspección.

[1] Agentes productores de fiebre.

Fuentes: http://thepharmacistpharma.blogspot.com.es/2009/03/quality-control-procedure-in.html
http://www.ancalmo.com/moderno-laboratorio-control-de-calidad/
http://controldecalidadifv.blogspot.com.es/
http://www.aemps.gob.es/industria/inspeccionNCF/guiaNCF/docs/reqBasicosMed/04_capitulo-1b.pdf

4.3.2. Respiración celular II: Fosforilación oxidativa (Cadena de transporte de electrones). Metabolismo sin oxígeno

noreply@blogger.com (David Funes) — Sun, 12 Jun 2016 15:12:00 +0000

La mayoría del ATP generado durante el catabolismo aeróbico de la glucosa no procede de las dos rutas anteriores (glucólisis y ciclo de Krebs), sino más bien del movimiento de electrones a través de una serie de transportadores de electrones que se someten a reacciones redox, lo cual causa una acumulación de iones hidrógeno dentro de la matriz mitocondrial.

Como consecuencia, se forma un gradiente de concentración en el que iones de hidrógeno se difunden fuera del espacio de la matriz al ser capaces de atravesarla con la ayuda del complejo ATP sintasa^[1]. La corriente de iones de hidrógeno potencia la acción catalítica de la ATP sintasa, la cual fosforila ADP, produciendo ATP.

Cadena de transporte de electrones

La cadena de transporte de electrones es el último componente de la respiración aeróbica y la única etapa del metabolismo de la glucosa que emplea oxígeno atmosférico.
Este oxígeno se usa como el aceptor final de los electrones que han sido suprimidos de los compuestos intermedios en el catabolismo de la glucosa.

La cadena de transporte de electrones se componen de cuatro grandes complejos multiproteicos (denominados complejos I-IV) insertados en la membrana interior mitocondrial y dos pequeños transportadores de electrones que los trasladan (electrones) entre ellos.

Los electrones intervienen en una serie de reacciones redox en las que se emplea energía libre para transportar iones de hidrógeno a través de la membrana gracias al papel de la enzima ATP sintasa. Este proceso contribuye al gradiente usado en la quimiosmosis (difusión de iones a través de una membrana) que genera el 90% del ATP creado durante el metabolismo aeróbico de la glucosa.

Los electrones que toman parte en la cadena de transporte van perdiendo su energía gradualmente, por lo que para completarla se aportan a ella electrones de alta energía procedentes de los compuestos NADH o FADH₂ del proceso anterior (ciclo de Krebs).

Al final de esta ruta metabólica, los electrones van a reducir moléculas de oxígeno a iones de oxígeno y los electrones extras de estos iones atraen iones de hidrógeno (protones) del medio circundante, dando como resultado moléculas de agua que junto con el ATP son los productos finales de la cadena de transporte de electrones.

El número de moléculas generadas durante el catabolismo de la glucosa varía en función de factores como el número de iones de hidrógeno que los complejos de la cadena de electrones bombean a través de la membrana mitocondrial, el transporte de electrones o del uso para otros propósitos de los compuestos intermedios producidos en estas rutas.

Metabolismo sin oxígeno

En la respiración aeróbica, el aceptor final de electrones es la molécula de oxígeno y se produce ATP gracias a los electrones de alta energía transportados a la cadena de transporte por las moléculas NADH o FADH₂.

Si la respiración aeróbica no tiene lugar, el NADH debe ser re-oxidado a NAD⁺ para su reutilización como portador de electrones y de este modo la ruta glucolítica continúe.
Los organismos vivos emplean dos mecanismos distintos para lograrlo:

▣ Pueden usar como aceptor final de electrones una molécula orgánica para regenerar NAD⁺ a partir de NADH en un proceso denominado fermentación. Una de las fermentaciones más famosas es la del ácido láctico, utilizada por los glóbulos rojos en los músculos esqueléticos de los mamíferos cuando carecen del aporte necesario de oxígeno para continuar la respiración aeróbica.

▣ La segunda opción es utilizar una molécula inorgánica en su lugar.

En ambos métodos, los organismos transforman energía para su uso en la ausencia de oxígeno y se conocen con el nombre de respiración celular anaeróbica.

Regulación de la respiración celular

La respiración celular debe regularse con el fin de que se suministren las cantidades de energía requeridas en cada momento en forma de ATP.
La célula debe regular, por tanto, su metabolismo y para ello cuenta con una variedad de mecanismos.
Por ejemplo, la entrada de glucosa a la célula es controlada por unas proteínas de transporte (transportadores GLUT) que ayudan a la glucosa a atravesar la membrana celular. Pero la mayor parte del control de los procesos de respiración se consigue mediante aquellas enzimas específicas que actúan en cada una de las rutas.

Estas enzimas responden sobre todo a los niveles disponibles de los nucleósidos ATP, ADP, AMP, NAD⁺ y FAD, los cuales, a su vez, incrementan o disminuyen la actividad de las enzimas en aquellas rutas en la que intervienen.

Hemos estudiado que el metabolismo de la glucosa es el encargado de proveer energía a las células vivas. Sin embargo, los seres vivos consumen en sus dietas una gran variedad de nutrientes diferentes a la glucosa. ¿Cómo terminan, por tanto, los diversos alimentos que consumimos en ATP en las células?
Ello es debido a que las rutas catabólicas de los lípidos, proteínas y carbohidratos están conectadas a la larga con las rutas de la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico.
Estas rutas no son ciclos cerrados, sino que muchos de los sustratos, productos intermedios y finales se utilizan como reactivos en otras de ellas.

[1] Es un complejo proteico (enzima) transmembranal que cataliza la síntesis de ATP mediante la energía suministrada por un flujo de protones (H⁺) y al añadir un grupo fosfato al ADP.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
https://chelseaharripersad.wordpress.com/2013/04/13/the-electron-transport-chain/
http://healthylifemed.com/aerobic-vs-anaerobic-respiration/
https://adapaproject.org/bbk_temp/tiki-index.php?page=Leaf%3A+Why+do+cells+need+fermentation+to+continue+glycolysis%3F
http://163.178.103.176/Fisiologia/general/dinamica/FG05_17a.jpg

4.3.1. Respiración celular I: Glucólisis. Ciclo de Krebs

noreply@blogger.com (David Funes) — Sat, 04 Jun 2016 15:10:00 +0000

Al igual que las centrales eléctricas transforman un tipo de energía en otra para que pueda ser utilizada más fácilmente, la energía que introducimos en nuestros organismos, gracias a los nutrientes que consumimos, es transformada para que las células puedan usarla y desempeñar sus funciones.
Así, mediante una serie de rutas metabólicas (denominadas colectivamente respiración celular), se consigue extraer la energía de los enlaces de glucosa y convertirla en una forma de energía que todos los organismos vivos pueden emplear.

Energía en los seres vivos

Una célula viva no puede almacenar cantidades importantes de energía libre, ya que produciría un incremento en la temperatura de la célula que podría dañarla y posteriormente destruirla. Por tanto, la célula debe acumular esa energía de un modo seguro y liberarla sólo cuando sea necesario, lo cual consiguen gracias al compuesto trifosfato de adenosina (ATP), que como se ha mencionado en otras ocasiones, se le considera la “moneda energética” de la célula.

El ATP permite a la célula guardar energía brevemente y transportarla dentro de ella para favorecer reacciones químicas endergónicas.
La estructura del ATP consiste en una molécula de monofosfato de adenosina (AMP^[1]), la cual a su vez, se compone de una molécula de adenina unida a una molécula de ribosa y a un grupo fosfato. La incorporación de un segundo grupo fosfato origina difosfato de adenosina (ADP) y la adición de un tercer grupo fosfato da lugar finalmente al trifosfato de adenosina (ATP).

La vida para llevar a cabo sus procesos y obtener energía descompone continuamente ATP en ADP^[2], a través de la reacción de hidrólisis del ATP, produciendo asimismo un ión de fosfato inorgánico:

ATP + H₂O ⇔ ADP + fosfato inorgánico (Pi)

El agua que interviene en esta reacción se descompone en un átomo de hidrógeno y un grupo hidróxilo. Esta agua es regenerada al añadirse un tercer fosfato a la molécula de ADP, el cual reconstituye, a su vez, el ATP gracias a la adición de ese tercer grupo fosfato, operando de la misma manera que lo hace una batería recargable.

La energía de prácticamente todos los seres vivos procede del metabolismo de la glucosa. De esta manera, el ATP está conectado directamente al conjunto de rutas exergónicas del catabolismo de la glucosa y la infinidad de rutas endergónicas que proporcionan energía a las células.

Los dos procesos de regeneración de ATP utilizados en conjunción con el catabolismo de la glucosa son la fosforilación^[3] a nivel sustrato y la fosforilación oxidativa.
En el primero de ellos, el ATP se produce a partir de ADP y un grupo fosfato procedente de un reactivo.
Pero la mayor parte del ATP generado (90%) durante el catabolismo de la glucosa se deriva de un proceso mucho más complejo que tiene lugar en la mitocondria: la quimiosmosis en el que se ve involucrado un gradiente de protones que cruza la membrana mitocondrial.
A la producción de ATP usando este mecanismo se le denomina fosforilación oxidativa al verse involucrado oxígeno en el mismo.

Glicólisis

La glicólisis o glucólisis fue probablemente una de las primeras rutas metabólicas empleadas durante la evolución de los seres vivos, siendo en el presente utilizada prácticamente por todos ellos.
Es la primera ruta en el proceso de descomposición de glucosa para la extracción de energía durante el metabolismo celular, que al no requerir de la participación de oxígeno se trata de un mecanismo anaeróbico.

Este proceso se compone de dos pasos:

▣ En la primera parte, el anillo de seis átomos de carbono de la glucosa se divide en dos moléculas de azúcar de tres átomos de carbono (denominadas piruvato) para lo cual se emplea ATP.

▣ En la segunda parte se extrae ATP y electrones de alta energía, a partir de átomos de hidrógeno, los cuales se unen al compuesto NAD⁺ (forma oxidada de la molécula NAD^[4]).

En la primera de estas fases se invierten dos moléculas de ATP, mientras que se forman cuatro mediante fosforilación a nivel sustrato en la segunda de ellas.
El resultado final es una ganancia neta para la célula de dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH^[5].
En el caso de que la célula no pueda catalizar más allá las moléculas de piruvato, tan sólo extraerá dos moléculas de ATP a partir de una molécula de glucosa.

Oxidación del piruvato y el ciclo del ácido cítrico (Ciclo de Krebs)

Si hay oxígeno disponible, la respiración aeróbica continúa adelante a partir del punto final de la glicólisis.
Las moléculas de piruvato producidas al término de esa ruta metabólica son transportadas al interior de la mitocondria donde se produce la respiración celular. Allí, el piruvato se transforma en un grupo acetilo que es recogido y activado por un compuesto transportador llamado coenzima A (CoA).
El compuesto resultante se denomina acetil coenzima A, el cual se compone de vitamina B5 (ácido pantoténico). La célula emplea este compuesto en una gran variedad de formas, pero su principal función es distribuir el grupo acetilo procedente del piruvato a la siguiente etapa del metabolismo de la glucosa (el ciclo del ácido cítrico).

Durante la conversión del piruvato en un grupo acetilo, se eliminan una molécula de CO₂ y dos electrones de alta energía. Este paso se repite en dos ocasiones, por lo que ese CO₂ (2CO₂) representa dos de los seis átomos de carbono de la molécula original de glucosa. Mientras que los electrones son recogidos por la molécula de NAD⁺ formando NADH, la cual conduce esos electrones a rutas posteriores en la producción de ATP.

En este punto, la molécula de glucosa que se introdujo en el mecanismo de respiración celular se ha oxidado completamente y la energía potencial que tenía almacenada se ha transferido a transportadores de electrones o se ha usado para sintetizar unos pocos ATPs.

A continuación, comienza el ciclo de ácido cítrico que también tiene lugar en la matriz mitocondrial.
A diferencia de la glicólisis, el ciclo de ácido cítrico es un ciclo cerrado, en el que en el último paso se regenera el compuesto utilizado en la primera etapa.
Se trata de un ciclo de ocho pasos consistente en una serie de reacciones de oxidación-reducción (redox), deshidratación, hidratación y descarboxilación, que produce dos moléculas de CO₂, una molécula de GTP^[6]/ATP y las formas reducidas de tres moléculas de NADH y una molécula de FADH₂^[7].

Este ciclo se le considera una ruta aeróbica porque estos dos últimos compuestos deben transferir sus electrones a la siguiente ruta del sistema, que empleará oxígeno y en la que se generará ATP.

Algunos de los compuestos intermedios de este ciclo pueden utilizarse para sintetizar aminoácidos no esenciales, lípidos y azúcares que puede servir como fuente de energía para las rutas metabólicas de la glucosa. Por tanto, el ciclo de Krebs es un ciclo anfibólico (tanto catabólico como anabólico).

[1] AMP es uno de los nucléotidos en la molécula de RNA.
[2] Difosfato de adenosina: compuesto orgánico constituido por adenosina y dos grupos fosfatos.
[3] Adición de un grupo fosfato a un compuesto, normalmente un producto intermedio metabólico, una proteína o ADP.
[4] Nicotinamida adenina dinucleótido: coenzima encontrada en las células vivas, cuya función principal es el intercambio de electrones y protones en las reacciones de producción de energía.
[5] Forma reducida de la molécula NAD que, por tanto, acepta electrones.
[6] Guanosin trifosfato es otro nucleótido trifosfato usado en el metabolismo celular. Su base nitrogenada es la purina guanina.
[7] Forma reducida del FAD (flavín adenín dinucleótido: coenzima que interviene en las reacciones metabólicas de oxidación-reducción) que recibe dos átomos de hidrógeno.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
http://table4eversquishycells.pbworks.com/w/page/9947625/How%20Cells%20Get%20Energy
http://bio100.class.uic.edu/lectures/atp_energy.jpg
https://apbionotebook.wordpress.com/chapter-09-cellular-respiration-fermentation/
http://msdoranbiology.weebly.com/notes---cp.html

1.4.3. Nueva norma sobre ensayos clínicos en España

noreply@blogger.com (David Funes) — Fri, 27 May 2016 15:28:00 +0000

En el Consejo de Ministros del 4 de diciembre de 2015 se aprobó el proyecto del Real Decreto por el que se regulariza los ensayos clínicos con fármacos, los comités de ética de investigación de medicamentos y el registro español de estudios clínicos.

La gran mayoría de los ensayos clínicos que se realizan en España (18% del total de Europa) son multicentros, y muchos, multinacionales por lo que este nuevo decreto va a facilitar algunos aspectos en este terreno y acerca la normativa española a la nueva reglamentación de la UE sobre ensayos que entra en vigor a partir de mayo de 2016.

Hasta ahora la realización de ensayos clínicos en España exigía la autorización de la Agencia Española del Medicamento y Productos Sanitarios (AEMPS) y de los Comités de Ética acreditados de los diferentes centros donde se llevaban a cabo. Con este nuevo Real Decreto sólo será requisito el visto bueno de la AEMPS y de uno solo de los Comités de Ética.

Otra de las ventajas de la nueva legislación es que el promotor del ensayo va a poder enviar la documentación del mismo a los Comités y la AEMPS para su evaluación mientras negocia la aprobación de la realización del ensayo con los distintos centros.
Todo ello redundará en un acortamiento de los plazos permitiendo atraer a España nuevas investigaciones provenientes del extranjero.
A pesar de que, en efecto se ha reducido el tiempo para la apertura del ensayo, todavía quedan aspectos para la mejora como la disminución de los trámites burocráticos en algunos centros o la ausencia de un único contrato modelo válido para cada ensayo en todos los centros partícipes.

Con esta norma también se ha creado la figura del promotor de ensayos clínicos no comerciales con la que se pretende impulsar la investigación no comercial o investigación pública no impulsada por la industria farmacéutica.
La finalidad última de esta figura es abarcar áreas de la investigación que a veces no son preeminentes para el sector farmacéutico.

Por último, cualquier ciudadano va a contar con la posibilidad de consultar los ensayos autorizados en España y los centros donde se efectúan gracias a la regulación del Registro Español de estudios clínicos (REec), con esta medida se busca proveer de mayor transparencia a la tarea investigadora.

Fuentes: http://www.elglobal.net/noticias-medicamento/2015-12-12/industria-farmaceutica/la-normativa-sobre-ensayos-clinicos-abre-la-puerta-a-una-
mayor-implicacion-de-la-industria/pagina.aspx?idart=954457
http://www.aemps.gob.es/investigacionClinica/medicamentos/docs/Instrucciones-realizacion-ensayos-clinicos.pdf
http://www.consalud.es/estetic/seeestetic.php?id=24793
http://leonresearch.com/blog/nueva-regulacion-de-los-ensayos-clinicos/

4.2. Metabolismo celular

noreply@blogger.com (David Funes) — Thu, 19 May 2016 17:10:00 +0000

Prácticamente todas las tareas desarrolladas por los seres vivos requieren de energía. La energía no solamente se necesita para realizar ejercicios o tareas pesadas, también hacemos uso de ella cuando pensamos e incluso cuando dormimos, su utilización por parte de todos los organismos es, por tanto, constante.

La energía es necesaria para que las células del sistema inmunitario puedan absorber, digerir y descomponer virus y bacterias patógenas. Es también imprescindible para la eliminación de toxinas y desechos, el transporte de neurotransmisores y hormonas o la síntesis y descomposición química de moléculas.

Los nutrientes y otras moléculas son importados, metabolizados (descompuestos) y posiblemente sintetizados en otras moléculas, modificados en algunos casos, transportados a otras células y posiblemente distribuidos a todo el organismo.

Todos los procesos celulares, tales como la construcción y descomposición de moléculas complejas ocurren a través de una serie de reacciones químicas escalonadas.
Al conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en el interior de las células, incluidas las que liberan y usan energía, se le denomina metabolismo celular.

Rutas metabólicas

Una ruta metabólica es una serie de reacciones químicas interconectadas que convierten una molécula/s sustrato, paso a paso mediante un conjunto de productos metabólicos intermedios, en un producto/s final/es.

En el caso del metabolismo del azúcar (clásico ejemplo de muchos procesos celulares), en una de sus rutas metabólicas se sintetiza glucosa (azúcar simple) a partir de moléculas más pequeñas:

6CO₂ + 6H₂ O + energía → C₆ H₁₂ O₆ + 6O₂

Mientras que en otra ruta metabólica distinta es la glucosa la que se descompone en moléculas más pequeñas:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂ O + energía

Consecuentemente, el metabolismo se compone de construcción o anabolismo (primera reacción) y descomposición o catabolismo (segunda reacción).

Estas rutas metabólicas no tienen lugar espontáneamente, sino que cada reacción es facilitada o catalizada por unas proteínas denominadas enzimas, que catalizan tanto las reacciones que liberan energía como las que requieren de su utilización.

Energía potencial, libre y de activación

Las moléculas debido a la ruptura de sus enlaces tienen la capacidad de liberar energía, que se conoce con el nombre de energía potencial. Las células para desempeñar sus funciones dependen de la extracción de esa energía potencial.

La energía libre es un concepto que mide la disponibilidad de energía para llevar a cabo un trabajo. Esta energía libre es modificada durante las reacciones químicas (donde ocurren transferencias de energía) y a este cambio se le denomina energía libre de Gibbs (ΔG).

El valor de ΔG puede ser negativo, con lo cual se libera energía, son las denominadas reacciones exergónicas o espontáneas. Por el contrario, si el valor de ΔG es positivo, la reacción consume energía y hablamos entonces de reacciones endergónicas o no espontáneas.

Si una reacción es espontánea indica que sus productos tienen menos energía que sus reactivos, y viceversa en las reacciones no espontáneas.
Sin embargo, independientemente del tipo de reacción, todas ellas requieren de un aporte inicial de energía para alcanzar el estado de transición^[1]. Este aporte se conoce como energía de activación.

ATP: Trifosfato de adenosina

El ATP es la molécula suministradora de energía primaria en las células vivas. Se compone de un nucleótido, una pentosa (monosacárido de cinco átomos de carbono) y tres grupos fosfatos. Los enlaces que conectan estos tres fosfatos poseen un alto contenido energético que al romperse potencian una serie de reacciones y procesos celulares.
La energía que se libera en la reacción de la hidrólisis del ATP es la que se emplea para desarrollar el trabajo celular:

ATP +H₂O → ADP + Pi^[2] + energía libre (reacción reversible)

Las células usan ATP para realizar su trabajo al acoplar la reacción exergónica de la hidrólisis del ATP con reacciones endergónicas. El ATP dona su grupo fosfato a otra molécula a través de un proceso conocido como fosforilación. Esta molécula fosforilada es menos estable que su forma no fosforilada, pero la energía añadida tras la adición del fosfato permite que ejecute las reacciones endergónicas necesarias para que la célula lleve a cabo sus funciones.

Enzimas

Las enzimas son, por lo habitual, proteínas de una o más cadenas polipeptídicas que aceleran las reacciones químicas que se producen a temperaturas fisiológicas, al disminuir sus energías de activación.
Se unen a los sustratos^[3] para catalizar las reacciones de cuatro modos distintos:

▣ Participando directamente en las reacciones químicas al formar enlaces covalentes momentáneos con los sustratos.

▣ Uniendo los sustratos en una disposición óptima.

▣ Proporcionando unas condiciones óptimas para que ocurra la reacción.

▣ Actuando sobre las estructuras de los enlaces para que puedan ser rotos más fácilmente.

Las enzimas van a estar reguladas por condiciones celulares como el pH, la temperatura, su localización dentro de la célula (al estar algunas de ellas compartimentadas).
Pero el mecanismo más común por el que las células regulan las enzimas en las rutas metabólicas es mediante la retroalimentación negativa, en la que los productos de una ruta metabólica actúan como inhibidores (normalmente alostéricos^[4]) de una o más enzimas involucradas en la ruta que las producen.

[1] Estado de muy alta energía y corta duración que se produce cuando los reactivos de una reacción se aproximan y experimentan una deformación.
[2] Grupo fosfato inorgánico.
[3] Reactivos químicos específicos sobre los que actúan una enzima en particular.
[4] Disminuyen la actividad de la enzima al provocar un cambio estructural de ésta, los receptores de las enzimas se ven modificados y adoptan su conformación inactiva.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
  http://cienciasdejoseleg.blogspot.com.es/2013/03/plicacion-de-las-variables.html
  http://teenbiotechchallenge.ucdavis.edu/2010_TBC/Peter%20Wang,%20Clara%20Fannjiang,%20William%20Liu/Chemistry.html
  https://mollycools.wordpress.com/2014/03/10/enzymes/
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Allosteric_competitive_inhibition_3.svg

4.1.3. La membrana plasmática. Transporte celular

noreply@blogger.com (David Funes) — Mon, 09 May 2016 16:26:00 +0000

Entre las diversas funciones de la membrana celular o plasmática, la más básica es establecer los límites de la célula y mantenerla funcional.
La membrana es permeable de manera selectiva, con lo que algunos elementos pueden entrar y abandonar la célula libremente, mientras que otros requieren de una estructura especializada e incluso de energía para ello.

Entre las vías de transporte que emplea la célula a través de su membrana celular encontramos:

Transporte pasivo

Es un fenómeno que ocurre de manera natural y que no requiere que la célula emplee ningún tipo de energía para lograr el movimiento de las sustancias que atraviesan la membrana plasmática.

En este transporte las sustancias pasan de una zona de más alta concentración a otra de más baja concentración.
Los mecanismos del transporte pasivo se dividen en:

▣ Difusión: en este mecanismo una única sustancia se mueve de un área de alta concentración a otra de menor concentración hasta que ésta se iguala en ambas zonas.
Una variación de la difusión es el proceso de filtración en el que el material se traslada a través de la membrana de acuerdo al gradiente de concentración^[1]. En algunas ocasiones la tasa de difusión se incrementa por la presión causando que las sustancias se filtren más rápidamente. Este es el fenómeno que ocurre en los riñones donde la presión sanguínea fuerza a grandes cantidades de agua y sustancias disueltas en ella (solutos) pasar del torrente sanguíneo a los túbulos renales.

▣ Difusión facilitada: la difusión de las sustancias se lleva a cabo por medio de la membrana plasmática con la ayuda de las proteínas integradas en ella, las cuales actúan como escudos para estas sustancias (iones, moléculas polares) contra las fuerzas repulsivas de la membrana, facilitando su difusión en la célula.

▣ Ósmosis: se trata de un caso especial de difusión en el que en lugar de transportar material, se transporta agua a través de la membrana, siendo ésta la que limita la difusión de solutos en el agua. Este proceso es mediado por unas proteínas específicas denominadas acuaporinas.

Dependiendo de la relación entre la osmolaridad^[2] de una célula y la del fluido extracelular que la contiene, distinguimos tres situaciones:

▣ Soluciones hipotónicas: el fluido extracelular tiene una osmolaridad menor que la del fluido interior de la célula, por lo que el agua penetra en ella.

▣ Soluciones hipertónicas: el fluido extracelular posee una osmolaridad más alta que el citoplasma de la célula, por lo que el agua abandona la célula.

▣ Soluciones isotónicas: tanto la célula como el fluido extracelular tienen la misma osmolaridad. Como consecuencia existe un equilibrio dinámico, es decir, se produce un intercambio constante de agua entre ambas zonas.

Transporte activo

Estos tipos de mecanismos, también denominado bombas, requieren el uso de energía por parte de la célula, normalmente en forma de trifosfato de adenosina (ATP). Este requerimiento energético es necesario, puesto que la sustancia a desplazar lo va a hacer en contra de un gradiente de concentración (es decir, la concentración de la sustancia dentro de la célula es mayor que en el fluido extracelular o viceversa).
Mediante este mecanismo se transportan moléculas de una amplia variedad de tamaños.

En los organismos vivos no solamente existen simples gradientes de concentración de sustancias, sino también un gradiente eléctrico que indica una diferencia de carga a través de la membrana celular.

El interior de la célula es eléctricamente negativo en comparación al fluido extracelular y posee mayor concentración de iones K+ y menor concentración de iones Na+ que él.
Como consecuencia de ello, los gradientes eléctricos y de concentración del Na+ tienden a dirigir este ión hacia el interior de la célula.
La situación es más compleja con los iones de K+, ya que mientras su gradiente eléctrico también tiende estos iones hacia el interior de la célula, su gradiente de concentración los dirige hacia el exterior.

Estos gradientes combinados de concentración y carga eléctrica que afectan a un ión se denominan gradientes electroquímicos.

Una adaptación importante de la membrana para el transporte activo es la presencia de proteínas específicas transportadoras (bombas) que facilitan el desplazamiento de sustancias a ambos lados de la misma. Existen tres tipos de estas proteínas o transportadores:

- Uniportadores: transportan un ión o molécula específico en un solo sentido.
- Simportadores: trasladan dos iones o moléculas diferentes en la misma dirección.
- Antiportadores: también conducen simultáneamente dos iones o moléculas distintas pero en direcciones opuestas.

Transporte activo primario

Funciona con el transporte activo de Na y K y permite que en una etapa posterior ocurra el transporte activo secundario.

Uno de los mecanismos de transporte activo más importante en las células animales es la bomba de Na+ -K+ que mantiene el gradiente electroquímico y las concentraciones adecuadas de Na+ y K+ en las células.
Durante este proceso por cada tres iones de Na+ que se expulsan al exterior de la célula, penetran dos iones de K+, con lo que el interior es ligeramente más negativo que el exterior. Esta diferencia en la carga es importante para crear las condiciones necesarias del segundo proceso.

La bomba de Na-K pertenece a las denominadas bombas electrogénicas, las cuales son bombas iónicas que generan una diferencia de potencial o de carga eléctrica entre ambos lados de la membrana celular.

Transporte activo secundario (Cotransporte)

Mediante este proceso se introducen en la célula iones Na+ y otros compuestos aprovechando el gradiente electroquímico creado en el paso anterior.
En esta clase de transporte activo un soluto que va en contra del gradiente de concentración es cotransportado con otro soluto a favor de su gradiente de concentración.
De este modo, logran entrar en la célula muchas moléculas como la glucosa o los aminoácidos.
Este proceso también se utiliza para el almacenamiento en las mitocondrias de iones de hidrógeno de alta energía para la producción de ATP.

Transporte en masa

Además de pequeñas moléculas e iones, las células también necesitan eliminar y asimilar partículas y moléculas de tamaño superior y para ello van a requerir un aporte energético. Sin embargo, estas moléculas van a ser tan grandes que incluso con la energía suministrada por la célula tampoco conseguirían atravesar la membrana celular.
Por ello, la célula emplea los siguientes mecanismos:

Endocitosis

Es un tipo de transporte activo en el que las partículas, como moléculas de gran tamaño, partes de células e incluso células enteras, son englobadas por invaginación de la membrana plasmática formando una vesícula cuyo contenido es transportado del exterior al interior del citoplasma.

Podemos destacar los siguientes tipos de endocitosis:

▣ Fagocitosis: es el proceso por el que las células o partículas grandes son ingeridas por una célula. Este es el mecanismo empleado por un tipo de glóbulos blancos denominados neutrófilos con el que rodean, envuelven y destruyen los microorganismos que invaden el cuerpo humano.

▣ Pinocitosis: es un tipo de endocitosis en el que la célula capta las moléculas que necesita del fluido extracelular. La membrana plasmática se invagina formando una vesícula alrededor del líquido del medio externo, que es incorporado en la célula y liberado en el citoplasma.
El proceso de maduración del óvulo en el útero se realiza al incorporar por pinocitosis los nutrientes que le ceden las células nodrizas que lo rodean.

▣ Endocitosis mediada por receptor: se emplean proteínas receptoras de la membrana celular que poseen una afinidad específica para unirse a ciertas sustancias.

Algunas enfermedades humanas son causadas por el mal funcionamiento de este mecanismo. Es el caso de la hipercolesterolemia familiar, en la que se carece de los receptores del colesterol malo (LDL) o son defectuosos.

Exocitosis

Proceso inverso a la endocitosis en el que se expulsa material de la célula al medio exterior.
El material de desecho es envuelto con un saco membranoso que se fusiona con la membrana plasmática y posteriormente se abre para liberar su contenido al medio extracelular.
La secreción de neurotransmisores mediante vesículas en la brecha sináptica de las neuronas sigue este mecanismo.

[1] Diferencia en la concentración de moléculas entre dos regiones.
[2] Describe la concentración total de soluto de una solución.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
  http://www.educ.ar/sitios/educar/recursos/ver?id=14378
  http://sevendaysperweek.blogspot.com.es/2015/09/spm-biology-3-movement-of-substances_20.html
  http://cbc.arizona.edu/classes/bioc462/462a/NOTES/LIPIDS/transport.html
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd ed., 2000
  http://es.slideshare.net/exitoinevitable/clulas-31270712
  https://micro.magnet.fsu.edu/cells/endosomes/endosomes.html

1.4.2. Normas de buenas prácticas clínicas (BPC)

noreply@blogger.com (David Funes) — Sat, 30 Apr 2016 10:59:00 +0000

Según la normativa española y europea todos los ensayos clínicos deben realizarse de acuerdo con las normas de buenas prácticas clínicas (BPC) que constituyen una garantía para la protección del paciente y para los resultados de los ensayos.

Las normas de BPC de la Conferencia Internacional de Harmonización (ICH)^[1] son exigidas por las autoridades europeas desde 1996 y también han sido adoptadas por EEUU y Japón. Son un conjunto de requisitos de calidad científicos y éticos reconocidos a escala internacional que deben cumplirse en la planificación, realización, registro y comunicación de los ensayos clínicos donde participan seres humanos.
Estas normas deben asegurar los derechos, seguridad y bienestar de los sujetos del ensayo y la fiabilidad de los resultados.

Las BPC surgen de la necesidad de conciliar los intereses del sujeto que recibe el tratamiento y el interés de la sociedad en aumentar el conocimiento sobre los medicamentos.

Las partes implicadas en un ensayo clínico son las siguientes:

▣ Promotor: persona jurídica o física interesada en realizar un ensayo clínico y responsable del mismo. Normalmente se trata de una multinacional farmacéutica.

▣ Comités éticos: pertenecen al centro donde se realiza la investigación.

▣ Agencias reguladoras: pertenecen a la Administración.
Estos dos últimos deben aprobar el protocolo y supervisar el desarrollo del ensayo. Las agencias además evalúan los resultados de la investigación para autorizar la posterior comercialización del medicamento.

▣ Investigador: realiza o dirige la investigación del ensayo, suele ser un médico o personal sanitario que evalúa la respuesta del compuesto objeto de estudio.

▣ Monitor: responsable del seguimiento directo de la realización del ensayo. Intermediario entre el promotor y el investigador, debe garantizar la trazabilidad de todo lo acontecido en el ensayo.

▣ Paciente: sujeto participante en la investigación que generalmente padece la enfermedad de interés.

En ocasiones, la gestión y monitorización del ensayo la proporcionan unas empresas denominadas CROs (compañías de investigación por contrato).

Tras la II Guerra Mundial se promulgó el Código de Nuremberg en el que se establecen los principios de investigación clínica en seres humanos y que son:

▣ Autonomía: principio de respeto a los sujetos, tratados como personas autónomas con libre capacidad para decidir si quieren participar en el ensayo clínico.
El consentimiento informado (CI)^[2] firmado por el paciente forma parte del cumplimiento de este principio.

▣ Beneficencia: el médico está obligado a hacer el bien y el bienestar del paciente, así como su máximo beneficio.

▣ No maleficencia: evitar pruebas clínicas perjudiciales para el paciente.

▣ Justicia: los resultados obtenidos deben revertir en las personas que sufran las cargas del ensayo. Por ejemplo, este principio no se cumpliría si un país del tercer mundo, donde se realiza un ensayo, no se beneficiase del tratamiento por el alto coste del mismo.

Fase IV de la investigación clínica

Una vez comercializado el fármaco, se continúa investigando para seguir aumentando el conocimiento acerca de su seguridad y efectividad, identificar nuevos riesgos y reacciones adversas no detectadas en investigaciones previas.
El conjunto de estudios y ensayos controlados y aleatorizados que se llevan a cabo en este punto se denomina fase IV del ensayo clínico.

Los estudios epidemiológicos (observacionales) más frecuentes tras la autorización del fármaco son los de casos y controles y los de cohortes.

Finalmente, existe el programa de notificación de reacciones adversas a medicamentos (RAM), mediante las denominadas tarjetas amarillas, obligatorio para los profesionales médicos y que actualmente también pueden ser cumplimentadas por los pacientes. Estas tarjetas se emplean especialmente cuando el medicamento ha sido recientemente comercializado.

Constan de varios apartados entre los que se encuentran los datos personales del paciente (nombre o iniciales, edad, sexo, peso, altura...), datos de la medicación sospechosa de la reacción adversa, descripción de esa reacción, observaciones adicionales y los datos del notificador (nombre, profesión, centro de trabajo...).

[1] Armoniza los distintos requerimientos regionales para el registro de productos farmacéuticos.
[2] El sujeto participante en el ensayo es informado a través de este documento en un lenguaje asequible de los pormenores del ensayo, sus ventajas e inconvenientes, pudiendo abandonarlo libremente en cualquier momento.

Fuentes: CEU Universidad San Pablo: Farmacología Básica, 2013.
http://www.ub.edu/sdm/tertulies/armonizacion_y_ich.pdf
http://www.ich.org/home.html

4.1.2. El sistema endomembranoso. El citoesqueleto

noreply@blogger.com (David Funes) — Sun, 17 Apr 2016 16:09:00 +0000

El sistema endomembranoso es un grupo de orgánulos y membranas que trabajan conjuntamente para modificar, empaquetar y transportar proteínas y lípidos. Incluye al envoltorio nuclear, lisosomas y vesículas, que ya hemos mencionado en la entrada anterior: “Células procariotas y eucariotas. Sus principales componentes”, el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi.

Retículo endoplasmático

Se trata de una serie de sacos membranosos y túbulos interconectados que de manera colectiva modifican proteínas y sintetizan lípidos. Estas dos funciones se llevan a cabo en dos áreas distintas: el retículo endoplasmático rugoso y el retículo endoplasmático liso.

Retículo endoplasmático rugoso (RER)

Recibe este nombre debido al aspecto que le confiere los ribosomas pegados a su superficie citoplasmática.
Los ribosomas transfieren las proteínas que sintetizan al lumen del RER donde se someten a modificaciones para posteriormente ser incorporadas en la membrana celular o secretadas fuera de la célula a través de vesículas que surgen de la membrana del RER.
Estos procesos ocurren con hormonas, enzimas e incluso algunos fosfolípidos generados por el RER y que van a formar parte de las membranas celulares.
El retículo endoplasmático rugoso se halla de manera abundante en células que segregan una gran cantidad de proteínas como las células hepáticas.

Retículo endoplasmático liso (REL)

El retículo endoplasmático liso es continuo al rugoso con la diferencia de que posee pocos o ningún ribosoma en su superficie citoplasmática.
Entre sus funciones se hallan la síntesis de carbohidratos, lípidos, hormonas esteroideas, desintoxicación de venenos y medicamentos y almacenamiento de iones de calcio.
En las células musculares recibe el nombre de retículo sarcoplasmático (RS) encargado de almacenar iones de calcio necesarios para la contracción de las células musculares.

Aparato de Golgi

Antes de alcanzar su destino las proteínas y lípidos transportados por las vesículas del RE han de ser etiquetadas, clasificadas, empaquetadas y distribuidas. Estas funciones son desempeñadas por el aparato de Golgi que consta de una serie de membranas aplanadas o cisternas.
El lado receptor del aparato de Golgi se denomina cara cis o de entrada y el lado opuesto cara trans o de salida.

A medida que las proteínas y los lípidos viajan a través del aparato de Golgi están sometidas a una serie de modificaciones que permiten clasificarlas. La más habitual de todas ellas es la adición de cadenas cortas de moléculas de azúcar.

Posteriormente, se etiquetan con grupos fosfatos u otras moléculas pequeñas para que sean dirigidas a sus destinos correspondientes.
Finalmente, se empaquetan en vesículas secretoras que surgen de la cara trans del aparato de Golgi. Algunas de ellas se depositan en otras partes de la célula, mientras que otras se fusionan con la membrana celular y liberan su contenido al exterior.

Células como las del sistema inmunitario que segregan anticuerpos se caracterizan por su abundancia en aparatos de Golgi.

Lisosomas

Además de su papel digestivo y de reciclaje de orgánulos, los lisosomas también forman parte del sistema endomembranoso.
Los lisosomas emplean sus enzimas hidrolíticas para destruir patógenos que penetran en la célula.
Un ejemplo de lisosomas lo constituyen un tipo de glóbulos blancos denominados macrófagos, que mediante fagocitosis o endocitosis invagina (pliega y dobla) su membrana celular para envolver y englobar al patógeno, que posteriormente es destruido bajo la acción de las enzimas hidrolíticas de los lisosomas.

EL CITOESQUELETO

Es el conjunto de fibras de proteínas que mantienen la forma de la célula, fijan los orgánulos en posiciones concretas, permite a las vesículas moverse dentro de la célula y posibilita que las células de los organismos multicelulares puedan desplazarse.

Microfilamentos

De los tres tipos de fibras de proteínas del citoesqueleto, los microfilamentos son los más estrechos con un diámetro de alrededor 7 nm.
Consisten en dos hebras entrelazadas de la proteína actina, por lo que también se conocen como filamentos de actina.
Intervienen en procesos que requieren movimiento como la división celular en las células animales. También proporcionan rigidez y forma a la célula.

Filamentos intermedios

Su función es puramente estructural, soportan tensión y fijan el núcleo y otros orgánulos en sus posiciones correspondientes.
Su diámetro se sitúa entre los 8 y los 10 nm y consisten en varias hebras de fibras proteicas enrolladas entre sí.
Los filamentos de queratina son los más conocidos de todos ellos, entre cuyas funciones se encuentran fortalecer las uñas, la epidermis de la piel y el cabello.

Microtúbulos

Entre las actividades más importantes desarrolladas por los microtúbulos encontramos el desplazamiento de los cromosomas replicados a extremos opuestos de la célula durante la división celular. También proporcionan una vía sobre la que se mueven las vesículas en la célula y la ayudan a soportar la compresión.
Son los componentes más grandes del citoesqueleto con un diámetro de 25 nm.

Flagelos y cilios

Los flagelos son apéndices movibles de larga longitud que se extienden desde la membrana plasmática y permiten el desplazamiento de las células que los poseen (p.ej., espermatozoides).

Los cilios, por el contrario, son de corta longitud y se extienden en gran número por toda la superficie de la membrana plasmática.
Al igual que los flagelos posibilitan el traslado de células (paramecios) o sustancias sobre la superficie externa de la célula, como por ejemplo los cilios que recubren las trompas de Falopio que desplazan el óvulo hacia el útero.

CONEXIONES CELULARES

Como puedes imaginar, si las células tienen que trabajar juntas deben comunicarse entre ellas, veamos qué medios y métodos utilizan para ello.

Matriz extracelular de células animales

La matriz extracelular tiene como funciones fundamentales mantener las células unidas para formar un tejido y la comunicación celular en el mismo.
Se compone principalmente de un tipo de proteína denominada colágeno entrelazada con otros tipos de proteínas que contienen carbohidratos (proteoglicanos).

De manera general, la comunicación celular se realiza del siguiente modo:
Las células cuentan con unos receptores en la superficie de sus membranas plasmáticas. Cuando una molécula dentro de la matriz se une al receptor, modifica su estructura molecular. El receptor, a su vez, modifica la conformación de los microfilamentos situados dentro de la membrana. Estos cambios generan señales químicas que alcanzan el núcleo, activando y desactivando la transcripción de secciones específicas del DNA, lo cual afecta la producción de las proteínas asociadas con esa transcripción.

Las células también pueden comunicarse mediante contacto directo a través de las uniones intercelulares formadas por distintos tipos de proteínas. En las células animales estas uniones son de tres clases:

▣ Uniones estrechas u ocluyentes: sellan las membranas plasmáticas de células adyacentes creando una barrera impermeable entre ellas. Forman parte, por ejemplo, de las células epiteliales de la vejiga urinaria. Sus componentes principales son las proteínas claudinas y ocludinas.

▣ Desmosomas: actúan como puntos de soldadura entre las células epiteliales de tejidos y órganos sometidos a contracción como la piel, el corazón y los músculos. Están constituidas por unas proteínas de longitud corta denominadas cadherinas.

▣ Uniones de hendidura: funcionan como poros o canales que permiten el transporte de nutrientes e iones. Son especialmente importantes en el músculo cardíaco, donde posibilitan el paso de la señal eléctrica que contrae el músculo.
Están formadas por un grupo de seis proteínas llamadas conexinas que se disponen en la membrana plasmática en una configuración con forma de dónuts conocida como conexón.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
  http://www.oncoursesystems.com/images/user/9341/10845583/rough%20er.bmp
  http://apocketmerlin.tumblr.com/post/14923100822/a-summary-of-the-functions-of-major-eukaryotic
  http://iesicaria.xtec.cat/~SBG/BiologiaCurtis/Seccion%201/1%20-%20Capitulo%205.htm
  https://ohhaitrish.wordpress.com/2012/02/12/unit-one-compilation/

4.1.1. Células procariotas y eucariotas. Sus principales componentes

noreply@blogger.com (David Funes) — Sun, 10 Apr 2016 18:36:00 +0000

Una vez hemos estudiado los distintos tipos de macromoléculas biológicas, las cuales constituyen los principales componentes de la estructura celular, estamos en disposición de abordar un nuevo apartado dentro de esta sección: la biología celular.

Del mismo modo que los ladrillos son los componentes básicos de construcción de un muro, las células son los componentes de construcción de los organismos vivos.

Existe una enorme variedad de células, cada una especializada con una función determinada en el crecimiento, desarrollo y el mantenimiento diario del organismo, pero todas ellas comparten unas características fundamentales.
Entre los diversos tipos de células encontramos las del sistema inmune que nos protegen de infecciones bacterianas, las sanguíneas que transportan oxígeno y nutrientes a todo el organismo o las epiteliales que protegen la superficie del cuerpo y cubren órganos y cavidades corporales.

La célula es considerada la unidad más pequeña de un ser vivo. Cuando varias de ellas del mismo tipo se interconectan compartiendo una función forman un tejido, varios tejidos forman un órgano y varios órganos constituyen un sistema (nervioso, circulatorio, digestivo). Por último, es la unión de varios sistemas que funcionan coordinadamente la que da lugar a un organismo como el ser humano.

Las células se dividen en dos grandes grupos: procariotas y eucariotas. Pero todas ellas poseen cuatro componentes: la membrana plasmática que la protege del exterior, el citoplasma consistente en el citosol con una consistencia gelatinosa sobre el que se encuentran otros componentes celulares, el DNA que contiene la información genética de la célula y los ribosomas que sintetizan proteínas.

En las células procariotas, el organismo (en la mayoría de las ocasiones unicelular) carece de un núcleo, con lo que el DNA se encuentra en la parte central de la célula denominada nucleoide. A esta categoría pertenecen las bacterias y las arqueas^[1].

Por el contrario, las células de protistas^[2], de hongos, plantas y animales son eucariotas, las cuales se diferencian de las anteriores al tener un núcleo que engloba su material genético (DNA) rodeado por una membrana, numerosos orgánulos^[3] limitados por membranas y varios cromosomas en forma de bastón.

Debido al propósito de este blog, me centraré exclusivamente en los componentes y funciones de las células eucariotas y dentro de éstas en las células animales.

La membrana plasmática

Comenzamos el estudio de los distintos componentes de la célula con la membrana plasmática, la cual separa el contenido interior de la célula del ambiente externo.

Consiste en una bicapa lipídica con numerosas proteínas insertadas en ella, que se encarga del control del paso entre el interior y el exterior de la célula de agua, iones, oxígeno, moléculas orgánicas y la eliminación de desechos como el dióxido de carbono y el amoníaco.

Un ejemplo de membranas plasmáticas especializadas en la tarea de absorción lo constituyen las microvellosidades de la pared del intestino delgado, que absorben los nutrientes de la comida digerida. En el caso de los celíacos, el consumo de gluten (proteína hallada en algunos cereales) produce una respuesta inmune que ataca estas células originando malnutrición, dolor abdominal y diarreas.

El citoplasma

El citoplasma es la región comprendida entre las membranas nuclear y plasmática. Posee una consistencia semisólida y gelatinosa que se denomina citosol, en el que se encuentran suspendidos los orgánulos.

También forman parte del citoplasma el citoesqueleto y varias sustancias bioquímicas, aminoácidos, ácidos grasos y nucleicos, polisacáridos, azúcares simples e iones de calcio, sodio y potasio.
En el citoplasma se producen una gran cantidad de reacciones metabólicas como la síntesis de proteínas.

El núcleo

El núcleo es el orgánulo más prominente de la célula, alberga el DNA y dirige la síntesis de proteínas y ribosomas.

Envoltura nuclear

Se trata de una estructura de doble membrana, en la que tanto la membrana interior como la exterior están formadas por bicapas fosfolipídicas (para recordar en qué consisten estas bicapas, visita la entrada: "Lípidos").
Esta estructura cuenta con un conjunto de poros para facilitar el paso del RNA, moléculas e iones entre el citoplasma y el nucleoplasma.
El nucleoplasma es el fluido semisólido que se localiza en el interior de la membrana nuclear donde se encuentran la cromatina y el nucleolo.

Cromosomas y cromatina

Los cromosomas en las células eucariotas son estructuras del interior del núcleo compuestas de DNA y por tanto, del material genético hereditario.
Cada especie eucariota tiene un número determinado de cromosomas en el núcleo de sus células, que en el caso de los humanos es 46 (23 pares).

Los cromosomas sólo son distinguibles cuando la célula está a punto de iniciar el proceso de división celular. Cuando la célula se encuentra en las otras fases de su ciclo vital, los cromosomas se unen a unas proteínas (histonas) formando un complejo con aspecto de una madeja enmarañada conocida como cromatina.
La cromatina describe la materia que compone los cromosomas cuando se hallan tanto en estado condensado como no condensado.

Nucleolo

El nucleolo es aquella parte del núcleo que agrega el RNA ribosómico a ciertas proteínas asociadas para ensamblar las subunidades ribosómicas. Estas subunidades se transportan posteriormente al citoplasma donde se unen y de esta manera es cómo el núcleo realiza una de sus principales funciones, la síntesis de ribosomas.

Ribosomas

Son los orgánulos responsables de la síntesis de proteínas. Se componen de dos subunidades: mayor y menor.
Pueden encontrarse formando grupos o de manera individual junto a la cara citoplasmática de la membrana plasmática, del retículo endoplasmático o pegados a la membrana exterior de la envoltura nuclear.

Los ribosomas reciben la orden por parte del núcleo para producir proteínas mediante el DNA que es transcrito en mRNA y éste llega al ribosoma. Allí, el código proporcionado por las bases nitrogenadas del mRNA es traducido en una serie de aminoácidos de acuerdo a un orden específico y constituyendo asi la proteína requerida.

Los ribosomas van a ser abundantes en aquellas células encargadas de sintetizar grandes cantidades de proteínas, como es el caso de las células pancreáticas encargadas de la producción de varias enzimas digestivas.

Mitocondrias

Las mitocondrias, a menudo denominadas las plantas energéticas de las células, se responsabilizan de la producción de la molécula energética más importante de las células: el ATP (trifosfato de adenosina). Esta molécula se origina durante la respiración celular a partir de la energía química de la glucosa y otros nutrientes. Durante este proceso emplea oxígeno y produce dióxido de carbono como residuo que se expulsa del organismo cuando exhalamos en la respiración pulmonar.

Las mitocondrias tienen forma oval con una doble membrana (bicapa fosfolípídica con proteínas insertadas) y poseen sus propios ribosomas y DNA.
Su capa interna tiene una serie de pliegues llamadas crestas mitocondriales rodeadas por la matriz mitocondrial, ambas con diferentes funciones en la respiración celular.

Peroxisomas

Son orgánulos pequeños, esféricos, rodeados por una membrana monocapa.
Desempeñan reacciones de oxidación que descomponen aminoácidos y ácidos grasos, así como la desintoxicación de los venenos que entran en nuestro organismo.
Por ejemplo, los peroxisomas de las células hepáticas son las encargadas de la desintoxicación del alcohol que consumimos.

Vesículas y vacuolas

Son orgánulos en forma de saco cuya función es el transporte y almacenamiento. Las diferencias entre ambas se encuentra fundamentalmente en sus distintos tamaños (las vacuolas son mayores) y en el hecho de que las membranas de las vesículas pueden fusionarse con la membrana plasmática o con las membranas de otros componentes dentro de las células.

Centrosoma

Es un centro organizador de microtúbulos (COMT) localizados cerca de los núcleos de las células animales.
Constan de dos estructuras perpendiculares entre sí, conocidas como centriolos. Estos centriolos son cilindros de nueve tripletes de microtúbulos cada uno.

El centrosoma se replica antes de comenzar la división celular y los centriolos desplazan los cromosomas duplicados a los polos opuestos de la célula durante la fase de división.

Lisosomas

Son los depósitos de basura de las células animales. Su pH es más ácido que el del citoplasma, lo que favorece que sus enzimas sean más activas y ayuden a la degradación de ácidos nucleicos, lípidos, polisacáridos e incluso el reciclaje de orgánulos que ya no son necesarios para la célula englobándolos y digiriéndolos.

[1] Microorganismos unicelulares parecidas a las bacterias.
[2] Organismos unicelulares que en ocasiones forman colonias.
[3] Pequeños órganos especializados en funciones celulares, de modo similar a los órganos de nuestro cuerpo.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
  http://michelleburden.weebly.com/cell-types-prokaryotes-v-eukaryotes-plant-v-animal.html
  http://cosbiology.pbworks.com/w/page/11556247/Lesson%204-02%20Prokaryotes%20and%20Eukaryotes
  http://ernsstev.com/bilayer-pattern-in-cell-membrane/
  http://www.biologyexams4u.com/2012/11/difference-between-chromatin-and.html#.Vu1BANI7uSp
  http://jptregularbio.pbworks.com/w/page/79985510/Cells
  https://oggisioggino.wordpress.com/2013/11/01/las-celulas-procariotas-y-eucariotas/
  http://www.studyrankers.com/2015/06/cell-the-unit-of-life-class-11th-ncert-solutions.html

1.4.1. Investigación clínica: Resumen

noreply@blogger.com (David Funes) — Thu, 31 Mar 2016 15:04:00 +0000

Aquellos compuestos que han llegado a superar la fase preclínica con buenas perspectivas pasan a investigarse en seres humanos (investigación clínica).
Este tipo de investigación tiene importantes connotaciones de índole científica, ética, social y económica.

En todas las sociedades avanzadas es obligatorio demostrar la eficacia y seguridad de los medicamentos antes de su comercialización, tarea que se lleva a cabo mediante los ensayos clínicos.

El ensayo clínico se define como toda investigación en seres humanos para determinar o confirmar los efectos clínicos, farmacológicos, farmacodinámicos y/o detectar reacciones adversas y/o estudiar la absorción, distribución, metabolismo y excreción de un medicamento con el fin de determinar su seguridad y eficacia.

Los ensayos clínicos se basan en una amplia documentación y regulación tanto nacional como internacional y una serie de códigos éticos, declaraciones y convenios internacionales.

En los últimos cincuenta años se han producido cientos de miles de compuestos, pero tan sólo un 10% de ellos superaron la evaluación clínica e incluso dentro de este grupo algunos fueron retirados tras su comercialización debido a las continuas revaluaciones en su seguridad y eficacia.

La metodología de la investigación clínica puede realizarse de modo:

▣ Experimental: En el ensayo experimental, el investigador diseña el estudio, selecciona los pacientes, establece los tratamientos y variables a analizar.

▣ Observacional: El investigador es mero observador de lo sucedido, sin alterar e intervenir la práctica clínica habitual.

Dentro de los ensayos experimentales encontramos:

▣ Ensayos randomizados en el que los pacientes forman parte de un tratamiento u otro de manera aleatoria. Utilizar el azar para adjudicar los pacientes a un tratamiento determinado es el procedimiento exigido por las agencias reguladoras para así, evitar el sesgo en la interpretación de los datos obtenidos antes de conceder la autorización para la puesta en el mercado del medicamento.

▣ Ensayos no randomizados en los que los pacientes no se distribuyen de manera aleatoria.

Entre los estudios observacionales que se realizan tras la comercialización del fármaco para desarrollar el perfil completo de eficacia y seguridad destacan:

▣ Casos y controles: los participantes se seleccionan en función de que tengan o no una determinada enfermedad y se investiga si estuvieron expuestos o no a una característica de interés, comparando el grupo de expuestos con el grupo de control.

▣ Cohortes: se hace una comparación de la frecuencia de una enfermedad entre dos poblaciones, una expuesta a un factor de riesgo y la otra libre de él.

▣ Transversales: examina la relación entre una enfermedad y una serie de variables en una población determinada y en un momento del tiempo.

Los ensayos clínicos pasan cronológicamente por tres fases hasta la autorización o comercialización del medicamento. Una vez comercializado, se pasa a la fase IV que dura toda la vida útil del medicamento, en la cual puede producirse la retirada del mismo si se detectan características desfavorables desconocidas en las tres fases previas del ensayo. Estos nuevos efectos pueden descubrirse al emplearse el fármaco en un entorno real de práctica clínica administrándose a miles de pacientes.

La eficacia medida en estas condiciones reales de la práctica asistencial se denomina efectividad, diferenciándola de esta manera de la eficacia medida previamente a la distribución del medicamento.

Fuentes: CEU Universidad San Pablo: Farmacología Básica, 2013.
http://cmidd.northwestern.edu/about/drug-discovery-and-development-process/
http://indacea.org/desarrollo-de-medicamentos-1/

3.5. Ácidos nucleicos

noreply@blogger.com (David Funes) — Wed, 23 Mar 2016 17:39:00 +0000

Los ácidos nucleicos DNA y RNA son las macromoléculas biológicas más importantes para la continuidad de la vida.
La molécula de DNA contiene el material genético de todos los organismos, desde las bacterias hasta los organismos celulares como los mamíferos.

En las células procariotas no se encuentra encerrado dentro del interior de ninguna envoltura membranosa, pero sí en las células eucariotas donde se halla en el núcleo y en algunos orgánulos de la misma.
En este segundo tipo de células, el DNA junto con unas proteínas, denominadas histonas, forma la cromatina que es la sustancia que compone los cromosomas eucarióticos que pueden contener decenas de miles de genes.
El DNA es el encargado de controlar la actividad de la célula, activando y desactivando los genes correspondientes.

El otro tipo de ácido nucleico, el RNA, está relacionado principalmente con la síntesis de proteínas y su regulación mediante la acción de tres tipos diferentes de RNA (rRNA o RNA ribosómico, tRNA o RNA de transferencia y el microRNA). La cuarta categoría de RNA, el mRNA o RNA mensajero, sirve de intermediario para la comunicación entre el DNA y el resto de la célula.

Los nucleótidos son los monómeros de los ácidos nucleicos que al combinarse dan lugar a sus polinucleótidos (DNA y RNA). Cada nucleótido posee tres componentes: una base nitrogenada que se une a una molécula de azúcar (pentosa) que a su vez se une a un grupo fosfato.

Las bases nitrogenadas son moléculas orgánicas que contienen carbono (C) y nitrógeno (N) y se dividen en cinco tipos: adenina (A) y guanina (G) conocidas como purinas que poseen dos anillos fusionados de C-N. La citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U) son denominadas pirimidinas con un único anillo C-N.
En ambos tipos de bases nitrogenadas sus anillos C-N se encuentran unidos a diferentes grupos funcionales.

El DNA se encuentra constituido por A, T, G y C, en cambio en el RNA la timina (T) es sustituida por el uracilo (U).

Otra diferencia entre ambos ácidos nucleicos es que la molécula de azúcar del DNA es una desoxirribosa (con un H en su segundo átomo de carbono) y en el RNA se trata de una ribosa (con un grupo hidroxilo en ese segundo átomo).

Los átomos de carbono de la molécula de azúcar se numeran como 1´, 2´, 3´, 4´ y 5´. El residuo fosfato se une al grupo hidroxilo del carbono 5´ de una molécula de azúcar y al carbono 3´ de la molécula de azúcar del siguiente nucleótido, estableciendo un enlace fosfodiéster.

Estructura de doble hélice del DNA

En la estructura de doble hélice del DNA, el azúcar y el fosfato se sitúan en el exterior de la misma, mientras que las bases nitrogenadas se disponen en su interior formando pares, como los escalones de una escalera, unidos por puentes de hidrógeno , de tal modo que la A sólo se puede emparejar con la T y la G con la C. Esta regla se conoce como regla de complementariedad de las bases nitrogenadas.
Cada uno de estos pares está separado por 0.34 nm; ambas hebras corren en direcciones opuestas, estando el carbono 5´ de una de las hebras opuesto al carbono 3´ de la hebra complementaria.

Durante la replicación del DNA, cada una de las cadenas se separa sirviendo de molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria, de modo que cada nueva doble hélice contiene una hebra del DNA original y una nueva hebra sintetizada.

RNA

Normalmente el RNA se compone de una cadena de ribonucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Estos ribonucleótidos, a su vez, contienen una ribosa (azúcar pentosa), una de la cuatro bases (A, U, G y C) y un grupo fosfato.

El DNA que controla toda la actividad de la célula emplea de los cuatro tipos de RNA al mRNA (RNA mensajero) para transmitir su mensaje.
Así, si una célula requiere cierta proteína, el gen para ello se activa y se sintetiza en el núcleo el mRNA.
Este mRNA tiene una secuencia complementaria a la del DNA del cual ha sido copiado.
El mRNA atraviesa la membrana nuclear, llega al citoplasma y allí interacciona con los ribosomas y otra maquinaria celular.
Para producir la proteína requerida el mRNA es leído en grupos de tres bases nitrogenadas conocidas como codones, donde cada uno de ellos codifica un único aminoácido.

Otro tipo de RNA, el RNA ribosómico (rRNA) se encarga del alineamiento adecuado entre el mRNA y los ribosomas. También posee una actividad enzimática y cataliza la formación de enlaces peptídicos entre dos aminoácidos alineados.

El RNA de transferencia (tRNA) se ocupa de transportar el aminoácido correcto al lugar de la síntesis proteica. El apareamiento entre bases del tRNA y el mRNA permite que el aminoácido apropiado se inserte en la cadena polipeptídica.

Por último, el microRNA (el más pequeño de todos los tipos de RNA) se ocupa de la regulación de la expresión génica al interferir con la expresión de ciertos mensajes del mRNA.

Por tanto, en un organismo la información pasa del DNA al RNA y de éste a las proteínas. Durante la primera etapa (transcripción), el DNA dicta la estructura del mRNA y durante la segunda (traducción) es el RNA el que dicta la estructura de una proteína concreta.
Todo este proceso se conoce como el dogma central de la biología molecular que es válido para todos los organismos vivos, aunque con excepciones relacionadas con las infecciones víricas.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
  https://www.windowssearch-exp.com/images/search?q=Antiparallel+DNA+Replication&view=detailv2&&id=CE5B36CC30
3DB6E9F7C902454DF516328A0882B8&selectedIndex=1&ccid=uEIdkd5u&simid=608029733518446573&thid=OIP.Mb84
21d91de6e5ee9db88b338c5b77e9aH0&ajaxhist=0
  http://www.scienceprofonline.com/genetics/ribonucleic-acid-rna-structure-and-function.html
  http://guia.bio.br/tag/purinas/
  http://www.discoveryandinnovation.com/BIOL202/notes/lecture12.html
  http://www.ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-chemicals-of-life/35-transcription-and-transl.html
  http://thelessonlocker.com/kvhs/biology/biology.html

2.2. Microscopio de fuerza atómica (AFM)

noreply@blogger.com (David Funes) — Tue, 08 Mar 2016 16:20:00 +0000

En la entrada titulada “Aproximación top-down y bottom-up” mencioné que, para poder realizar observaciones y manipular objetos en el mundo extremadamente pequeño de la nanoescala fue necesario el desarrollo de dispositivos que permitiesen la visualización de las muestras a escala atómica. Estos dispositivos son los denominados microscopios de sonda de barrido (SPMs), con los que se obtienen imágenes tridimensionales de las superficies estudiadas a muy alta resolución sin necesidad de dañar la muestra, a diferencia de lo que ocurre en muchas ocasiones con los microscopios electrónicos de transmisión (TEMs).

Estos microscopios de sonda de barrido se clasifican, básicamente, en dos tipos:
los microscopios de efecto túnel (STMs), que estudiamos en la entrada anterior de esta sección, y los de fuerza atómica, que abordamos a continuación.

Los microscopios de fuerza atómica (en inglés, AFMs) se basan en el siguiente principio de funcionamiento:
La topografía de la muestra es rastreada por una micropalanca o listón de unos centenares de micrones (micrómetros), fabricado en silicio o nitruro de silicio, cuyo extremo posee una punta extremadamente aguda con un radio de curvatura del orden de unos pocos nanómetros.

Cuando esta punta se aproxima a la superficie de la muestra, las fuerzas que se establecen entre ambas producen la deflexión de la micropalanca siguiendo la ley de Hooke^[1].
Dependiendo del tipo de interacción punta-muestra (si existe contacto o no), las fuerzas medidas por los AFMs son de muy diverso tipo: electrostáticas, magnéticas, de Van der Waals, fuerzas de capilaridad...
La flexión experimentada por la palanca es medida usando un haz láser enfocado sobre la superficie superior del listón y reflejado a un conjunto de fotodiodos que detectan el desplazamiento del punto láser.

A diferencia de los STMs, los AFMs pueden emplearse en el estudio de aislantes eléctricos, y dependiendo del tipo de aplicación realizan dos tipos de mediciones: de imagen (que a su vez se divide en modo contacto y modo dinámico) y de fuerza.

Modo de contacto

En este modo de operación, la deflexión de la punta se mantiene invariable durante el escaneo de la superficie, al mantenerse constante la fuerza entre la muestra y la punta. Esta deflexión de la punta estática se utiliza como señal de retroalimentación.
Como principales ventajas presenta una velocidad de barrido relativamente rápida y la posibilidad de rastrear muestras irregulares. Por el contrario, su principal inconveniente es que puede dañar las muestras biológicas (blandas y delicadas), por lo que los especimenes deben encontrarse fuertemente adheridos a la superficie de observación.

Modo dinámico

En el modo dinámico, la punta de la micropalanca no entra en contacto con la superficie de la muestra. En su lugar el listón oscila a su frecuencia de resonancia o ligeramente por encima de ella mediante un actuador^[2] piezoeléctrico que determina la altura de la punta sobre la muestra.

La interacción punta-muestra modifica la amplitud y la frecuencia de resonancia. Dependiendo de cuál de estas dos propiedades se mantenga constante durante el barrido de la superficie tenemos:

▣ El modo de no contacto donde se mantiene estable la frecuencia de resonancia. Está especialmente recomendado para el estudio de muestras biológicas blandas y películas orgánicas delgadas y además, al no producirse contacto pueden ser sometidas a innumerables análisis sin que sufran degradación.
Entre sus desventajas, encontramos que la resolución de las imágenes obtenidas no es muy alta y deben examinarse en ambientes de ultra alto vacío (UHV), ya que la posible presencia de contaminantes sobre la superficie de la muestra interferiría en la correcta oscilación de la palanca, y consecuentemente, en la obtención de imágenes de óptima calidad.

▣ El modo de repiqueteo se produce cuando es la amplitud de resonancia la que no varía.
Este método permite captar imágenes de alta resolución en aquellas muestras que sean susceptibles de ser fácilmente dañadas o se adhieran débilmente a la superficie de análisis. Su principal desventaja es que el escaneo necesita efectuarse a velocidades más lentas.

Modo de fuerza

En las medidas de fuerza la punta oscila verticalmente mientras se registra la deflexión de la palanca.
Este método tiene como principales aplicaciones el examen de interacciones específicas entre moléculas (antígeno-anticuerpo o entre las hebras complementarias del DNA), interacciones estructurales (plegado de proteínas) o el estudio de la elasticidad de polímeros.

[1] Esta ley establece que el alargamiento de un material es directamente proporcional a la fuerza aplicada sobre el mismo.
[2] Dispositivos mecánicos cuya función es proporcionar fuerza para mover otro dispositivo mecánico.

Fuentes: http://www.dme-spm.com/funktion.html
  https://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_de_fuerza_at%C3%B3mica
  http://www.phy.mtu.edu/nue/images/atomicforce/Nanoscope2.jpg
http://slideplayer.com/slide/6856881/
  http://www.biozentrum.unibas.ch/research/groups-platforms/overview/unit/lim/

1.3.6. Reposicionamiento de fármacos

noreply@blogger.com (David Funes) — Mon, 29 Feb 2016 17:07:00 +0000

Hasta ahora hemos estudiado los fundamentos concernientes al proceso de descubrimiento de fármacos.
Hemos visto como al comienzo se realizaban estos descubrimientos de manera inesperada y casi casual, para posteriormente pasar al enfoque metodológico basado en la identificación de blancos o dianas terapéuticas que rige en la actualidad.
Aunque todavía se desconoce la manera en la que se descubrirán los medicamentos del futuro, no cabe duda de que los fármacos biológicos, genéticos y basados en el cribado fenotípico^[1] irán adquiriendo un papel cada vez más importante.

Pero existe otra área creciente dentro del proceso de desarrollo de medicamentos, que si bien no involucra a la etapa de descubrimiento debería ser, no obstante, mencionada. Se conoce comúnmente como reposicionamiento de fármacos, y consiste en darle a un compuesto ya conocido un nuevo uso.
Esta práctica consiste en sacar del amplio catálogo de medicamentos archivados aquellos que no hayan logrado superar los ensayos clínicos o incluso hayan sido comercializados para tratar en esta ocasión una enfermedad distinta.

La principal ventaja que encuentran los formuladores farmacéuticos en reexaminar estos compuestos se basa en que sus propiedades químicas y su perfil de seguridad se encuentra bien estudiado y entendido, con lo que se reducen considerablemente las posibilidades de fracaso en etapas posteriores del proceso.

Los fármacos preexistentes pueden reposicionarse principalmente de dos maneras:

La primera de ellas consiste en emplearlos con nuevas o diferentes dianas terapéuticas. En muchas ocasiones, algunos fármacos son archivados porque se les considera demasiado “sucios”, o en otras palabras, se unen a demasiadas dianas y presentan múltiples efectos secundarios indeseados. Pudiera ocurrir que con una dosis o en una ruta de administración distinta actuasen sobre un nuevo blanco, y por tanto ser utilizados para tratar otro tipo de afección.

El segundo modo de reposicionamiento se basa en tomar un fármaco y una diana conocidos para usarlos con una enfermedad diferente.
Un ejemplo, lo encontramos en el medicamento denominado finasterida, que originalmente se destinó para tratar el agrandamiento de la próstata y más tarde se encontró que detenía, o incluso, revertía la alopecia masculina. En estas dos enfermedades se actúa sobre el mismo blanco, pero su validación para el tratamiento de la calvicie, debido al conjunto de estudios clínicos que debían completarse exitosamente, no se produjo hasta ocho años después de su aprobación como método contra el agrandamiento de la próstata.

Un medicamento que cumple ambas definiciones de reposicionamiento es la clorpromazina, originalmente desarrollada en 1.952 como antihistamínico^[2] y después se empleó como antipsicótico debido a sus efectos sedativos. Aun siendo dos tipos de dolencia bien distintas, en ambas se procede sobre el mismo blanco terapéutico.
Años más tarde se descubrió, también, el potencial anticancerígeno de la clorpromazina, utilizada en la actualidad en combinación con la quimioterapia. Esta propiedad fue descubierta gracias a su capacidad de unirse a una diana previamente desconocida.

Pero el medicamento que, a menudo, es visto como modelo de reposicionamiento de fármacos es la talidomida. En un principio, planteada para la enfermedad de la mañana en el embarazo^[3].

Dado que, las normas aplicadas a los tests de seguridad cuando se aprobó este fármaco no eran tan rigurosos como hoy en día, fue aprobada en numerosos países, descubriéndose a posteriori que era responsable de graves defectos de nacimiento, con un total de 20.000 afectados en todo el mundo. Como consecuencia de ello fue retirada del mercado.

Pero cincuenta años después, la compañía Celgene la volvió a estudiar con el objetivo de utilizarla contra la lepra y el melanoma múltiple. Después de estas nuevas investigaciones, la droga fue nuevamente autorizada contra estas enfermedades, advirtiendo rigurosamente de la peligrosidad de su uso por parte de mujeres potencialmente embarazadas.

[1] Fenotipo: conjunto de características visibles de un individuo: color de pelo, ojos, altura...Es la expresión del genotipo en función del medio ambiente.
[2] Fármaco que sirve para reducir o eliminar los efectos de las alergias.
[3] Común en mujeres embarazadas, consiste en un malestar estomacal al levantarse.

Fuentes: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.
  http://www.imujer.com/salud/4707/tratamientos-naturales-para-la-enfermedad-de-la-manana
http://www.academica.mx/observatorio/noticias/desarrolla-la-unam-f%C3%A1rmaco-controlar-algunos-tipos-c%C3%A1ncer
  http://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-avances-el-diseno-farmacos-asistido-90434983
  http://www.dddmag.com/articles/2007/09/innovative-strategies-drug-repurposing
  https://embryology.med.unsw.edu.au/embryology/index.php/Abnormal_Development_-_Thalidomide

2.2.3. Nanobiosensores

noreply@blogger.com (David Funes) — Tue, 23 Feb 2016 20:38:00 +0000

Las enormes posibilidades que nos ofrece la nanotecnología están permitiendo el avance de nuevos dispositivos en el campo del nanodiagnóstico, principalmente en los nanobiosensores.
Sus propiedades están caracterizadas por la ‘nanoescala’ en la que están fabricados. A diferencia de los biosensores, que estudiamos anteriormente en la entrada "Introducción a los biosensores", donde los receptores se separaban por unos cientos de micrómetros, aquí lo van a estar por unos pocos nanómetros.

Así, incluso se han diseñado sensores en los que se unen a su superficie moléculas individuales, con lo que el proceso de diagnosis puede efectuarse en un instrumento de mucho menor tamaño, facilitando su portabilidad y utilización en cualquier lugar.
También, se requieren cantidades muy pequeñas de muestra (micro o nanolitros) para realizar el análisis, y como consecuencia los métodos de extracción de las mismas van a ser menos traumáticos e invasivos para los pacientes.

Por otro lado, estos nanodispositivos proporcionan la utilización de muestras sin la necesidad de marcadores fluorescentes o radiactivos empleados en los análisis biológicos y clínicos. Esta propiedad es fundamental, ya que se ha verificado que al no marcar ni alterar con anterioridad la muestra, la sensibilidad de detección se incrementa notablemente.

Dentro de los nanobiosensores se distinguen las siguientes categorías:

Biosensores nanofotónicos

Este tipo de biosensores, también conocidos como de onda evanescente, está basado en el mecanismo a través del cual la luz se transmite mediante múltiples reflexiones internas en la guía óptica que lo compone.

La luz al propagarse sobre un medio e incidir en otro de menor índice de refracción^[1] no se refleja totalmente, con lo que en cada una de estas reflexiones, una componente de la luz (llamada onda evanescente), se propaga en el medio de menor índice que envuelve a la guía. Esta propagación que es extremadamente corta (de apenas unos cientos de nanómetros) en el medio que rodea al núcleo de la guía óptica, posibilita la interacción de la luz con la superficie detectora del sensor, conociendo, de este modo, qué biorreceptores específicos anclados en dicha superficie interactúan con la muestra analizada.

Mediante estos dispositivos, tan sólo es necesario muestras de unos pocos microlitros para determinar concentraciones de proteínas o variaciones de una única base en el ADN.

También, es posible evaluar el estado metabólico de una única célula al poseer, algunos de estos nanosensores, fibras ópticas muy afiladas (30-50 nm) que pueden introducirse en la membrana celular sin perturbar el funcionamiento normal de la célula y sin ocasionar ningún daño a la misma.
Este método favorece el estudio de las funciones celulares in vivo (apoptosis^[2], división celular, nanomáquinas biológicas...) y registra cambios patológicos en una única célula individual.

Biosensores nanoplasmónicos

En el sensor de Resonancia de Plasmón Superficial (SPR) se deposita una capa metálica delgada (normalmente una capa de oro de 50 nm de grosor) sobre un material dieléctrico (un cristal).
Su funcionamiento se basa en la detección de cambios en el índice de refracción en las proximidades de la superficie de separación entre ambos elementos.
Al excitar la interfase de estas dos capas (en condiciones de reflexión interna total) se consigue una resonancia plasmónica^[3] para un cierto ángulo de incidencia de la luz. Este ángulo al que se produce la onda plasmónica (de carácter evanescente) es muy sensible a los cambios por interacción molecular que se produzcan en la superficie metálica. Por tanto, las interacciones entre el analito^[4] de la muestra a analizar y la superficie detectora del sensor se manifestarán como una variación de ese ángulo de resonancia.

En la actualidad, se están desarrollando biosensores apoyados en el fenómeno de resonancia de plasmón en nanopartículas. Aunque su rango de detección sería muy similar al SPR, su sistema sería más sencillo al medirse transmisión en lugar de reflexión, además de contar con la ventaja de la miniaturización del dispositivo.

Debido al diminuto tamaño de las nanopartículas, la oscilación de los electrones está más localizada que en el caso anterior (en determinadas zonas de las nanopartículas), este hecho se conoce como resonancia de plasmón superficial localizada (LSPR). Y para la detección de la muestra se pueden utilizar los cambios de color (longitud de onda: λ) que se originan en las nanopartículas al adsorber^[5] las (bio)moléculas de la muestra examinada.

Una alternativa a este fenómeno son los sensores de DNA basados en los cambios de color que se ocasionan al agregarse nanopartículas de oro marcadas con cadenas de DNA complementarias a las que se pretende detectar.

Los biosensores nanoplasmónicos se caracterizan por su posibilidad de detección en tiempo real, alta sensibilidad, especificidad y velocidad de reconocimiento.
Sus aplicaciones más significativas se encuentran en los campos veterinario, biomédico, medioambiental y la industria alimentaria.

Biosensores nanomecánicos

Esta clase de nanobiosensores aprovecha como método de transducción^[6] la deflexión o la variación de la frecuencia de resonancia de una micropalanca al interactuar con la muestra estudiada. Por lo tanto, la denominación de estos detectores proviene del movimiento o modificación en la posición de esa micropalanca (Δx), en apenas unos pocos nanómetros, consecuencia de la identificación biomolecular de la muestra analizada.

Puesto que, estas micropalancas pueden producirse en masa a bajo coste mediante tecnología microelectrónica estándar, pueden fabricarse miles de ellas para el diagnóstico simultáneo de miles de analitos en una única muestra.

El área de detección de las micropalancas es en torno a los 1000 μm², lo que permite testar sustancias en cantidades menores al femtomol (10^-15 moles).

Tanto los nanosensores fotónicos como los nanomecánicos podrían ayudarnos a obtener una ilimitada cantidad de información proteómica y genética que posibilitaría el descubrimiento de patógenos, nuevos fármacos, vacunas y mutaciones indicadoras de ciertas enfermedades de manera mucho más rápida que las tecnologías actuales.

Dispositivos microfluídicos o “laboratorio en un chip” (‘lab-on-a-chip’)

En este tipo de instrumentos se utilizan campos eléctricos para desplazar líquidos, partículas, moléculas o células a través de microcapilares construidos en chips de diferentes materiales como silicio, cristal, cuarzo o plástico.

Este tipo de chip está configurado por un número de microconductos y microcámaras integradas donde se llevan a cabo complejas reacciones químicas y bioquímicas de la muestra considerada.
El volumen de fluidos y de muestra requerido es muy pequeño, con lo que el análisis se realiza con gran rapidez. Se trata de un método de detección portátil, desechable y con un alto grado de automatización.

La idea final de todos estos avances es el desarrollo de nanodispositivos biocompatibles, que puedan ser implantados in vivo en nuestro organismo, en el que desempeñarían una función similar a centinelas que avisasen ante las primeras células enfermas.
Ya se han conseguido algunos avances a tales efectos a nivel micro (píldoras con cámaras de vídeo), pero, indudablemente, éste será uno de los grandes campos de investigación de la nanomedicina en los próximos años.

[1] Cociente de la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en un medio determinado (v), n = c / v.
[2] Destrucción o muerte celular programada provocada por la misma célula.
[3] Excitación u oscilación de electrones que se produce en la interfase de dos materiales, en nuestro caso una película metálica sobre un substrato dieléctrico.
[4] Sustancia (ión, compuesto o elemento) que deseamos analizar en una muestra.
[5] Atraer y retener en la superficie de una sustancia iones o moléculas de otra.
[6] Transformación de un tipo de señal o energía en otra de distinta naturaleza.

Fuentes: Nanomedicina: aplicación de la nanotecnología en la salud. Laura M. Lechuga. Grupo de Nanobiosensores y Aplicaciones Bioanalíticas
Centro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología (CIN2). CSIC
  http://www.kennislink.nl/publicaties/de-opmars-van-de-twentse-lab-on-a-chip
  http://images.slideplayer.es/16/5040279/slides/slide_47.jpg
  http://www.mdpi.com/sensors/sensors-10-09630/article_deploy/html/images/sensors-10-09630f1-1024.png
  https://www.ifm.liu.se/applphys/molphys/research/biosensing_using_nanopart/
  http://www.tcd.ie/Physics/people/Martin.Hegner/ReviewNSST-The_impact_of_STM_and_AFM.html?ntherodt_01.pdf
  Fritz, J., Baller, M.K., Lang, H.P., Rothuizen, H., Vettiger, P., Meyer, E., Guntherodt, H.-J., Gerber, CH. and Gimzewski, J.K.,
Science 288 (2000) 316.
  https://www.theengineer.co.uk/lab-on-chip-device-promises-hiv-diagnosis-in-10-minutes/

3.4. Proteínas

noreply@blogger.com (David Funes) — Sat, 06 Feb 2016 16:16:00 +0000

Las proteínas, sin duda, son las macromoléculas biológicas con mayor variedad en estructura y funciones. Hallamos miles en una sola célula, desempeñando cada una de ellas un papel específico y único.
De esta manera, vamos a encontrar proteínas realizando actividades de transporte o almacenaje, proteínas protectoras, contráctiles, estructurales, enzimas o toxinas. Teniendo todas ellas en común polímeros de aminoácidos que se ordenan mediante cadenas lineales y actúan como elemento básico estructural.

Tipos y funciones de proteínas

▣ Enzimas: son conocidas como proteínas complejas o conjugadas, cuya labor primordial es intervenir en reacciones bioquímicas como catalizadores orgánicos, en las cuales van a ayudar a sintetizar, reordenar o descomponer los distintos elementos sobre los que actúan de manera específica.
Un ejemplo serían las enzimas digestivas como la amilasa de la saliva que hidroliza la amilosa (componente del almidón).

▣ Hormonas: controlan y regulan procesos fisiológicos como el metabolismo, el crecimiento o la reproducción. Liberadas por las células endocrinas, se tratan de moléculas de señalización química, normalmente pequeñas proteínas o esteroides.
Como ejemplo de proteína hormonal podemos citar la insulina, que se encarga de regular los niveles de glucosa en sangre.

Las proteínas presentan una amplia variedad de pesos moleculares y formas, desempeñando éstas últimas un papel primordial en las actividades que vayan a realizar. Mediante la exposición a agentes químicos, cambios en el pH o la temperatura se originan variaciones en la forma de la proteína, que conducen a la pérdida de sus funciones en un proceso denominado desnaturalización.

Aminoácidos

Los aminoácidos son los monómeros que constituyen las proteínas. Cada uno de ellos tiene una estructura formada por un átomo central de carbono, conocido como carbono α, al que se le une un grupo amino (NH₂), un grupo carboxilo (COOH) y un átomo de hidrógeno. Precisamente, la denominación de ‘aminoácido’ procede de la presencia de estos dos grupos en la estructura básica del mismo.

Cada aminoácido también posee otro átomo o grupo de átomos unidos al átomo central, denominado grupo R o cadena lateral que es propio para cada uno de ellos. La naturaleza química de esta cadena establece el tipo de aminoácido (si es polar, no polar, básico, ácido...). Así, encontramos aminoácidos básicos como la arginina y la lisina, al poseer carga positiva. Otros como la cisteína o la serina son polares con una cadena lateral hidrofílica o si ésta es de naturaleza hidrofóbica son no polares como la alanina o la valina.

De los veinte tipos de aminoácidos distintos de los cuales se componen las proteínas, diez de ellos son considerados esenciales, ya que son los bloques necesarios para la construcción de las mismas, pero el cuerpo humano no puede sintetizarlos y deben obtenerse de la dieta.

El sistema de representación de los aminoácidos se lleva a cabo mediante una letra mayúscula o una combinación de tres de ellas. Por ejemplo, la cisteína se simboliza mediante la letra C o Cys en código de tres letras.

La secuencia y el número de aminoácidos es quien establece en última instancia el tamaño, la función y la forma de la proteína.

Los aminoácidos se unen mediante un enlace de tipo covalente, conocido como enlace peptídico, en el que el grupo carboxilo de un aminoácido se enlaza al grupo amino del aminoácido contiguo, liberando una molécula de agua (reacción de deshidratación).
Los productos de estos enlaces se denominan péptidos y su unión da lugar a una cadena de polipéptidos. Cada uno de ellos cuenta con un grupo amino libre al final de la cadena, denominado terminal N o terminal amino, teniendo en el otro extremo un grupo carboxilo conocido como terminal C o terminal carboxilo.

En ocasiones, los términos polipéptido y proteína se emplean indistintamente, pero técnicamente un polipéptido es un polímero de aminoácidos, mientras que una proteína es un polipéptido o polipéptidos que se han combinado con una forma y función característica y particular.

Estructura de las proteínas

Como ya se ha mencionado, la forma que adopta la proteína es fundamental para las funciones que desempeña. Con el fin de entender cómo la proteína toma su forma o conformación final es necesario estudiar los cuatro niveles estructurales en los que se organiza: primario, secundario, terciario y cuaternario.

Estructura primaria

La estructura primaria se define como la secuencia única de aminoácidos en una cadena de polipéptidos. Por ejemplo, la hormona insulina tiene dos cadenas polipeptídicas A y B, formadas por unas secuencias únicas de 21 y 30 aminoácidos respectivamente y unidas entre ellas por dos enlaces disulfuro entre los aminoácidos cisteína. Un tercer enlace disulfuro en la cadena A, también entre dos aminoácidos cisteína, posibilita que se pliegue de la manera adecuada.

La secuencia única de cada proteína viene determinada finalmente por el gen que la codifica, y cualquier alteración en la cadena de nucleótidos^[1] que compone el gen puede originar aminoácidos distintos que se serán añadidos, posteriormente, en la cadena polipeptídica, afectando la estructura y rol de la proteína resultante.

Así, un único cambio en uno de los 600 aminoácidos que componen la proteína hemoglobina provoca tal variación en su estructura y actividad que produce la aparición de la anemia de células falciformes^[2]. Concretamente, en la cadena β de esta proteína el ácido glutámico es sustituido por el aminoácido valina.
Para ser más exactos, como cada aminoácido se compone de tres bases nucleótidas, esos 600 aminoácidos dan lugar a 1.800 bases y la hemoglobina falciforme, causante de la anemia, surge por un único cambio en esas 1.800 bases.

A raíz de esta modificación, las moléculas de hemoglobina forman largas fibras que distorsionan la forma bicóncava o forma de disco de los glóbulos rojos, adquiriendo una forma de hoz o media luna que tapona las arterias, desencadenando una serie de trastornos tan característicos de la anemia como son los dolores de cabeza y abdominales, la dificultad respiratoria o los mareos.

Estructura secundaria

Estas estructuras se forman por el plegamiento local del polipéptido en ciertas regiones, las más comunes son las hélices α y las láminas β u hoja plegada β.
En las hélices α la estructura primaria se enrolla helicoidalmente sobre sí misma, habiendo 3,6 aminoácidos en cada vuelta. Se constituyen mediante enlaces de hidrógeno entre el grupo carbonilo (C=O) de un aminoácido y el grupo amino (N-H) de un aminoácido situado cuatro posiciones más alejado en la cadena polipeptídica.

En la conformación beta los aminoácidos se disponen en forma de zigzag, en una disposición de lámina plegada. También tiene su origen en los puentes de hidrógeno originados entre los grupos N-H y C=O, pero en esta ocasión pertenecientes a cadenas adyacentes.

Estructura terciaria

Esta configuración indica cómo la estructura secundaria de un polipéptido se pliega sobre sí misma dando lugar a una conformación globular.
Es la configuración que determina las propiedades fisicoquímicas de la proteína y favorece su solubilidad en agua, posibilitándola, de este modo, llevar a cabo funciones hormonales enzimáticas y de transporte.
Esta estructura se mantiene estable gracias a la existencia de enlaces entre los radicales o grupos R de los aminoácidos, los cuales se generan a través de los siguientes tipos de interacciones: puentes disulfuro^[3], puentes de hidrógeno, interacciones iónicas, hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals (para refrescar todos estos conceptos visita la entrada: “Enlaces químicos”).
Generalmente, en esta disposición los aminoácidos apolares se sitúan hacia el interior de la proteína y los polares hacia el exterior, interactuando con el ambiente acuoso circundante.

Estructura cuaternaria

En la naturaleza, algunas proteínas se constituyen a partir de varios polipéptidos, conocidos como subunidades y la interacción entre las mismas constituyen la estructura cuaternaria. Se tratan de interacciones débiles que ayudan a estabilizar la estructura global de la proteína.
La disposición cuaternaria, de modo general, otorga el rol de la proteína y mediante ella se forman estructuras de gran importancia biológica como los capsómeros^[4] de los virus, los microfilamentos^[5], los microtúbulos^[6] y las fibrillas de colágeno del tejido conjuntivo.

Desnaturalización y plegamiento

Cada proteína tiene su propia secuencia y forma que la mantiene unida mediante interacciones químicas.

Si la proteína está sujeta a cambios en el pH, en la temperatura o expuesta a químicos, su estructura y forma pueden modificarse sin llegar a verse afectada su secuencia primaria. Este proceso se conoce como desnaturalización, el cual puede ser reversible si la estructura polipeptídica primaria se conserva durante el mismo, manteniendo la proteína su rol.
Cuando el proceso es irreversible, por el contrario, sí que se produce la pérdida de su función. Esto es lo que le ocurre, por ejemplo, a la albúmina (proteína de la clara del huevo), la cual se desnaturaliza de manera irreversible cuando se cocina al someterse a altas temperaturas.

El plegamiento de las proteínas juega un papel decisivo en la labor que éstas realizan. Dicho plegamiento se efectúa con la ayuda de las chaperonas que son una familia de proteínas presentes en todas las células y que no forman parte de las proteínas funcionales^[7]. Se unen a éstas no sólo para facilitar su plegamiento, sino también para su ensamblaje y transporte celular a otra parte de la célula donde la proteína ejerce su función.

[1] Monómeros de los ácidos nucleicos (DNA y RNA).
[2] Estructura con forma de hoz o media luna.
[3] Enlace covalente fuerte entre grupos tiol (-SH, que contienen azufre) del aminoácido cisteína.
[4] Cubierta exterior de proteína que protege el material genético de un virus.
[5] Fibras finas de proteínas que junto con los microtúbulos le dan soporte a las células.
[6] Estructuras tubulares de las células. Componente principal del citoesqueleto de las células eucariotas.
[7] Aquellas proteínas que poseen función biológica.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
  http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/ProteinasEstruct.htm
  http://study.com/academy/lesson/proteins-iv-higher-order-structure.html
  http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/cadena-lateral-en-aminoacidos
  http://es.slideshare.net/carolinacisdel/biomoleculas-enfermera
  http://biologiavfe.blogspot.com.es/2010/04/anemia-falciforme.html
  http://sicklecellcurefoundation.org/living-with-sickle-cell-disease/national-sickle-cell-month
  http://www.slideshare.net/VijayP7/secondary-structure-prediction-of-proteins
  http://www.slideshare.net/thelawofscience/protein-structure-11543259
  http://www.mobi4health.ug.edu.pl/wp-content/uploads/2014/10/2ndMSW-Milla-Neffling-Primer.pdf

1.3.5. Nuevos sistemas de administración de fármacos

noreply@blogger.com (David Funes) — Sat, 23 Jan 2016 17:34:00 +0000

Actualmente, los principales problemas relacionados con los métodos de administración de fármacos son fundamentalmente dos.
El primero de ellos se da cuando el fármaco es altamente soluble en agua y se desea un sistema de liberación controlado, y el segundo surge cuando se produce el suceso contrario, la droga no posee solubilidad alguna y, por tanto, no se va a disolver en agua.

Esta segunda problemática es fundamental resolverla puesto que, en la actualidad se estima que entre el 75 y el 80% de las sustancias químicas que salen de los laboratorios de investigación universitarios y de las compañías farmacéuticas no son solubles en agua, por lo que intentar superar este impedimento se ha convertido en todo un reto para la industria farmacéutica.
El reto consistirá en conseguir que las partículas constituyentes se disuelvan en el tracto gastrointestinal, y sean, de esta manera, absorbidas para ejercer su acción sistémica^[1].

Gracias a las tecnologías de diseño e ingeniería de partículas pueden fabricarse formas farmacéuticas cristalinas con un tamaño realmente pequeño (comprendido entre los 200 y 300 nm), lo que les permite tener una velocidad de disolución más rápida que las de un tamaño superior.

Una vez fabricadas, se incorporan a los distintos sistemas de administración donde serán disueltas inmediatamente. De esta manera, el fármaco disuelto se encontrará disponible para su absorción por parte del sistema digestivo o los pulmones, dependiendo de la ruta de administración seleccionada.

Una alternativa diferente sería partir de una droga disuelta en un solvente orgánico (no agua) como el etanol, el acetonitrilo o el metanol. El fármaco se disuelve con un algún tipo de estabilizador para posteriormente congelarlo a una velocidad de enfriamiento muy rápida. De esta manera, se obtienen sustancias farmacéuticas sin estructura cristalina calificadas como formas amorfas o de morfología amorfa, las cuales van a poder disolverse a concentraciones mucho más altas que en su correspondiente forma cristalina.
Así, se consigue la denominada “super-saturación” de una solución acuosa, lo que facilitará la disolución del fármaco a altas concentraciones en el estómago y en el primer tramo del intestino delgado para ser absorbido y distribuido por todo el organismo.

Propiedades de las estructuras cristalina y amorfa de los fármacos
Estado cristalino	Estado amorfo
Orden translacional, rotacional y estructural a largo alcance	Puede mostrar orden a corto alcance
Punto de fusión bien definido	Punto de transición vítrea^[2]
Más estable	Menos estable
Buenas propiedades de flujo^[3]	Malas propiedades de flujo
Menos higroscópico^[4]	Más higroscópico
Relativamente menos soluble	Relativamente más soluble

Un ejemplo de aplicación basado en este sistema de ingeniería de partículas ha sido el desarrollo, por parte de miembros de la escuela médica de la Universidad de Texas en San Antonio en colaboración con el Sistema Hospitalario para Veteranos, de una nueva ruta de administración para los medicamentos inmunosupresores.

Esta clase de medicamentos evita el rechazo por parte del organismo de órganos transplantados, pero al ser actualmente administrados oralmente presentan una serie de efectos secundarios, como es el posible desarrollo de diferentes tipos de cáncer.

El objetivo de las tecnologías descritas más arriba fue suministrar el medicamento a una menor dosis en el lugar donde su respuesta inmunosupresora fuera directamente necesaria. Para ello durante un período de cuatro a cinco años se desarrollaron prototipos de medicamentos que se administraban vía respiratoria para aquellos pacientes que habían sido sometidos a un transplante pulmonar, ya que iban a ser estos órganos transplantados el objetivo del fármaco inmnosupresor.
Se llevaron a cabo ensayos en mamíferos (ratones y ratas) midiéndose bajos niveles del medicamento en sangre pero altas concentraciones del mismo en los pulmones, lo que probaba la validez de la vía inhalatoria, al menos, en animales.
Más tarde, se pasó a su experimentación, bajo estrictas normas de seguridad, en voluntarios humanos de la escuela de medicina, obteniéndose resultados similares a los anteriores. Incluso, se ha llegado a evaluar en un modelo animal sometido a un doble transplante pulmonar, logrando nuevamente la misma eficacia, pero continuando todavía en su fase de desarrollo.

En conclusión, el objetivo es la investigación de nuevas rutas de administración de fármacos no disponibles en la actualidad, beneficiando al paciente mediante la minimización de los efectos secundarios y la reducción de la exposición sistémica^[5].

[1] Acción ejercida por el fármaco una vez ha sido absorbido y distribuido por el torrente sanguíneo.
[2] Temperatura a la que un sólido amorfo se convierte en un material blando y flexible tras calentamiento o rígido y frágil tras enfriamiento.
[3] Estas propiedades indican la mayor o menor fluidez de las partículas en función de su tamaño, forma, humedad absorbida y densidad.
[4] Sustancias que absorben la humedad del ambiente.
[5] Tipo de exposición en la que el organismo es afectado en su conjunto por la acción del fármaco.

Fuentes: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.
http://www.slideshare.net/rcdreddi/limerick-meet-and-greet-ac-edited
http://chemistry.about.com/od/chemistryglossary/a/glasstransition.htm
https://docs.google.com/document/d/1TOwPCUSItCGOnUivKC_5kuTGw7kh9D5DPIK2U-V7D2A/edit#heading=h.90pmyxnddx1b
http://trasplante-de-organos.blogspot.com.es/2011/09/inmunologia-del-trasplante-la.html

2.2.2. Diagnóstico por imagen

noreply@blogger.com (David Funes) — Sat, 16 Jan 2016 16:35:00 +0000

A lo largo de los últimos años, el diagnóstico por imagen ha visto como ha ido incrementando considerablemente su relevancia hasta convertirse en una herramienta imprescindible en el diagnosis de incontables enfermedades como los síndromes neurológicos, los trastornos cardiovasculares o el cáncer.

La confluencia del diagnóstico por imagen y la nanotecnología, permite da lugar a una nueva serie de trazadores y agentes de contraste que cuentan con una mayor resolución y sensibilidad. Su objetivo es la detección de enfermedades en sus fases iniciales, a nivel celular o incluso molecular, lo que permitiría una rápida aplicación del tratamiento apropiado, aumentando así las posibilidades de curación.

Los nanosistemas de imagen se apoyan, principalmente, en la utilización para el marcaje in vivo de tres tipos de nanopartículas: semiconductoras, metálicas y magnéticas.

Nanopartículas de semiconductores

Este primer tipo de nanopartículas, también denominadas puntos cuánticos (quantum dots) consisten en semiconductores^[1], cuyo tamaño se ha reducido a unos pocos nanómetros (1-10 nm), lo que origina cambios en su disposición electrónica, perdiendo su inconfundible estructura de bandas. Gracias a esta nueva estructura, su respuesta óptica (concretamente su fluorescencia) va a estar íntimamente ligada a la variación del tamaño de estas nanopartículas.
Consecuentemente, estos puntos cuánticos van a emitir luz en diversas longitudes de onda (colores) dependiendo de sus dimensiones y no del material empleado, lo que les convierte en unos marcadores biológicos tremendamente prácticos.

Aunque se han sometido a examen una gran diversidad de materiales semiconductores, los más empleados son los de teluro y seleniuro de cadmio, CdTe y CdSe, ya que, además de poder fabricarse en grandes cantidades, puede controlarse perfectamente el tamaño de los mismos y con ello obtener unas bandas de emisión con una abundante gama de colores durante un largo período de tiempo.

Pero las nanopartículas de semiconductores también deben llegar a su objetivo, y para evitar efectos secundarios han de ser excretados del organismo una vez hayan cumplido su cometido. Para la primera de estas funciones, los puntos cuánticos han de recubrirse con polímeros como el polietilenglicol (PEG), que actuará como una capa de invisibilidad ante los macrófagos del sistema inmunitario impidiendo que estos últimos los degraden e ingieran antes de alcanzar su destino.

El siguiente paso consiste en conseguir que las nanopartículas sean capaces de identificar su diana mediante biorreceptores (anticuerpos) que se ligan a su superficie, y que se unirán a los antígenos^[2] específicos de las células objetivo (p.ej.: células cancerígenas). Los biorreceptores de los quantum dots producen una reacción de reconocimiento biomolecular al encontrarse con estos antígenos, acumulándose en esa zona, y empleando luz ultravioleta son observados debido a la característica fluorescencia que radian.

Por último, la expulsión de los puntos cuánticos a través de los riñones y del hígado parece no mostrar dificultades en los experimentos realizados en animales, pero para su empleo en ensayos humanos deben resolverse posibles problemas relacionados a proceso de agregación, antes de obtener la autorización de las agencias de salud para su posterior comercialización.

Nanopartículas metálicas

El hecho de que las nanopartículas metálicas poseen una frecuencia de resonancia (su color) directamente dependiente de su tamaño y forma, las convierte en una segunda opción como agentes de contraste. Esta propiedad facilita que sean producidas con la intención de dispersar o absorber luz en la zona espectral que corresponda. Así, pueden diseñarse partículas de oro que absorban o reflejen luz en la región del infrarrojo cercano (700-900 nm), ya que los tejidos biológicos son más transparentes en esa franja del espectro electromagnético, y mediante métodos como la tomografía de coherencia óptica^[3] (optical coherence tomography, OCT) se logran mapas tridimensionales de las zonas donde se han aglomerado las nanopartículas.

Nanopartículas magnéticas

Una tercera alternativa la representan las nanopartículas magnéticas (óxidos de hierro como la magnetita: Fe₃O₄), con la capacidad de incrementar el contraste en las pruebas de resonancia magnética.
Su transporte por el organismo puede llegar a realizarse gracias al empleo de un campo magnético externo (como un electroimán), aprovechando las propiedades magnéticas de estos materiales. Además, podrían llegar a reemplazar los marcadores actuales de metales pesados, disminuyendo su toxicidad.

Tanto en las nanopartículas magnéticas como en las metálicas se emplean técnicas idénticas, o muy similares, a las descritas en los puntos cuánticos para conseguir burlar el sistema inmunitario y lograr que sean capaces de localizar y unirse a los tejidos y células diana de interés.

Los nanosistemas de imagen, al pertenecer a la categoría de diagnóstico in vivo y por tanto, deben introducirse en el cuerpo humano, conllevan, como hemos descrito, un conjunto de inconvenientes asociados (biocompatibilidad, sofisticado diseño) que deben solventarse para su uso seguro y eficaz en el organismo, minimizando efectos secundarios indeseados.

[1] Elemento que se comporta como un aislante o conductor dependiendo de varios factores como la temperatura del ambiente, la presión, los campos eléctricos o magnéticos a su alrededor o la radiación que incide sobre él.
[2] Sustancias ajenas o tóxicas al organismo (generalmente proteínas) que desencadenan la formación de anticuerpos y causan una respuesta inmunitaria.
[3] Prueba de imagen no invasiva que utiliza ondas de luz para tomar imágenes de sección transversal.

Fuentes: Informe de vigilancia tecnológica: nanomedicina. Fundación para el conocimiento madri+d. CEIM. José Manuel González, Marta López,
Gema Ruiz.
Nanomedicina: aplicación de la nanotecnología en la salud. Laura M. Lechuga. Grupo de Nanobiosensores y Aplicaciones Bioanalíticas
Centro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología (CIN2). CSIC
  http://www1.radiology.ucsf.edu/research/labs/hyperpolarized-mri-tech-2/facilities_equipment
  http://www.osiconference.org/osi2015/presentations/Tu2.3%20Zahn.pdf
  http://www.nanowerk.com/news/newsid=7441.php (Image: Penn State)
  http://slideplayer.com.br/slide/74350/

2.2.1. Introducción a los biosensores

noreply@blogger.com (David Funes) — Sat, 09 Jan 2016 16:14:00 +0000

Como consecuencia de la tecnología actual, el diagnóstico de ciertas enfermedades se realiza cuando ya se hallan en estados demasiados avanzados.
El principal instrumento que se emplea, hoy en día, para diagnosticar enfermedades es el biosensor, que permite tanto la detección de sustancias específicas, averiguar la composición o características moleculares de todo tipo de sustancias orgánicas o detectar la presencia de microorganismos en ciertos ambientes.

Se constituye de dos componentes principales:

▣ Un área de detección o reactiva formada por un receptor biológico (anticuerpos, DNA, enzimas...) con la capacidad de unirse a aquellas sustancias que se desean detectar.
▣ Un sistema transductor que procesa y cuantifica la señal (mecánica, eléctrica, óptica...), que se origina al interactuar la sustancia analizada y el elemento encargado del reconocimiento.

La unión e integración de ambos componentes es lo que convierte a los biosensores en unos instrumentos caracterizados por su sensibilidad y selectividad.

La aplicación de los biosensores se produce en una extensa variedad de campos entre los que se incluyen: el medio ambiente, la salud, la biotecnología o el sector alimentario.

Entre los biosensores más comunes se hallan los denominados microarrays o biochips que consisten en una superficie sólida (vidrio, silicio, oro) sobre la que se sitúan cientos o miles de biomoléculas (generalmente oligonucleótidos^[1] o fragmentos de DNA de una sola cadena, conocidos a menudo como ‘sondas’) en determinadas posiciones y concentraciones formando una matriz de dos dimensiones, estando cada una de estas moléculas separadas entre 100 y 150 μm.

La muestra sometida a análisis se marca por diversos métodos (habitualmente con un reactivo fluorescente), de tal modo, que cuando entra en contacto con las moléculas sensoras del biochip se hibridan^[2] a su secuencia homóloga, produciendo una señal fluorescente en esas ubicaciones.
Posteriormente, mediante el empleo de un escáner y herramientas informáticas se analizan e interpretan los datos obtenidos.

Las posibilidades que podemos encontrar a los biochips son innumerables: desde la medicina personalizada (para conocer nuestra mayor o menor propensión a padecer cáncer o enfermedades genéticas específicas), la detección de bacterias contaminantes en alimentos o en el agua, el descubrimiento de mutaciones en virus y bacterias que les hacen resistentes a ciertos medicamentos o examinar la biodiversidad microbiana en ambientes concretos.

Otro ejemplo son los microarrays de proteínas en los que, en lugar de fragmentos de DNA, se anclan a su superficie miles de proteínas funcionalmente activas. Este tipo de instrumentos cuentan con un gran potencial para la investigación básica en biología molecular, la identificación de marcadores de enfermedades y la búsqueda de dianas terapéuticas.

Por último, dentro de la tecnología de los microarrays encontramos los chips de células. Sobre la plataforma de estos detectores se ubican anticuerpos, proteínas o lípidos que van a interactuar con las células, no sólo capturándolas, sino también desencadenando respuestas en ellas, como cambios fenotípicos^[3] o segregando sustancias específicas.
Se emplean en el análisis toxicológico, de agentes patógenos y la identificación de marcadores de enfermedades.

Como puede observarse, los biochips cuentan con una amplísima variedad de aplicaciones, sin embargo, la ciencia continúa evolucionando y ya se están diseñando biosensores con un tamaño menor y más potentes, basándose en las enormes posibilidades que ofrece la nanotecnología.
Estos nuevos sistemas de diagnóstico que cuentan con la gran ventaja, respecto a los biosensores actuales, de detectar las enfermedades en sus fases más tempranas, se dividen esencialmente en dos áreas de actuación: nanosistemas de imagen y nanobiosensores, los cuales serán objeto de estudio en las siguientes entradas de esta sección.

[1] Secuencia corta de DNA o RNA con cincuenta pares de bases o menos.
[2] Reconocimiento y unión entre moléculas complementarias.
[3] Cambios en aquellos rasgos particulares y genéticamente heredados de cualquier organismo que lo hacen único e irrepetible en su especie.

Fuentes: Informe de vigilancia tecnológica: nanomedicina. Fundación para el conocimiento madri+d. CEIM. José Manuel González, Marta López,
Gema Ruiz.
Fundación española para la ciencia y la tecnología (FECYT). Nanociencia y nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente
y la tecnología del futuro, 2009.
  http://www.definicionabc.com/ciencia/fenotipo.php
  http://www.blogdefarmacia.com/biosensores-tecnologia-para-la-salud/
  http://www.pharmatutor.org/articles/applications-of-biosensors-technology-future-trends-development-and-new-intervation-in- biotechnology?page=0,1
  http://www.slideshare.net/ManjuAnshika/biosensor-dr-manju-jha
  http://www.sensorsmag.com/specialty-markets/medical/strong-growth-predicted-biosensors-market-7640

1.3.4. Seguridad y eficacia de los fármacos

noreply@blogger.com (David Funes) — Wed, 30 Dec 2015 16:18:00 +0000

En la penúltima entrada (Vías de administración de fármacos) hemos estudiado los diferentes sistemas de administración de fármacos, y en función de nuestros objetivos se seleccionará uno de ellos para así pasar de un compuesto a un producto farmacológico.

En las fases precedentes del desarrollo de medicamentos, los investigadores, a menudo, emplean sistemas vivos para determinar si sus compuestos pueden atravesar las membranas celulares y ejercer su función terapéutica. Pero en muchos fármacos existe un equilibrio muy delicado entre toxicidad y dichos efectos terapéuticos. Para evitar este conflicto se han llevado a cabo, anteriormente, estudios para seleccionar el compuesto líder que presente la menor toxicidad posible junto con la máxima potencia terapéutica.
Muchas de estas evaluaciones pueden desempeñarse en cultivos celulares en el laboratorio, sin embargo, estos experimentos, en ocasiones, son demasiado simples para predecir la eficacia del compuesto en humanos.
Por tanto, para ganar un mayor entendimiento de su eficacia y distribución biológica se emplean sistemas vivos más complejos, normalmente ratones o ratas, a los que se les administra una dosis específica para medir sus efectos terapéuticos.

Los investigadores han encontrado varias maneras de modelar en estos roedores enfermedades humanas tales como el cáncer, ciertas infecciones e inflamaciones.
Si bien estos modelos no son indicadores cien por cien fiables de la efectividad en humanos, son otra herramienta para ayudar a seleccionar el compuesto líder que posea la mayor probabilidad de éxito. Además, estos modelos pueden usarse en estudios para identificar la dosis óptima necesaria del fármaco.

A pesar de que, en esta fase la eficacia preclínica no es tan importante como la seguridad, estos estudios sí resultan primordiales para los desarrolladores farmacéuticos a la hora de evaluar cuál es la probabilidad de eficacia del fármaco ante una enfermedad concreta del ser humano.

Una vez el compuesto líder ha sido seleccionado y formulado, se evalúa mediante tests en animales para confirmar que es seguro para su uso en humanos.
Aunque numerosas objeciones éticas surgen a raíz de la experimentación con animales, se trata del mejor método que se ha desarrollado para proteger a los humanos de los riesgos imprevistos que pueden provocar los medicamentos experimentales.

Con el fin de asegurar la validez y calidad de los datos obtenidos en estas pruebas, se ha establecido un conjunto estricto de regulaciones, denominadas buenas prácticas de laboratorio (GLP), que los desarrolladores deben cumplir. Dichas regulaciones determinan un marco de trabajo organizativo para las nuevas sustancias farmacéuticas, así como la evaluación de cualquier posible toxicidad que pudiera ocurrir durante sus ensayos.
Junto con un conocimiento de los efectos tóxicos potenciales, también es fundamental averiguar durante cuánto tiempo el fármaco se mantiene en la circulación sanguínea, cómo se metaboliza y en qué tejidos podría llegar a acumularse.

La etapa preclínica se estima que puede llegar a tener una duración mínima de tres años en la que miles de compuestos no logran alcanzar la siguiente fase. Se considera que de cada 250 compuestos en preclínica, únicamente cinco comienzan el siguiente período de investigación.
En su conjunto las etapas de investigación básica y preclínica engloban un período total de alrededor seis años.

Si el candidato principal supera los exámenes de seguridad, previamente mencionados, se envía una solicitud a las pertinentes agencias reguladoras como evidencia de que el compuesto es fiable para comenzar los estudios clínicos en humanos. Se debe verificar que el nuevo fármaco no expondrá a los voluntarios durante la primera fase de los ensayos clínicos a un riesgo innecesario para su salud.
De todos modos, en cualquier momento, la investigación puede detenerse si se observa que la integridad del estudio se ve comprometida o el nuevo producto se considera un riesgo para la salud.
Además de estos datos, se debe demostrar que el producto farmacológico se puede fabricar a gran escala mediante un método controlado y reproducible.

Esta etapa en el proceso de desarrollo farmacéutico que, en ocasiones, supone un gran desembolso económico de varios millones de euros para los desarrolladores farmacéuticos, puede suponer un obstáculo insalvable para las pequeñas compañías e investigadores académicos.
Aunque, en un principio, puede parecer excesivo el gasto de tan grandes cantidades de dinero en un nuevo fármaco que todavía no ha sido comercializado, sí es necesario para garantizar, tanto como sea posible, que no causará ningún perjuicio en los primeros humanos sobre los que se evaluará en los ensayos clínicos posteriores.

En España es la AEMPS (Agencia Española de Medicamentos y Productos Sanitarios), agencia estatal adscrita al Ministerio de Sanidad, la que garantiza a los ciudadanos y profesionales sanitarios la seguridad, eficacia, calidad y correcta información de los medicamentos y productos sanitarios que se comercializan en España, desde su experimentación hasta su empleo.

Fuentes: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.
  https://www.msdsalud.es/tu-salud-al-dia/biblioteca-recursos/guias-para-pacientes/proceso-investigacion-desarrollo-aprobacion-
farmaco.html
  http://geneticayclonacion.blogspot.com.es/2015_04_01_archive.html
  http://www.aemps.gob.es/laAEMPS/estructura/home.htm
  http://www.abc.es/sociedad/20150518/abci-investigacion-animales-laboratorio-201505161636.html

1.3.3. Caso práctico: medicamentos inhalados

noreply@blogger.com (David Funes) — Wed, 23 Dec 2015 19:03:00 +0000

La ruta inhalatoria para la administración de fármacos se ha venido usando desde hace milenios. De hecho, los primeros datos que poseemos acerca del uso de medicinas empleando esta vía datan casi de la época prehistórica, donde ya se comenzó a fumar ciertas sustancias con una finalidad terapéutica o poseían efectos halucinógenos. Es el caso de la cohoba, fabricada a partir de plantas del género de la mimosa, o el cannabis.

Pero no fue hasta la década de los cincuenta del siglo pasado cuando se planteó, por primera vez, sustituir los medicamentos orales (tabletas, cápsulas) por inhaladores para el tratamiento del asma, como consecuencia de los graves efectos secundarios que originaban.
El primer inhalador de dosis medida se elaboró simplemente a partir de una botella de Coca-Cola, las válvulas de los envases de perfumes, que acababan de entrar en el mercado en ese momento, y un sistema de gases propelente.

El principal problema que los aerosoles deben afrontar para poder penetrar en los pulmones es que, tanto éstos como las vías aéreas superiores (boca, faringe, laringe y tráquea) están muy bien equipados para evitar que las partículas de polvo y otro tipo de sustancias presentes en el aire puedan ser inspirados.
Por lo tanto, el reto consiste en diseñar las partículas que componen los aerosoles de tal modo que, no acaben en la boca o en la parte posterior de la garganta, y puedan alcanzar los pulmones.
Dichas partículas van a ser fabricadas con un tamaño o un diámetro aerodinámico muy específico, entre 1 y 5 μm (1 - 5*10^-6 m), con el fin de superar el filtro que constituyen las vías aéreas superiores. Como puedes imaginar producir partículas de un tamaño tan extremadamente pequeño es tremendamente complejo.
Así, cuando se alcanzan los diámetros anteriormente mencionados, surgen una serie de problemas. Por ejemplo, cuando se utiliza como materia prima polvo seco, las partículas poseen una gran superficie, lo que les hace ser muy adherentes y pegajosas.
Como consecuencia, a esta escala, desde un punto de vista físico, la mayor influencia no es ejercida por la fuerza gravitatoria sino por las fuerzas de Van der Waals (para recordar lo que son estas interacciones: “Enlaces químicos”). Estas mismas interacciones son las responsables, por ejemplo, de que la tiza se mantenga en una pizarra sin caerse y podamos escribir en ella.
Se trata de trabajar, por lo tanto, en métodos que venzan estas fuerzas para evitar la agregación y acumulación de las partículas constituyentes de los aerosoles.

Uno de los principales motivos por el que se administran medicamentos mediante inhaladores y aerosoles a los pulmones es para combatir enfermedades pulmonares, tales como el asma, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) o la fibrosis quística.

Muchos de los dispositivos que se emplean para la administración de aerosoles, realmente no cuentan con un buen diseño para su uso por parte del paciente.
Por ejemplo, los inhaladores de dosis medida emplean mecanismos que se han venido utilizando con gran éxito durante muchos años, sin embargo, muestran dificultades de uso entre las poblaciones infantiles y anciana, debido a problemas de sincronización entre las maniobras de pulsado e inhalación.

Por otro lado, los inhaladores de polvo seco que se encuentran actualmente en el mercado son todos activos, en el sentido de que es el esfuerzo inhalatorio del paciente el encargado de suministrar la energía necesaria para disgregar el polvo y así, éste sea inspirado a través de las vías aéreas del enfermo.
La eficacia de este tipo de aerosoles va a depender de la intensidad con la que se inspire por el dispositivo. Como consecuencia, si la maniobra no se realiza con la suficiente rapidez o fuerza, las partículas no se disgregarán lo necesario para alcanzar los pulmones y se depositarán principalmente en la garganta.
En conclusión, este grupo de inhaladores no está indicado para el tratamiento de enfermedades pulmonares en enfermos que no posean una función respiratoria apropiada.

Un tercer tipo son los nebulizadores o sistemas nebulizadores de agua, tradicionalmente de gran tamaño y volumen para su uso clínico y en el hogar, aunque en los últimos años se han realizado avances para hacerlos más portátiles con un funcionamiento basado en baterías.

Éstas son las tres clases principales de dispositivos con los que se cuentan para la administración de fármacos vía respiratoria y la selección de uno u otro se basará en las necesidades del paciente y el tipo de medicación a suministrar.

Existen unos hechos interesantes acerca de los inhaladores de dosis medida. En su formulación inicial se empleaban como gases propelentes los clorofluorocarbonados (CFCs) en los que se suspendía o disolvía el fármaco. Pero debido a los informes en los años 70 que alertaban de la contribución de estos gases a la desaparición de la capa de ozono en la estratosfera, y su posterior prohibición de uso en 1989, la industria farmacéutica los sustituyó por los hidrofluoroalcanos (HFAs) con unas propiedades físicas y químicas muy similares.

A pesar de ello, se comportaban de manera muy distinta con las moléculas farmacológicas y el resto de excipientes. Así, algunos surfactantes^[1] empleados en la formulación del fármaco, como el ácido oleico, eran solubles en los CFCs pero no así en los HFAs.

A raíz de ello y a lo largo de los años, las compañías adoptaron diferentes estrategias para reformular la misma droga en estos propelentes.
Un ejemplo significativo es el producto conocido como QVAR^[2], en el que el fármaco es diluido en un co-solvente (diluyente), como el etanol, junto con los propelentes hidrofluoroalcanos. Y resultó que al transformar el compuesto farmacológico en forma de aerosol, se obtenía una neblina más fina, con un tamaño de la gota inferior. Se disminuyó enormemente la acumulación de éstas en la parte posterior de la garganta y la boca, y en cambio, se incrementó extraordinariamente en los pulmones.
Este nuevo enfoque le valió a la compañía una ventaja competitiva respecto al resto de empresas, que intentaron, en cambio, adaptar los HFAs para que actuasen de modo similar a como lo hacían los CFCs.

[1] Sustancia que actúa como detergente, emulsionante o humectante y que permite reducir la tensión superficial que existe en un fluido.
[2] Inhalador antiinflamatorio para prevenir ataques de asma.

Fuentes: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.
  http://www.telegraph.co.uk/news/newstopics/howaboutthat/3225729/Stone-Age-man-took-drugs-say-scientists.html
  http://es.slideshare.net/CAWIMECA/el-sistema-respiratorio-42882484
  http://blogs.20minutos.es/yaestaellistoquetodolosabe/tag/clorofluorocarbonos/
  http://definicion.de/surfactante/
  http://www.fibrosisquistica.org.ar/aerosol_terapia.php
  http://es.slideshare.net/luciagorreto/taller-asma-2015-inhaladores
  http://www.drtrust.in/products/nebuliser-machine

3.3. Lípidos

noreply@blogger.com (David Funes) — Sun, 29 Nov 2015 18:40:00 +0000

Los lípidos son un tipo de hidrocarburos constituidos mayoritariamente por enlaces C-C o C-H no polares, lo que les clasifica como moléculas hidrofóbicas o insolubles en agua.
Constituyen un elemento básico en muchas hormonas, así como en las membranas celulares. Son un importante almacén de energía en forma de grasa a largo plazo para las células, proporcionan aislamiento térmico tanto para las plantas como los animales, y en los animales acuáticos forman una capa protectora gracias a la mencionada naturaleza hidrofóbica de las moléculas que los componen.

Dentro de los lípidos se incluyen las siguientes categorías:

Grasas y aceites

Las grasas, debido a su estructura química, también se denominan triacilgliceroles o triglicéridos. Están compuestas de dos componentes básicos: glicerol y ácidos grasos. El primero de ellos es un compuesto orgánico (concretamente un tipo de alcohol) con tres átomos de carbono, cinco de hidrógeno y tres grupos hidróxilo (OH).
Los ácidos grasos, a su vez, se componen de una larga cadena de hidrocarburos a la que se une un grupo carboxilo. El número de carbonos en los ácidos grasos varía generalmente entre 4 y 36, aunque los más habituales son los que poseen de 12 a 18 carbonos.
En sus moléculas los ácidos grasos se unen a los tres carbonos del glicerol con un enlace éster a través de un átomo de oxígeno, y durante la formación de dicho enlace se liberan tres moléculas de agua.

Los ácidos grasos se van a dividir en dos grupos: saturados e insaturados.
Los primeros presentan únicamente enlaces simples entre los carbonos vecinos de la cadena de hidrocarburos. Un ejemplo es el ácido esteárico formado por 18 átomos de carbono y en el que el número de átomos de hidrógeno unidos al esqueleto de carbono es máximo (no pueden unirse más). Se encuentra presente en aceites y grasas animales y vegetales. Entre sus utilidades se encuentran la fabricación de velas, jabones, plásticos, cosméticos y en el proceso de ablandamiento del caucho.

Los ácidos grasos insaturados, por el contrario, presentan su cadena de hidrocarburos con doble enlace entre sus átomos de carbono. Entre los más comunes se halla el ácido oleico conocido por su acción beneficiosa en los vasos sanguíneos, disminuyendo el riesgo de sufrir enfermedades hepáticas y cardiovasculares.

Los ácidos grasos insaturados se conocen popularmente como aceites, los cuales son líquidos a temperatura ambiente y pueden ser monoinsaturados cuando cuentan con un único enlace doble de carbono (aceite de oliva) o poliinsaturados si tienen más de uno (aceite de colza).

Las plantas acumulan las grasas o aceites en las semillas, sirviendo como depósitos energéticos durante el desarrollo de las mismas. En los mamíferos, en cambio, la grasa forma glóbulos que ocupan la mayor parte del volumen de un tipo de células muy especializado denominado 'adipocitos'.

Las grasas insaturadas o aceites son habitualmente de origen vegetal y contienen ácidos grasos insaturados cis (visita la entrada “El átomo de carbono” para recordar los conceptos configuración cis y trans). Este doble enlace cis causa una curvatura o retorcimiento que evita que los ácidos grasos se compacten, manteniéndolos en estado líquido a temperatura ambiente. Como ejemplos de grasas insaturadas podemos citar los aceites de oliva, de maíz, el de colza o el de bacalao. Este tipo de grasas se caracteriza por ayudarnos a bajar los niveles de colesterol en contraste con las grasas saturadas que contribuyen a la formación de placas en las arterias.

Grasas trans

Las grasas con configuración trans (abreviadamente grasas trans) presentes en algunos productos alimenticios como la margarina o la mantequilla de cacahuete pueden conducir a incrementar los niveles de lipoproteínas de baja densidad (LDL), más comúnmente conocido como colesterol “malo”, el cual se deposita en las paredes arteriales dando como resultado alteraciones cardiovasculares.
Estas grasas trans son producidas por la industria alimentaria mediante el denominado proceso de 'hidrogenación' en el que los dobles enlaces de la estructura cis de la cadena de hidrocarburos se convierten en dobles enlaces en la configuración trans. Durante este proceso los aceites se solidifican inyectándoles hidrógeno gaseoso para que adquieran esa consistencia semisólida deseable en muchos de los productos de la comida procesada.

Ácidos grasos omega

Tanto los ácidos grasos omega-3 como los omega-6 pertenecen al grupo de los ácidos grasos esenciales requeridos por el organismo humano pero que al no ser capaz de sintetizarlos debe ingerirlos a través de la dieta.
Los términos omega-3 y omega-6 nos indican que son el tercer y sexto carbono contando desde el final de la cadena el que se conecta a su carbono vecino mediante un doble enlace.

Entre los alimentos que son fuentes de omega-3 encontramos pescados como la trucha, el atún y el salmón. Este tipo de ácidos grasos reducen la tensión sanguínea y los niveles de triglicéridos en sangre, previene la aparición de trombosis, de ataques cardíacos repentinos y puede ayudar a reducir el desarrollo de algunos tipos de cáncer.

Las grasas además de servir como depósitos de energía a largo plazo o proporcionar aislamiento al cuerpo, también permiten la asimilación de las denominadas vitaminas liposolubles, por lo que, a pesar de la mala publicidad con la que cuentan, las grasas consideradas “saludables” sí han de ser consumidas en dietas equilibradas en cantidades moderadas.

Ceras

Están formadas por largas cadenas de ácidos grasos esterificados^[1] con un alcohol de cadena larga.
Debido a su naturaleza hidrofóbica desempeñan una función protectora en las hojas de algunas plantas y las plumas de las aves acuáticas.

Fosfolípidos

Se encuentran constituidos por cadenas de ácidos grasos unidas a una columna vertebral de glicerol o esfingosina^[2], donde dos ácidos grasos forman una molécula de diaciglicerol y el tercer carbono de la columna vertebral del glicerol es ocupado por un grupo fosfato modificado.
El compuesto configurado por la molécula de diacilglicerol y el grupo fosfato constituyen los fosfatidatos que son los precursores de los fosfolípidos.
Los fosfolípidos forman parte de la capa más externa de las células animales y el principal elemento de las membranas plasmáticas, las cuales desempeñan un papel fundamental en la comunicación celular.

Los fosfolípidos constituyen estas membranas organizándose de tal modo que las colas del fosfolípido (ácidos grasos hidrofóbicos) se orientan hacian el interior de la membrana y la cabeza del fosfolípido (grupo fosfato hidrofílico) se sitúa en la parte externa en contacto con el ambiente acuoso. Esta ambivalencia al contener una parte hidrofóbica y otra hidrofílica hace que los fosfolípidos se conozcan con el nombre de moléculas anfipáticas.

La naturaleza dinámica que caracteriza a las membranas plasmáticas obedece al hecho de estar compuestas por fosfolípidos. Al entrar en contacto con el agua las moléculas de fosfolípidos se ordenan espontáneamente en una estructura esférica conocida como micela, con las cabezas (polares) hacia fuera en contacto con el agua y las colas (no polares) hacia dentro, de igual modo que lo hacen las membranas plasmáticas.

Esteroides

A pesar de no tener mucho parecido con el resto de lípidos, debido a que cuentan con una estructura de anillo, se incluyen también dentro de esta categoría al ser insolubles en agua.
Todos los esteroides están formados por cuatro anillos fusionados de carbono, y muchos de ellos cuentan con el grupo funcional –OH lo que les permiten ser clasificados como alcoholes (esteroles). Además, varios de ellos, como el colesterol, presentan en su estructura una cola hidrocarbonada corta.

El colesterol es el más común de los esteroides en los humanos y animales, es sintetizado en el hígado, siendo el precursor de la vitamina D y las sales biliares que ayudan a la metabolización de las grasas para su posterior absorción en las células.
Entre otras funciones a destacar, cabe señalar que es segregado por las gónadas y glándulas endocrinas, al ser el precursor de hormonas esteroideas como la testosterona y el estradiol^[3]. Por tanto, como podemos advertir, a pesar de la mala fama que posee el colesterol entre los profanos, juega un papel primordial para el correcto funcionamiento de nuestro organismo.

[1] Las reacciones de esterificación son aquellas por las que se obtiene un éster, normalmente mediante la reacción de un ácido carboxílico y un alcohol.
Los ésteres son compuestos orgánicos que se originan al sustituir, al menos, un grupo hidróxilo (-OH) por un alquilo u otro grupo orgánico.
[2] Aminoalcohol formado por 18 carbonos, constituyendo una cadena hidrocarbonada insaturada.
[3] Hormona esteroide sexual femenina.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
  http://www.genomasur.com/BCH/BCH_libro/capitulo_02.htm
  http://www.salud180.com/sustancias/acido-estearico
  http://herbolaria.wikia.com/wiki/%C3%81cido_oleico
  https://www.flickr.com/photos/thame/3302072732
  http://www.eufic.org/article/es/artid/La-importancia-de-los-acidos-grasos-omega-3-y-omega-6/
  http://www.uhu.es/08007/documentos%20de%20texto/apuntes/2005/pdf/tema_03_lipidos.pdf
  http://www.fisicanet.com.ar/biologia/introduccion_biologia/ap11_lipidos.php
  http://brainly.com.br/tarefa/453268
  http://www.calpoly.edu/~jfernsle/Research/Biophysics/BiophysResearch.html