Capitulo 1

C A P I T - U L O 1

Introducción al estudiode la biología celular

1-1 Descubrimiento de las células

1-2 Propiedades básicas de las células

1-3 Dos tipos fundamentalmente diferentes de células

1-4 Virus

La perspectiva humana: Búsqueda de una vacunacontra el SIDA

La vía experimental: Friones: solución de un enigmamédico

L as células, y las estructuras que las forman, son dema-siado pequeñas para verlas, escucharlas o tocarlas di-

rectamente. Pero a pesar de este tremendo inconveniente,las células son tema de miles de publicaciones cada año, yprácticamente se han investigado todos los aspectos de suminúscula estructura. De muchas maneras, el estudio de labiología celular constituye un tributo a la curiosidad huma-na en su aspiración de realizar descubrimientos, y a la inte-ligencia creativa del ser humano para diseñar los complejosinstrumentos y las elaboradas técnicas mediante las cualesse pueden efectuar esos descubrimientos. Esto no significaque los biólogos celulares sean los únicos dotados con estosnobles rasgos. En un extremo del espectro científico los as-trónomos estudian objetos en la orilla más alejada del uni-verso con propiedades muy diferentes a las que se encuen-tran sobre la tierra. Y en el otro extremo del espectro, losfísicos nucleares dirigen su atención sobre partículas de di-mensiones subatómicas que tienen igualmente propieda-des inconcebibles. Es muy claro, por lo tanto, que nuestrouniverso contiene mundos dentro de otros mundos, y elestudio de todos sus aspectos es fascinante. En este sentido,la finalidad más aparente de este texto es generar entre suslectores el interés por las células y por su estudio.

1-1 Descubrimiento de las células

FIGURA 1 -A. Micrografía electrónica de exploración de agregados celu-lares del moho del fango Dictyostelium discoideum en el proceso defor-mación de corpúsculos fructificantes. (Cortesía de Mark Grimson, TexasTech. University.)

No se sabe cuándo el ser humano descubrió por primera vezla notable propiedad de una superficie curva de vidrio parainclinar la luz y formar imágenes. Los anteojos se fabricaronpor primera vez en Europa en el siglo XIII y el primer micros-copio compuesto (de dos lentes) fue construido a fines delsiglo XVI. A mediados del siglo XVII un puñado de científicospioneros había utilizado sus microscopios caseros para des-cubrir un mundo que nunca se había revelado al ojo desnu-do. El descubrimiento de las células (fig. 1-1) generalmentese acredita a Robert Hooke, microscopista inglés quien a los

CAPITULO 1 • Introducción al estudio de ¡a celular

27 años de edad fue premiado con el puesto de Guardián dela Royal Society, la academia científica más antigua de In-glaterra. Una de las muchas cuestiones que Hooke intentóresponder fue: ¿por qué los tapones hechos de corcho (unaparte del árbol de alcornoque) eran tan adecuados para rete-ner aire dentro de una botella? En sus propias palabras:"tomé un buen pedazo de corcho limpio y con un cuchillotan bien afilado como una navaja de rasurar lo corté en pe-dazos y .. .luego lo examiné con el microscopio. Me pareciópercibir que tenía una apariencia porosa... muy parecida aun panal de abejas". Hooke llamó a los poros celdillas debidoa que le recordaban las celdas habitadas por los monjes quevivían en un monasterio. En realidad, Hooke había obser-vado las paredes vacías de un tejido vegetal muerto, pare-des que originalmente fueron producidas por las célulasvivas que ¡as rodeaban.

Entre tanto, Antón van Leeuwenhoek, un holandés quese ganaba la vida vendiendo telas y botones, ocupaba susratos de ocio tallando lentes y construyendo microscopios

de notable calidad. Durante 50 años, Leeuwenhoek enviócartas a la Royal Society de Londres describiendo sus obser-vaciones microscópicas, junto con un vago discurso acercade sus hábitos cotidianos y su estado de salud. Leeuwen-hoek fue el primero en examinar una gota de agua del es-tanque y observar sorprendido la abundante cantidad de"animalillos" microscópicos que iban y venían ante sus ojos.También fue el primero en describir las diferentes formas debacterias que obtuvo de agua en la cual había remojadopimienta y también material raspado de sus propios dien-tes. Sus primeras cartas a la Royal Society describiendo estemundo previamente jamás visto despertaron tal escepticis-mo que la Sociedad despachó a su Guardián, Robert Hooke,para confirmar las observaciones. Hooke hizo el viaje y prontoLeeuwenhoek fue una celebridad mundial, y recibió la visitaen Holanda de Pedro el Grande de Rusia y de la reina deInglaterra.

No fue sino hasta el decenio de 1830 que se comprobóla gran importancia de las células. En 1838, MatthiasSchleiden, abogado alemán convertido en botánico, conclu-yó que a pesar de diferencias en la estructura de diferentestipos, las plantas estaban constituidas de células y que elembrión de la planta tuvo su origen en una sola célula. En1839, Theodor Schwann, zoólogo alemán y colega de Schlei-den, publicó un trabajo muy completo acerca de las basescelulares de la vida animal. Schwann concluyó que las célu-las de las plantas y los animales eran estructuras semejantesy propuso el primero de los dos dogmas de la teoría ce-lular:

• Todos los organismos están compuestos de una o máscélulas

• La célula es la unidad estructural de la vida.

Las ideas de Schleiden y de Schwann acerca del origende las células fueron menos profundas; ambos concluyeronque las células podrían originarse de materiales no celula-res. Dada la posición prominente que estos dos investiga-dores tenían en el mundo científico, tuvieron que pasar mu-chos años antes que las observaciones de otros biólogosfueran aceptadas como demostración de que las células nose originan de esa manera y que ios organismos tampoco seproducen por generación espontánea. Para 1855, RudolfVirchow, patólogo alemán, propuso una hipótesis convin-cente para'el tercer dogma de la teoría celular:

• Las células sólo pueden originarse por división de unacélula preexistente.

1-2 Propiedades básicas de las células

FIGURA 1 - 1 Descubrimiento de las células. Microscopio em-pleado por Robert Hooke, con lámpara y condensador para iluminarel objeto. (Recuadro) Dibujo hecho por Hooke de un corte delgado decorcho que muestra una red de "celdillas" semejante a un panalde abejas. (De Granger Collection; recuadro del archivo Bettmann.)

Así como las plantas y los animales son seres vivos, tambiénlo son las células. De hecho, la vida es la propiedad funda-mental de las células y ellas son las unidades más pequeñasque muestran esta propiedad. A diferencia de las partes deuna célula, que simplemente se deterioran cuando se aislan,las células pueden ser extraídas de una planta o de un ani-mal y cultivar en el laboratorio, donde crecen y se reprodu-cen durante tiempo prolongado. El primer cultivo de células

CAPITULO 1 • Introducción a! estudio de la biología celular 3

humanas fue iniciado por George Cey, de la UniversidadJohns Hopkins, en 1951. Se emplearon células obtenidas deun tumor maligno denominadas células HeLa, por su dona-dor Henrietta Lacks. Las células HeLa, descendientes pordivisión celular de la primera célula muestra, todavía sedesarrollan en la actualidad en laboratorios alrededor delmundo (fig. 1-2). Debido a que son mucho más fáciles deestudiar que las células situadas dentro del cuerpo, las célu-las cultivadas in vitro (en cultivo fuera del cuerpo) se hanconvertido en una herramienta esencial de la biología celu-lar y molecular. En realidad, gran parte de la informaciónque analizaremos en este libro se obtuvo utilizando célulasdesarrolladas en cultivos de laboratorio.

Iniciaremos nuestra exploración de las células exami-nando algunas de sus propiedades más fundamentales.

Las células muestran complejidady organización elevadas

La complejidad es una propiedad evidente pero difícil dedescribir. En este momento podemos pensar en la compleji-dad en términos de orden y regularidad. Cuanto más com-pleja sea una estructura, mayor el número de partes quedeben estar en posición apropiada, menor la tolerancia deerrores en la naturaleza e interacción de las partes, y mayorla regulación o control que se debe ejercer para conservar elsistema. A lo largo de este libro tendremos ocasión de con-siderar la complejidad de la vida a diferentes niveles. Ana-lizaremos la organización de los átomos en moléculas detamaño pequeño, la organización de estas moléculas enpolímeros gigantes y la organización de diferentes tipos demoléculas poliméricas en complejos que a su vez se organi-zan en organelos subceluiares y finalmente en células. Comose verá, hay una gran regularidad en cada nivel. Cada tipode célula tiene apariencia consistente en el microscopio elec-trónico; o sea, sus organelos tienen forma y situación parti-cular en cada individuo de una especie y de una especie aotra. De manera similar, cada tipo de organelo tiene compo-sición concordante de macromoléculas, las cuales están dis-puestas en un patrón predecible. Consideremos las célulasque revisten el intestino encargadas de eliminar nutrientesdel conducto digestivo (fig. 1-3). Se puede predecir que losextremos apicales de las células que revisten el conductointestinal poseen largas prolongaciones (microvellosidades)para facilitar la absorción de nutrientes, en tanto que susextremos básales contienen un gran número de mitocon-drias que suministran la energía necesaria como combustiblepara los diferentes procesos de transporte a través de lasmembranas. Las microvellosidades pueden prolongarsehacia afuera de la superficie apical de la célula debido a quecontienen un esqueleto interno de filamentos, que a su vezestán compuestos de la proteína acuna dispuesta en formaregular de doble hélice. Cada mitocondria está compues-ta por un patrón característico de membranas internas,que por su parte constan de una disposición regular deproteínas, incluyendo enzimas sintetizadoras de ATP pro-yectadas desde la membrana interna como una pelota sobreuna varilla. Cada uno de estos diferentes niveles de organi-zación se ilustra en la serie de recuadros de la figura 1-3.

FIGUllA 1-2. Células HeLa, como las representadas aquí, fueronlas primeras células humanas conservadas en cultivo durante largosperiodos y que todavía se encuentran en uso en la actualidad. Adiferencia de las células normales, que tienen un periodo de vidafinito en cultivo, las células (como las HeLa) derivadas de tumorescancerosos pueden vivir indefinidamente en cultivo en tanto las con-diciones sean favorables para apoyar su crecimiento y división.(Nana/ Kedersha/Photo Researchers.)

Afortunadamente para la célula y los biólogos molecu-lares, la evolución tiende a moverse más bien lentamentehacia los niveles de organización biológica con los cualesdebemos tratar. Por ejemplo, aunque un ser humano y ungato tienen características anatómicas muy diferentes, lascélulas que forman sus tejidos y los organelos que constitu-yen sus células son muy similares. El filamento de actinamostrado en la figura 1-3, recuadro 3, y la enzima sintetiza-dora de ATP del recuadro 6 son prácticamente idénticos alas estructuras similares que se observan en organismos tandiversos como levaduras, pájaros y árboles de pino rojo. Lainformación obtenida por el estudio de las células de un tipode organismo casi siempre tiene aplicación directa en otrasformas de vida. Muchos de los procesos más básicos, comola síntesis de proteínas, la conservación de la energía quími-ca, o la construcción de una membrana, son notablementesimilares en todos los organismos vivos.

Las células poseen un programa genéticoy los recursos para aplicarlo

Los organismos se generan a partir de la información co-dificada en un conjunto de genes. El programa genéticohumano contiene suficiente información, si se convirtiera apalabras, para llenar millones de páginas de texto. Lo mássorprendente es que esta vasta cantidad de información seencuentra empacada en un conjunto de cromosomas que

CAPITULO 1 • Introducción al estudio de la biología celular

10 uní 0.3 um

\, Niveles de organización celular y molecular. Las fotografías de brillantes colores de un corte teñido muestran la estructu-ra microscópica de una vellosidad de la pared del intestino delgado según se observa con el microscopio cíe luz. El recuadro 1 muestra unamicrografía electrónica de la capa epitelial de células que revisten la pared interna del intestino. La superficie apical de cada célula, que mirahacia el conducto intestinal, contiene numerosas microvellosidades que participan en la absorción de nutrientes. La región basal de cada célu-la contiene un gran número de mitocondrias donde la célula dispone de energía. El recuadro 2 muestra la región apical de las microvellosidades;se puede observar que cada microvellosidad contiene un haz de microf¡lamentos. El recuadro 3 muestra la doble fila de moléculas de proteínaactina que constituyen cada filamento. En el recuadro 4 se muestra una mitocondria individual similar a las observadas en la región basal delas células epiteliales; el recuadro 5 muestra una parte de la membrana interna de la mitocondria, incluyendo partículas pediculadas (flecha dearriba) que se prolongan a partir de la membrana (flecha de abajo) y corresponden a los sitios donde se sintetiza ATP; el recuadro 6 muestra unmodelo molecular del aparato sintetizador de ATP que se analiza en mayor extensión en el capítulo 5. (Micrografía de luz, Cedí Fox/PhotoResearchers; recuadro I cortesía de Shakti P. Kapur, Georgetown University Medical Center; recuadro 2 cortesía de Mark S. Mooseker y Lewis G. Tüney,J. Cell Biol. 67:729,1975, con permiso de la Rockefeller University Press; recuadro 3 cortesía de Kenneth C, Holmes; recuadro 4 cortesía de Keith R. Porter/Photo Researchers; recuadro 5 cortesía de Humberto Pemandez-Moran; recuadro 6 cortesía de Roderick A. Capaldi.)

ocupa el espacio de un núcleo celular, miles de veces máspequeño que el punto sobre esta letra i.

Los genes son algo más que gavetas para almacenarinformación: constituyen las plantillas para construir estruc-turas celulares, y contienen instrucciones para poner enmarcha las actividades de la célula y el programa para re-producirse a sí mismos. Descubrir los mecanismos median-te los cuales las células emplean su información genéticapara efectuar estas funciones es uno de los más grandes¡ogros de la ciencia en los últimos años.

Las células tienen capacidadpara reproducirse a sí mismas

Así como se generan nuevos individuos por reproducción,lo mismo ocurre con las células nuevas. Las células se pro-ducen por división, proceso en el cual el contenido de unacélula "madre" se distribuye entre dos células "hijas". Antesde la división, el material genético se duplica con toda fide-lidad y cada célula hija recibe una dotación completa e igualde información genética. En la mayor parte de los casos, lasdos células hijas producidas durante la división poseenaproximadamente el mismo volumen. Sin embargo, en al-gunos casos, como ocurre durante la división del oocitohumano, una de las células puede retener casi todo el cito-plasma aunque reciba sólo la mitad del material genético(fig. 1-4).

Las células captan y consumen energía

El desarrollo y la operación de funciones complejas requiereel ingreso continuo de energía (fig. 1-5). Prácticamente todala energía que requiere la vida del planeta proviene en últi-mo término de la radiación electromagnética del sol. Lospigmentos que absorben luz presentes en las membranas decélulas fotosintéticas atrapan la energía de la luz. La energíalumínica se convierte por fotosíntesis en energía químicaalmacenada en carbohidratos ricos en energía, como lasucrosa o el almidón. La energía atrapada en estas molécu-las durante la fotosíntesis suministra el combustible que sir-ve para poner en marcha casi todas las actividades de losorganismos sobre la tierra. A la mayor parte de las célulasanimales la energía les llega ya empaquetada, por lo generalen forma del azúcar glucosa. En el ser humano, el hígadolibera glucosa a la sangre y este azúcar circula a través delcuerpo suministrando energía química a todas las células.Una vez dentro de la célula, la glucosa se descompone en talforma que su contenido energético se puede almacenar enuna forma rápidamente disponible (de ordinario como ATP),que posteriormente se emplea para poner en marcha lasmúltiples actividades que requieren energía dentro de lacélula.

Las células efectúan variadasreacciones químicas

Las células funcionan como plantas químicas en miniatu-ra. Incluso la célula bacteriana más sencilla es capaz de

20;im

FIGURA I -4. Reproducción celular. Este huevo de mamífero sufriórecientemente una división celular bastante desigual en la cual la ma-yor parte del citoplasma quedó retenida dentro del huevo grande, entanto que la otra célula sólo consta casi exclusivamente de materialnuclear en su totalidad (indicado por los cromosomas teñidos deazul). (Cortesía de Jonathan van Blerkom.)

efectuar cientos de diferentes transformaciones químicas,ninguna de las cuales ocurre a una tasa significativa en elmundo inanimado. Prácticamente todos los cambios quí-micos que ocurren en las células requieren enzimas: mo-léculas que incrementan mucho la velocidad de una reac-ción química. La suma total de las reacciones químicas queocurren dentro de una célula representa el metabolismocelular.

Las células participan en numerosasactividades mecánicas

Las células son sitios de actividad infatigable. Los materia-les son transportados de un sitio a otro, se sintetizan y des-componen con rapidez algunas estructuras, y en muchoscasos toda la célula se desplaza de un lugar a otro (fig. 1-6).Estas diferentes actividades dependen de cambios mecáni-cos dinámicos que ocurren en el interior de la célula, la

FIGURA 1-5. Captación de energía. Una célula viva del alga fila-mentosa Spirogyra. El cloroplasto en forma de listón que se observa enzig-zag a través de la célula es el sitio donde se captura la energía dela luz solar y se convierte en energía química durante la fotosíntesis.(M.L Walker/Photo Researchers, Inc.)

6 CAPITULO 1 • introducción a! estudio de la biología celular

mayor parte iniciados por alteraciones en la forma de cier-tas proteínas "motoras".

Las células tienen capacidadpara responder a los estímulos

Algunas células presentan respuestas obvias a los estímulos;por ejemplo, una célula ciliada única se aparta de un objetosituado en su camino o se desplaza hacia una fuente denutrientes. Las células dentro de una planta o animalmulticelular responden a ¡os estímulos en forma menos evi-dente, pero de todas maneras responden. La mayor partede las células están cubiertas con receptores que interactúancon las sustancias del medio de manera muy específica. Lascélulas poseen receptores a hormonas, factores de crecimien-to, materiales extracelulares y también sustancias situadasen la superficie de otras células. Los receptores de una célulaconstituyen una puerta de entrada a través de la cual losagentes externos pueden generar respuestas específicas. Aveces las células responden a un estímulo específico alteran-do sus actividades metabólicas, preparándose para la divi-sión celular, desplazándose de un lugar a otro o incluso"suicidándose".

Las células tienen capacidadde autorregulación

Además de sus necesidades energéticas para mantener unestado complejo ordenado se requiere regulación continua.Igual que en el cuerpo íntegro, dentro de cada célula vivaoperan muchos mecanismos de control diferentes. La im-portancia de los mecanismos reguladores de la célula es másevidente cuando fallan. Por ejemplo, la insuficiencia de lacélula para corregir un error cuando duplica su DNA puede

FIGURA 1-6. Locomoción celular. Este fibroblasto (tipo de célulado tejido conectivo) fue sorprendido en el acto de desplazarse sobrela superficie de una caja de cultivo. ! 3 célula está teñida con anti-cuerpos fluorescentes para revelar la distribución de !os filamentos deactina y los microtúbulos (cap. 9). El bord° redondeado de la célulava por delante; los agrupamientos de filamentos de actina en el bordedelantero son sitios donde se genera la fuerza del movimiento. (Cor-tesía de ¡. Víctor Small.)

Autorregulación. El diagrama de la izquierda mues-tra el desarrollo normal de un erizo de mar en el cual un huevo fer-tilizado da lugar a un solo embrión. El esquema de la derecha muestraun experimento en el cual se separan entre sí las células de un embrióndespués de la primera división y se permite que cada célula sedesarrolle por su cuenta. En vez de desarrollarse en la mitad de unembrión como ocurriría si no se le hubiera alterado, cada célula ais-lada reconoce la ausencia de su vecino y regula su desarrollo paraformar un embrión completo (aunque más pequeño).

producir una mutación nociva o trastornos en el control delcrecimiento celular que pueden transformar a la célula enuna célula cancerosa con capacidad para destruir a todo elorganismo. Poco a poco hemos aprendido cada vez másacerca de cómo la célula controla' sus actividades, pero aúnqueda mucho más por descubrir. Consideremos el siguienteexperimento efectuado en 1891 por el embriólogo alemánHans Driesch, quien observó que podía separar por comple-to las primeras dos o cuatro células del embrión de un erizode mar y cada una de las células aisladas proseguía su desa-rrollo hasta convertirse en embriones normales (fig. 1-7).¿Cómo puede una célula normalmente destinada sólo a for-mar parte de un embrión regular sus propias actividades yformar otro embrión entero? ¿Cómo puede la célula aisladareconocer la ausencia de sus células vecinas y de qué mane-ra este hecho puede reorientar el curso del desarrollo celu-lar? ¿Cómo puede la parte de un embrión adquirir el sentidode totalidad? En la actualidad no estamos en mejor posiciónpara responder estas preguntas, planteadas hace más de 200años cuando se efectuó el experimento.

A lo largo de este libro analizaremos procesos que re-quieren una serie de pasos ordenados, muy semejantes a lalínea de ensamblado para construir automóviles en la cual

CAPITULO 1 • Introducción al estudio de la biología celular 7

FIGURA 1-8. Las actividades de la célulacon frecuencia son análogas a esta máquina deRube Goldberg, en la cual un paso "automáti-co" dispara el siguiente paso en una reacciónsecuencia!. La figura 15-27 suministra un buenejemplo de este concepto. (Reimpreso con permisoespecial de King Fentures Syndicate.)

Máquina exprimidera para jugo de naranja

E! profesor Butts cayó por el foso abierto deun elevador y cuando llegó tierra abajo sóloencontró una máquina para exprimir naranjas,El lechero toma la botella de leche vacía (A) ytira de la cuerda (B), lo que provoca que laespada (C) corte la cuerda (D). Esto permiteque la hoja de la guillotina (E) caiga y corte lasoga (F), que libera el ariete de tronco (G). Elariete golpea la puerta abierta (H) y la cierra. Lahoz (I) corta la naranja |J), y al mismo tiempola espina (K) hiere al "halcón-ciruelero" (L). Este

abre la boca gritando de dolor y por lo tantosuelta la ciruela y permite que el zapato (M)caiga y se zambulla sobre la cabeza de un pul-po (N). El pulpo despierta iracundo y ve la caradel buzo dibujada sobre la naranja, la ataca y laoprime con sus tentáculos, de esta manera eljugo de la naranja cae al vaso (O).

Posteriormente el tronco puede emplearsepara construir una cabana en donde puede de-sarrollarse su hijo, quien podrá ser presidentecorno Abraham Lincoln.

los trabajadores añaden, quitan o hacen ajustes específicosconforme el automóvil se mueve a lo largo de la línea. En lacélula, la plantilla para elaborar productos se encuentra enlos ácidos nucleicos y los trabajadores que los construyenson principalmente proteínas. La presencia de estos dos ti-pos de macromoléculas, más que cualquier otro factor, con-fiere a la química de la célula sus características distintivasúnicas diferentes del mundo no vivo, En la célula, los traba-jadores deben actuar sin !a ventaja de un control externo.Cada paso del proceso debe ocurrir de manera espontánea yen forma tal que el siguiente paso se inicie automáticamente.Toda la información para dirigir una actividad particular,sea la síntesis de una proteína, la secreción de una hormonao la contracción de una fibra muscular, ya debe estar presen-te dentro del propio sistema. En gran medida, las funcionesde una célula operan de manera análoga al artefacto inven-tado por el profesor Butts para exprimir naranjas que semuestra en la figura 1-8.

1-3 Dos tipos fundamentalmentediferentes de células

Cuando el microscopio electrónico estuvo disponible en casitodo el mundo, los biólogos pudieron examinar la estructu-ra interna de una gran variedad de células. Estos estudiosrevelaron que hay dos tipos básicos de células, procariotas

y eucariotas, que pueden distinguirse por su tamaño y eltipo de sus estructuras internas u organelos que contienen(fig. 1-9). La existencia de dos tipos distintos de células, sinintermediarios conocidos, representa una de las más funda-mentales brechas de discontinuidad en la evolución delmundo biológico. Las células procariotas, estructuralmen-te más simples, sólo se encuentran entre las bacterias yrecíprocamente todas las bacterias constan de células pro-cariotas. Todos los otros tipos de organismos: protístas,hongos, plantas y animales, constan estructuralmente decélulas eucariotas más complejas. Las células procariotasvivas en la actualidad son notablemente semejantes a lascélulas fosilizadas que se encuentran en rocas desde Austra-lia hasta Sudáfrica y que datan de hace más de 3 500 millo-nes de años (fig. 1-10). En realidad, se piensa que las célulasprocariotas fueron los únicos seres vivos sobre el planetadurante casi 2 000 millones de años antes de la aparición delos primeros eucariotes.

Características que distinguen a las célulasprocariotas y a las eucariotas

La siguiente comparación breve entre células eucariotas yprocariotas revela muchas diferencias básicas, pero tam-bién similitudes (fig. 1-9). Las similitudes reflejan el hechode que las células eucariotas casi con certeza evolucionaron

CAPITULO 1 • Introducción al estudio de la biología celular

Ribosomas

DNAdenucleótido

Membrana plasmática

Pared celular

Cápsula

FIGURA 1-9. La estructura de la célula. Diagramas esquemáti-cos de una bacteria "generalizada" (a), vegetal (b) y animal fe).Nótese que los organelos no están dibujados a escala.

(a)

Cubierta del núcleoNúcleo Nucleoplasma

Nucléolo

Retículoendoplásmíco

rugoso

Pared celular-


Plasmodesma

M ¡tocón dría

Ribosomas

Vesícula

Citosol

Cloroplasto

Retículoendoplásmico

Peroxisoma

Complejo de Golgi

-Vacuola

Microtúbulos

(b)


Ribosomas

Mitocondria

Complejo de Golgi

Lisosoma

Retículoendoplásmico

rugoso

Microfílamentos


Citosol

, >^;*£ •".*. • )J !

Cubierta nuclear

Nucleoplasma

Nucléolo

Retículoendoplásmicorugoso

Peroxisoma

Centríolo

Microtúbulo

Vesícula

Núcleo

fe)

FIGURA 1-9. Continuación.

a partir de ancestros procariotes. Debido a su linaje común,ambos tipos de células comparten un lenguaje genético idén-tico, un conjunto común de vías metabólicas y muchos ras-gos estructurales comunes. Por ejemplo, ambos tipos de cé-lulas están rodeadas por una membrana plasmática deestructura similar que sirve como barrera selectivamentepermeable entre ios mundos vivo y no vivo. Ambos tipos

FIGURA 1-10. La forma de vida más antigua sobre el planeta.Molde de una cianobacteria filamentosa de 3 500 millones de años deedad tomada en eí oeste de Australia. (Cortesía de SM. Awramik.)

de células pueden rodearse de una pared celular rígida, noviva, que protege la delicada forma de vida de su interior.Aunque las paredes celulares de los procariotes y los euca-riotes pueden tener funciones semejantes, su composiciónquímica es muy diferente.

Internamente, las células eucariotas son mucho máscomplejas, tanto estructural como funcionalmente, en com-paración con las células procariotas (fig. 1-9). Ambas contie-nen una región nuclear que alberga el material genéticode la célula, rodeada de citoplasma. El material genético deuna célula procariota se encuentra en un nucleoide, regiónde la célula mal demarcada que carece de membrana limi-tante para separarla del citoplasma que la rodea. Por locontrario, las células eucariotas poseen un núcleo, una re-gión rodeada por una estructura membranosa complejadenominada cubierta nuclear. Esta diferencia en la estructu-ra del núcleo es la base de los términos procariote (pro, antes;carian, núcleo) y encañóte (eu, verdadero; carian, núcleo). Lascélulas procariotas contienen cantidades relativamente pe-queñas de DNA: la longitud total del DNA de una bacteriaoscila entre 0.25 mm y casi 3 mm, cantidad suficiente paracodificar unos pocos miles de proteínas. Aunque las célulaseucariotas más simples sólo poseen un poco más de DNA(4.6 mm en las levaduras) que los procariotes más comple-jos, la mayor parte de las células eucariotas (incluso las demicroorganismos eucariotes) contienen varios órdenesde magnitud más de información genética. Ambos tipos decélulas poseen cromosomas dentro del DNA, pero numero-sos cromosomas de una célula eucaríota constan de fibras

s

10 CAPITULO 1

FIGURA ] -1 1. Estructura de una célula eucariota. La estructurainterna varía mucho de un tipo de célula a otro. Esta célula epite-lial particular reviste una. parte del conducto reproductivo mascu-lino de las ratas. En los diagramas que rodean a la figura se mues-tran e indican algunos organelos diferentes. (Microgmffa electrónicapor David Phillips/Visnals Unlimited.)

Retículoendopíásmico

rugoso

2um


que contienen DNA y proteína, en tanto que el cromosomaúnico de una célula procariota prácticamente sólo contieneDNA "desnudo".

El citoplasma de los dos tipos de células también esmuy diferente. El citopolasma de una célula eucariota con-tiene una gran diversidad de estructuras, como puede ob-servarse con facilidad por el examen más superficial de unamicrografía electrónica de casi cualquier célula eucariota(fig. 1-11). Lo más notable es que las células eucariotas con-tienen un arreglo de organelos membranosos cubiertos pormembranas. Por ejemplo, en condiciones típicas, las célulasanimales y las vegetales contienen mitocondrias, donde seencuentra disponible la energía química para abastecer decombustible a todas las actividades celulares; un retículoendoplásmico, donde se elaboran la mayor parte de los lípi-dos y proteínas de las células; complejos Golgi, donde losmateriales se clasifican, modifican y envían a su destinocelular específico; y una gran variedad de vesículas simplesde dimensiones variables envueltas por membranas. Lascélulas vegetales contienen organelos membranosos adicio-nales, incluyendo cloroplastos, que son sitios de la fotosín-tesis y con frecuencia una sola vacuola grande que a vecesocupa la mayor parte del volumen celular. Consideradasen conjunto, las membranas de la célula eucariota sirvenpara dividir el citoplasma en compartimientos dentro delos cuales pueden efectuarse actividades especializadas. Porlo contrario, el citoplasma de las células procariotas estáprácticamente desprovisto de estructuras membranosas. Lasexcepciones a esta generalización incluyen a los mesosomas,derivados de pliegues simples de la membrana plasmática(fig. 1-9), y las membranas fotosintéticas complejas de lascianobacterias (fig. 1-15).

Las membranas citoplásmicas de las células eucariotasforman un sistema de conductos y vesículas interconectadascuya función es dirigir el transporte de sustancias de unaparte a otra de la célula y también entre el interior de lacélula y su entorno. Debido a su pequeño tamaño, la comu-nicación intracitoplásmica dirigida tiene menor importanciaen las células procariotas, donde los movimientos necesa-rios de materiales se pueden efectuar por simple difusión.

Las células eucariotas también contienen numerosasestructuras que carecen de membrana. En este grupo seincluyen los túbulos alargados y filamentos del citoesque-leto que participan en la contractilidad y los movimientosde la célula, y también sirven como apoyo. Las célulasprocariotas en general carecen de estructuras comparables.Sin embargo, tanto las células eucariotas como las procario-tas poseen ribosomas que son partículas no membranosasque funcionan como "mesas de trabajo" sobre las cuales seelaboran las proteínas celulares. Aunque los ribosomas delas células procariotas y eucariotas tienen dimensiones con-siderablemente diferentes (los ribosomas de los procariotesson más pequeños y contienen menor número de elemen-tos), estos organelos participan en el ensamblado de proteí-nas mediante un mecanismo similar en ambos tipos de cé-lulas.

Se pueden observar otras diferencias importantes entrelas células eucariotas y las procariotas. Las células eucario-tas se dividen por un complicado proceso de mitosis en elcual los cromosomas duplicados se condensan en estructu-

ras compactas y son separados por un elaborado aparatoque contiene microtúbulos (fig. 1-12). En los procariotes, elcromosoma no se condensa y tampoco hay aparato fusifor-me. El DNA se duplica y las dos copias simplemente seseparan por el crecimiento de una membrana celular inter-puesta. Este mecanismo de división más simple permite alas células procariotas proliferar a una velocidad muchomás rápida que las células eucariotas; una población debacterias bien alimentada puede duplicar su número cada20 a 40 minutos.

Los procariotes en su mayor parte son microorganismosasexuados. Sólo contienen una copia de su único cromoso-ma y no cuentan con ningún proceso comparable a la meio-sis, formación de gameto o verdadera fertilización. Aunqueno hay verdadera reproducción sexual entre los procariotes,algunos son capaces de conjugación, en la cual un fragmentode DNA pasa de una célula a otra (fig. 1-13). Sin embargo, lacélula receptora casi nunca recibe un cromosoma completodel donador y la situación en la cual la célula receptoracontiene tanto su propio DNA como el de su pareja es fugaz.La célula pronto vuelve a la situación en la cual posee unsolo cromosoma.

Aunque las células eucariotas poseen gran variedad decomplejos mecanismos locomotores, los correspondientes alos procariotes son muy simples. El movimiento de una cé-lula procariota se puede efectuar mediante un delgado fila-mento proteínico denominado flagelo, que sobresale de lacélula y posee movimientos de rotación (fig. 1-14, a). Losgiros del flagelo ejercen presión contra el líquido que lorodea y como resultado la célula avanza hacia adelante. Cier-tas células eucariotas, incluyendo muchos protistas y célu-las espermáticas, también poseen flagelos, pero la versióneucariota es mucho más complicada que el simple filamento

-• La división celular en los eucariotes requiere elensamblado de un aparato especializado separador de cromosomasdenominado huso mitótico, construido principalmente de microtúbu-los cilindricos. En esta micrografía los microtúbulos aparecen de colorverde debido a que se unen específicamente a un anticuerpo relacio-nado con un colorante verde fluorescente. Los cromosomas,- que casiestaban separados en dos células hijas cuando se fijó esta célula, estánteñidos de azul. (Cortesía de Conhj L Rieder.)

12 CAPITULO 1 • Introducción al estudio de la biología celular

• ,*

1 pm

FIGURA 1-13. Conjugación bacteriana. Micrografía electrónicaque muestra bacterias "macho" y "hembra" unidas por una estructuraprocedente de la célula macho, denominada F pilus, a través de la cualle pasa DNA a la hembra. (Cortesía de Charles C. Brinton.)

proteínico de la bacteria y emplea mecanismos diferentespara generar movimiento (fig. 1-14, b).

En los párrafos precedentes se mencionaron muchas delas diferencias más importantes entre los niveles procariotay eucariota de organización celular. En los siguientes capítu-los ampliaremos muchos de esos puntos. Antes de calificara los procariotes como "inferiores" hay que recordar queestos microorganismos han permanecido sobre la tierra du-rante más de 3 000 millones de años, y en este mismo ins-tante millones de ellos se están adhiriendo a la superficieexterna de nuestro propio cuerpo y compartiendo los nu-trientes en nuestro conducto digestivo. También debemosconsiderar que metabólicamente los procariotes son micro-organismos muy especializados. Por ejemplo, una bacteriacomo Escherichia coli, habitante común del conducto diges-tivo del ser humano y de las placas de cultivo en los laborato-

fo) l/im

30 nm

0.5 um

FIGURA 1-14. Diferencia entre flagelados procariotas y eucario-tas. a) La bacteria Salmonella con sus numerosos flagelos. El recuadromuestra una vista muy amplificada de una parte del flagelo bacteria-no único, que consta principalmente de una sola proteína denomina-da flagelina. b) Cada uno de estos espermatozoides humanos estáprovisto de movimientos ondulatorios efectuados con un solo flagelo.El recuadro muestra una sección transversal del flagelo de un esper-matozoide que revela una estructura compleja que consta de cientosde proteínas diferentes, (a: Según Bernard R. Gerber, Lewis M. Routledgey Shiro Takashima, J. Mol. Biol. 71:322, 1972, copyright: Academia Press,Inc.; recuadro cortesía de Julius Adler y M.L. DePamphilis; b: micrografiacortesía de David M.. Phillips/Visuals Unlimited, recuadro cortesía de DonW. Fawcett.)

rios, tiene la capacidad de vivir y prosperar en un medioque sólo contiene alguna fuente de carbono y nitrógeno yunos cuantos iones inorgánicos. Estas células bacterianascontienen todas las enzimas necesarias para convertir uno odos compuestos orgánicos de bajo peso molecular en cien-tos de sustancias que la célula debe contener. Otras bacte-rias son capaces de vivir con una "dieta" a base de purassustancias inorgánicas. Por lo contrario, incluso las célulasmetabólicamente mejor dotadas de nuestro cuerpo requie-ren gran variedad de compuestos orgánicos, incluyendonumerosas vitaminas y otras sustancias esenciales que nopueden elaborar por sí mismas. En realidad, muchos deestos ingredientes dietéticos esenciales son producidos porbacterias que normalmente viven en el intestino grueso.


resistieron los efectos destructivos de este gas, sino que enrealidad dependían del mismo para extraer su energía quí-mica.

Muchas cianobacterias son capaces no sólo de la fo-tosíntesis, sino también de fijar nitrógeno, o sea, convertirel gas nitrógeno (Ni), de otro modo inútil, en formas redu-cidas de nitrógeno (como el amonio, NHs) que las célulaspueden emplear para sintetizar compuestos orgánicos quecontienen nitrógeno, incluyendo aminoácidos y nucleóti-dos. Las especies con capacidad de fotosíntesis y de fijarnitrógeno pueden sobrevivir con los recursos, más simples,como luz, N2, COo y H2Ü. Por lo tanto, no es sorprendente

Tipos de células procariotas

Según los esquemas actuales de clasificación, los procario-tes se dividen en dos grupos principales o subreinos: lasarqueobacterias y las eubacterias. Las arqueobacterias inclu-yen tres grupos de bacterias primitivas cuyos vínculosevolutivos entre sí se manifiestan por la similitud en lasecuencia de nucleótidos de sus ácidos nucleicos. Las ar-queobacterias vivas están representadas por los metanóge-nos [bacterias capaces de convertir el CÜ2 y el gas de Ü2 agas metano (CH4)]; los halófilos (bacterias que viven enmedios sumamente salinos, como el Mar Muerto o el GranLago Salado), y los termoacidófilos (bacterias que viven enmanantiales calientes y muy ácidos). Se piensa que las ar-queobacterias incluyen a los parientes vivos más cercanosde las primeras células que evolucionaron sobre la tierra.

Todos los otros tipos de bacterias se clasifican en elsubreino Eubacteria. Este subreino incluye la célula viva máspequeña, el micoplasma (0.2^01 de diámetro) que es tam-bién el único procariote que carece de pared celular. Losprocariotes más complejos son las cianobacterias (anti-guamente conocidas como algas azul verdosas debido a laespuma verde azulosa que pueden formar en la superficiede lagos y estanques). La cianobacterias contienen arreglosmuy elaborados de membranas citopíásmicas que sirvencomo sitios para la fotosíntesis (fig. 1-15, a). Las membranascitopíásmicas de las cianobacterias son muy similares a lasmembranas fotosintéticas presentes en los cloroplastos delas células vegetales.

Igual que las plantas y a diferencia de otras bacterias,en las cianobacterias la fotosíntesis se efectúa por desdo-blamiento de moléculas de agua que libera oxígeno mole-cular. Antes de la evolución de las cianobacterias, haceunos 3 000 millones de años, la atmósfera terrestre estabaprácticamente desprovista de oxígeno y la vida sobre latierra sólo consistía de procariotes independientes de oxí-geno (anaerobios). Como se describe en el capítulo 2, eloxígeno molecular puede ser una sustancia sumamentetóxica. Conforme las cianobacterias se convirtieron en laforma dominante de vida, llenaron las aguas y la atmósfe-ra de la tierra con el mortífero C>2, que empujó a la mayorparte de los otros microorganismos procariotes hacia habi-tat anaerobios remotos. La presencia de Ü2 en la atmósferaseleccionó nuevos tipos de microorganismos que no sólo

FIGURA 1-15. Cianobacteria. a) Micrografía electrónica de unacianobacteria que muestra la membrana cítoplásmica donde se efec-túa la fotosíntesis. Estos apilamientos de membranas fotosintéticasrecuerdan los de las membranas tilacoides presentes dentro decloroplastos de células vegetales, una característica que apoya la hi-pótesis de que los cloroplastos evolucionaron a partir de cianobacte-rias simbióticas, b) Las cianobacterias que viven entre los pelos de lososos polares causan el color verdoso poco habitual de su pelaje, (a:Cortesía de C.C. Remsen, S.W. Watson, ¡.B. Waterbury y H.S. Truper, enJ. Bacteriol. 95:2374, 1968, b: cortesía de Zoological Society o/Sn. Diego.)


que las cianobacterias de ordinario sean los primeros mi-croorganismos en colonizar las rocas desnudas desprovis-tas de formas vivas gracias a la ardiente lava de una erup-ción volcánica. En la figura 1-15, b, se ¡lustra otro habitatpoco común ocupado por las cianobacterias.

Tipos de células eucariotas:especialización celular

En muchos aspectos las células más complejas no se en-cuentran en los grandes organismos vegetales o animales,sino más bien en algunos de los microorganismos eucario-tas más pequeños, como los protozoarios ciliados que semuestran en la figura 1-16. Estas células son complejas de-bido a que una sola célula constituye un organismo unice-lular (de una sola célula) completo. Todos los mecanismosnecesarios para las complejas actividades en las cuales par-ticipan estos microorganismos, como percibir el ambiente,procurarse alimento, excretar el exceso de líquido, evadir alos depredadores, deben alojarse en los confines de unasola célula. La formación de microorganismos unicelularesmuy complejos representa una vía de la evolución. Otravía alterna fue la evolución de microorganismos multice-lulares en los cuales las diferentes actividades son efectua-das por diferentes tipos de células especializadas. Algunasde las ventajas de la división del trabajo entre las células sepuede apreciar si se examina el ciclo de vida de uno de loseucariotes más simples, el moho celular del fango, Dz'cfyos-télium.

Durante la mayor parte de su ciclo de vida, las célulasdel moho del limo existen como amibas solitarias indepen-dientes que se arrastran sobre su sustrato. Cada célula es unorganismo completo autosuficiente (fig. 1-17, a). Sin embar-go, cuando el suministro de alimento escasea, aparece unnuevo tipo de actividad entre las células y se reúnen paraformar un agregado llamado seudoplasmodio, o simplementebabosa (fig. 1-17, b), que se desplaza lentamente sobre elsustrato dejando un rastro de "limo o baba". Los organismossimples previamente aislados son ahora pequeñas partes deun individuo multicelular mucho mayor. El examen del inte-rior de la babosa revela que las células ya no son una pobla-ción homogénea. Más bien, las células situadas en el tercioanterior de la babosa (llamadas células precursoras del tallo)se pueden distinguir de las situadas en la sección posterior(llamadas células precursoras de esporas) mediante variadoscriterios (fig. 1-17, b, recuadro). Si se espera un poco másocurren una serie de hechos espectaculares: el seudoplas-modio detiene su desplazamiento, gira sobre el sustrato (fig.1-17, c) y luego se extiende hacia arriba, al aire, como el cuer-po de un fruto alargado (fig. 1-17, d). El cuerpo de este frutoestá compuesto de un delgado tallo (derivado de las célulasprecursoras del tallo) que apoya una masa redondeada deesporas encapsuladas latentes (derivados de células precur-soras de esporas). Las células del tallo y de las esporas tie-nen una función muy diferente que requiere diversos tiposde especialización citoplásmica. Las células del tallo sumi-nistran apoyo mecánico para sostener la masa de esporasarriba del sustrato, en tanto que las células de esporas estándestinadas a "dispersarse en el viento" y transformarse en

FIGURA 1-16. Vorticeüa, un protista complejo ciliado. Cierto nú-mero de individuos se juntan; la mayoría han perdido sus "cabezas"debido al acortamiento de la banda contráctil en el tallo. (CarolinaBiological Supply Co./Phototíike.)

la siguiente generación de amibas. El proceso mediante elcual una célula relativamente no especializada, como el mohoamibiano del fango, se convierte en una célula altamenteespecializada, como las células del tallo o de las esporas, sedenomina diferenciación.

Una célula amibiana del moho de! fango dispone dedos vías alternas de diferenciación cuando entra en la etapade agregación. Por lo contrario, cuando el óvulo de un ver-tebrado es fertilizado y avanza en su desarrollo embrionariotiene a su disposición cientos de posibles vías de diferencia-ción. Algunas células se convierten en parte de una glánduladigestiva particular, otras en parte de un músculo esquelé-tico largo y otras en parte de un hueso (fig. 1-18). La vía dediferenciación que sigue cada célula embrionaria dependeprincipalmente de las señales que recibe de su entorno, quea su vez dependen de la posición de dicha célula dentro delembrión.

Como resultado de la diferenciación, distintos tipos decélulas adquieren un aspecto distintivo y contienen materia-

fa)

FIGURA 1-17. Ciclo de vida de un moho del fango, a) Amibas que se van agregando pordesplazamiento hacia un centro común. (Cortesía ríe John Ti/Ser Bor.ncr.) b) Después de la agrega-ción, las células forman una masa (o seudoplasmodio) que se desplaza sobre el sustrato dejandoun rastro de "fango" en su camino. Las células del extremo delantero de la masa (que se con-vertirán en células del tallo) se pueden distinguir de las células del extremo posterior (que seconvertirán en células esporas). Como se muestra en el recuadro, las células precursoras de lasesporas del extremo posterior de la masa incorporan 3H-fucosa, un azúcar marcado con isótoposradiactivos que formarán parte de la cubierta de la espora, en tanto que las células precursorasdel tallo carecen de esta actividad. La incorporación de azúcar radiactivo se manifiesta por lapresencia de granos negros plateados sobre las células precursoras de esporas. (Cortesía de DavidFrancis, recuadro por G. Karp.) c) La migración de la masa cesa, se redondea y comienza a despren-derse del sustrato. Se observan las células que entraron a formar parte del tallo en el extremosuperior. (Cortesía ríe Kennsth B. Rapa:) d) El frutal consiste en un tallo alargado que sostiene unamasa de esporas en su extremo superior. Cada espora dará lugar a una amiba independiente quevuelve a iniciar el ciclo de vida. (Cortesía de ¡ohn Tyler Bonner.)

Célulasprecursorasdel tallo

(d)

les únicos. Las células del músculo esquelético contienenuna red de filamentos alineados con precisión y compuestosde proteínas contráctiles peculiares; las células del cartílagose rodean de una matriz característica que contiene polisa-cáridos y la proteína colágena, que juntos suministran apo-yo mecánico; los eritrocitos se convierten en sacos de formadiscoide llenos de una proteína única, !a hemoglobina, quetransporta oxígeno, y as¿ sucesivamente. Sin embargo, a pe-sar de sus muchas diferencias, las diversas células de unaplanta o animal multicelular están formadas de organelossimilares. Por ejemplo, se encuentran mitocondrias en prác-ticamente todos los tipos de células. No obstante, en un tipopueden ser redondas en tanto que en otro a veces adoptanforma fibrilar muy alargada. De manera similar, las mito-condrias de una célula pueden estar dispersas por todo e!citoplasma, en tanto que en otra las células se concentrancerca de una superficie particular donde ocurre el transpor-te dependiente de energía. En cada caso, el número, aspecto

y ubicación del organelo se puede correlacionar con las ac-tividades del tipo de célula particular. Se puede estableceruna analogía con las diferentes piezas que interpreta unaorquesta: todas están compuestas de las mismas notas, perolos diferentes arreglos confieren a cada una sus característi-cas y belleza únicas.

El tamaño de las células y de sus elementos

La figura 1-19 muestra comparativamente el tamaño relati-vo de algunas estructuras de interés en biología celular.Casi todas las células son microscópicas; por lo tanto, lasunidades más comúnmente empleadas en este libro corres-ponden a dimensiones lineales muy pequeñas. De ordina-rio se emplean dos unidades de medida lineal para descri-bir estructuras del interior de la célula: el micrómetro (/mi)y el nanómetro (nm). Un/ím es igual a 10~6 metros y un nm


Células nerviosas

Tejido conectivo laxocon fibroblastos

"1

Tejido óseocon osteocitos Músculo liso

Células grasas(adiposas)

Células del músculo estriado

Células epitelialesdel intestino

FIGURA 1-18. Vías de diferenciación celular. Se presentan unos pocos de los tipos de diferenciación celular en el feto humano.

es igual a 10~9 metros. Aunque ya no se acepta formalmen-te en la nomenclatura métrica, el angstrom (A), que es iguala un décimo de nm, todavía se emplea con frecuencia enbiología molecular para describir dimensiones atómicas. Unangstrom por lo general equivale al diámetro de un átomode hidrógeno. Una molécula proteínica globular típica (comola mioglobina) tiene 4.5 nm x 3.5 nm X 2.5 mm y las proteí-nas alargadas {como la colágena o la miosina) tienen más de100 nm de longitud, y el DNA tiene más o menos 2.0 nmde ancho. Complejos de moléculas grandes, como los ribo-somas, microtúbulos y microfilamentos, poseen diámetroentre 5 y 25 nm. Organelos más grandes, como los núcleos(unos 10 ¿¡m) o las mitocondrias (alrededor de 2 ¿¿m) sonmás fáciles de definir en micrómetros.

El tamaño de las bacterias típicas varía entre 1 y 5//m delongitud, en tanto que las células eucariotas de ordinariotienen entre 10 y 30 /ím. Hay bastantes razones para que lascélulas sean tan pequeñas. Consideremos las siguientes:

• Independientemente del tamaño de la célula, el núcleoúnico sólo contiene dos copias de la mayor parte de losgenes. Puesto que los genes actúan como moldes para laproducción de RNA mensajeros transportadores de in-formación, una célula sólo puede producir un númerolimitado de RNA mensajeros en determinado tiempo.Cuanto mayor sea el volumen del citoplasma celularmás difícil será sintetizar el número requerido de men-sajes nucleares.


Conforme el tamaño de la célula se incrementa, la pro-porción entre superficie/volumen disminuye.1 La ca-pacidad de una célula para intercambiar sustancias ensu ambiente es proporcional a la superficie. Si una célu-la crece más de cierto tamaño, su superficie no seríasuficiente para captar sustancias (p. ej., oxígeno, nutrien-tes) necesarios, para apoyar sus actividades metabó-licas.Una célula depende en gran medida del movimiento alazar de las moléculas (difusión). Por ejemplo, el oxígenodebe difundir desde la superficie de la célula a travésdel citoplasma hasta el interior de las mitocondrias.Conforme la célula aumenta de tamaño y la distanciade la superficie al interior también crece, el tiempo

requerido para que la difusión desplace las sustanciashacia adentro y hacia afuera de la célula metabólica-mente activa puede ser prohibitivamente prolongado.

Las células que tienen dimensiones excepcionalmentegrandes, como el huevo de avestruz y la célula nerviosa dela jirafa, en la figura 1-19, tienen propiedades poco habitua-les. El huevo del avestruz, y los huevos de muchos otrospeces, reptiles y aves, en realidad contienen una cantidadmuy pequeña de protoplasma vivo que se sitúa por encimade una gran cantidad de yema inerte, empleada comonutriente para el embrión en desarrollo. Aunque la célulanerviosa de la jirafa y las células nerviosas de otros anima-les grandes pueden ser muy largas, su diámetro todavía esmicroscópicamente pequeño.

1 Se puede comprobar esta afirmación calculando área y volumende un cubo cuyas aristas sean de 1 cm de longitud en comparación conotro cuyas aristas sean de 10 cm de longitud. La proporción área/volumen del cubo más pequeño es considerablemente mayor que ladel cubo más grande.

1-4 Virus

En los últimos decenios del siglo XIX, el trabajo de LouisPasteur y de otros investigadores convenció al mundo cien-tífico de que las enfermedades infecciosas de plantas y ani-

Célulanerviosade jirafa

Yema dehuevo deavestruz Amiba

Célulahumana

Núcleo de lacélula hepá-tica humana Bacteria Ribosotna Poro nuclear

Membranaplasmática

1 metro

0.000,0000001 de metro000000001 de metro0.00000001 de metro

0.0000001 de metro

0.000001 de metro

0.00001 de metro

0.0001 de metro

0.001 de metro

0.01 de metro

0.1 de metro

1.0 metro

10 metrosDisminuciónen potencias

de 10

10 metros

FIGURA 1 - L'*. Tamaños relativos de las células y de los componentes celulares. Cada unidad de medida es un décimo mayor que la unidadprecedente. Aunque el huevo completo de avestruz es técnicamente una célula, la porción viva sólo se encuentra como un delgado discomicroscópico situado sobre el borde de una gran masa inerte de yema de huevo.


males eran causadas por bacterias. Pero el estudio de laenfermedad del mosaico del tabaco y la fiebre aftosa delganado pronto indicaron la existencia de otro tipo de agen-tes infecciosos. Por ejemplo, se observó que la savia de unaplanta de tabaco enferma era capaz de transmitir ia enfer-medad del mosaico a una planta saludable, aun cuando lasavia no demostró contener bacterias cuando se examinó almicroscopio de luz. Además, la savia de una planta conti-nuaba siendo infecciosa aun después de pasar a través defiltros cuyos poros eran tan pequeños que retardaban e!paso de las bacterias más pequeñas conocidas. Estudiosadicionales demostraron que, a diferencia de las bacterias,el agente infeccioso no podía crecer en medios de cultivo amenos que también estuvieran presentes células vegetalesvivas. Los investigadores concluyeron que ciertas enferme-dades eran causadas por patógenos aún más pequeños yquizá más simples que las bacterias más pequeñas. Estospatógenos recibieron el nombre de virus.

En 1935, Wendell Stanley, del Instituto Rockefeller,publicó que el virus causante de la enfermedad del mosaicodel tabaco se podía cristalizar y que los cristales eran infec-ciosos. Los cristales poseen una estructura interna regular-mente repetitiva. Las sustancias que forman cristales tienenuna estructura bien definida muy ordenada y son muchomenos complejas que las células más simples. Stanley con-cluyó erróneamente que el virus del mosaico del tabaco(VMT) era una proteína. En realidad, el VMT es una partí-cula en forma de bastoncillo que consta de una sola molécu-la de RNA rodeada por una cubierta helicoidal compuestade subunidades de proteína (fig. 1-20).

Los virus causan docenas de enfermedades en el serhumano, incluyendo SIDA., poliomielitis, influenza, herpeslabial, sarampión y unos pocos tipos de cáncer (véase sec-ción 16-3). Los virus presentan una gran variedad de for-mas, tamaños y estructuras muy diferentes, pero todos com-parten ciertas propiedades comunes. Todos los virus sonparásitos intracelulares obligatorios, o sea, no pueden re-producirse a menos que se encuentren dentro de una célulahuésped, la cual, según el virus específico, puede ser unacélula vegetal, animal o bacteriana. Fuera de una célulaviva, el virus existe como partícula, o virión, que no es másque un paquete de macromoléculas. El virión contiene unapequeña cantidad de material genético que, según el virus,puede ser RNA o DNA de cadena simple o doble. Es nota-ble que algunos virus contienen escasos genes diferentes,tres o cuatro, pero otros pueden tener hasta varios cientosde ellos. Cuanto menor el número de genes más depende elvirus de las enzimas y de otras proteínas codificadas por losgenes de su célula huésped.

El material genético del virión está rodeado por unacápsula proteínica, o cápside, por lo general constituida porun número específico de subunidades. Entre las ventajas deconstruir con subunidades una de las más aparentes es eco-nomizar información genética. Si la cubierta del virus estáformada por muchas copias de una sola proteína, como enel VMT, o de unas pocas proteínas como las cubiertas demuchos otros virus, sólo se necesita uno o unos cuantosgenes para codificar las proteínas de la cubierta.

Muchos virus poseen una cápside cuyas subunidadesse organizan en formas poliédricas, una estructura con la-

Cubierta proteínicade la capsómera

Acidonucleico

Nucieocápside

(b) 50 nm

FIGURA 1-20. Virus del mosaico del tabaco (VMT). a) Diagramade una porción de la partícula del VMT. Las subunidades de proteínaen forma de bastón (capsómera) que son idénticas en toda la longitudde la partícula incluyen una sola molécula helicoidal de RNA. Semuestra el RNA que sobresale en el extremo donde se ha desprendidola proteína. La cápside proteínica con el RNA incluido se denominanucleocápside. b) Micrografía electrónica de partículas del VMT luegode tratamiento con fenol para eliminar las subunidades de proteína dela porción media de la partícula de arriba y de los extremos de lapartícula de abajo. Los bastones íntegros tienen unos 300 nm de lon-gitud y 18 nm de diámetro, (b: Cortesía de M.K. Corbetí.)

dos planos. Una forma poliédrica particularmente comúnen los virus es el icosaedro de 20 caras. Por ejemplo, e! ade-novirus que provoca infecciones respiratorias en mamífe-ros tiene una cápside icosaédrica (fig. 1-21, a). En muchosvirus de animales, incluyendo el virus de la inmitnodefcienciahumana (HIV) causante del SIDA, la cápside proteínica estárodeada por una cubierta externa que contiene lípidos deri-vados de la membrana plasmática de la célula huésped con-forme las yemas virales se forman en la superficie de lacélula huésped (fig. 1-21, b). Integrada a la cubierta lípida seencuentran las proteínas virales localizadas en la membranaplasmática de la célula huésped antes de la gemación. Losvirus de bacterias, o bacteriófagos, son de los más complejos(fig. 1-21, c). El bacteriófago T (utilizado en experimentosclave que revelaron la estructura y propiedades del mate-


rial genético) consta de una cabeza poliédrica que contieneDNA, un tallo cilindrico a través del cual se inyecta DNA alinterior de la célula bacteriana, y una cola de fibras quejuntas dan a la partícula el aspecto de un módulo que aterri-za sobre la luna.

Cada virus tiene sobre su superficie una proteína capazde enlazarse a un componente particular de la superficie desu célula huésped. Por ejemplo, la proteína que se proyectadesde ¡a superficie de la partícula del HIV (marcada gp!20en la figura 1-21, b, recibe ese nombre por glucoproteínacon peso molecular de 120 000 daltons2) interactúa con unaproteína sobre la superficie del leucocito humano, lo quefacilita la entrada del virus al interior de su célula huésped.Corno se analiza en el ensayo La perspectiva humana, la partí-cula gpl20 es la base de la primera generación de vacunasanti SIDA que en la actualidad están en prueba.

La interacción entre las proteínas virales y las del hués-ped determina la especificidad del virus, o sea, el tipo decélulas huésped'a las cuales el virus puede penetrar e infec-

2 El Dalton equivale a una unidad de masa atómica, el peso de unsolo átomo de hidrógeno ^H).

tar. Algunos virus tienen un conjunto muy limitado deposibles huéspedes, sólo tienen capacidad para infectar algu-nas células de ciertos huéspedes. Esto es cierto, por ejemplo,para la mayor parte de los virus del resfriado común quesólo pueden infectar células epiteliales respiratorias del serhumano. Otros virus, como el de la rabia, pueden infectar auna variedad de diferentes especies de huéspedes, incluyen-do perros, murciélagos y el hombre.

Los viríones son agregados macromoleculares, partícu-las inanimadas que por sí mismas son incapaces de repro-ducirse, efectuar actividades metabólicas o cualquiera otraactividad relacionada con la vida. Por esta razón, no se con-sidera organismos a los virus y no se describen corno "seresvivos". No obstante, una vez que se fijan a la superficie ex-terna de un huésped y pasan al interior de la membranaexterna de la célula el virus contiene la información necesa-ria para alterar totalmente las acitividades de la célula hués-ped. Hay dos tipos básicos de infección viral: 1) En la mayorparte de los casos el virus detiene las actividades normalesde síntesis en el huésped y reorienta a la célula para emplearsus materiales disponibles en la elaboración de ácidosnucleicos y proteínas virales, que se ensamblan para formarnuevos viriones. En otras palabras, los virus no crecen como

(a)

Cubiertaproteínica

Proteínagp120 de la

cubierta

RNA

Acidonucleico Transcriptasa

inversa

Bicapade lípidos

(c) (b)

FIGURA 1-21. Diversidad de los virus. Estructuras de: a) un adenovirus, b) un virus de la inmunodeficiencia humana (HIV), y c) un bacterió-fago T-homogéneo.

20 CAPITULO 1 • ¡ntroducción al estudio de la biología celular

células; se ensamblan directamente a partir de sus elemen-tos para formar viriones de tamaño maduro. Por último, lacélula infectada se rompe (lisis) y libera una nueva gene-ración de partículas virales capaces de infectar a las célulasvecinas. Un ejemplo de este tipo de infección lítica se mues-tra en el recuadro a la izquierda de la figura 1-22, a, y en lafotografía de la figura 1-22, b. 2) En otros casos, el virusinfectante no provoca la muerte de la célula huésped, sinoen vez de ello introduce (integra) su DNA al DNA de loscromosomas de la célula huésped. El DNA viral integradose denomina provirus. Un provirus integrado puede tenervarios tipos de efectos según el tipo de virus y de célulahuésped. Por ejemplo:

Las células bacterianas que contienen un provirus secomportan normalmente en tanto no se expongana algún tipo de estímulo, como la radiación ultravio-leta (UV) que activa al DNA viral "latente", lo que pro-voca la lisis celular y libera a la progenie viral. El viruslambda es un virus bacteriano capaz de integrar suDNA a los cromosomas de la célula del huésped, comose indica en la figura 1-22, a, recuadro a la derecha.Algunas células animales que contienen un provirusproducen una nueva progenie viral por gemación en lasuperficie de la célula sin lisis de la célula infectada. Elvirus de la inmunodeficiencia humana (HIV) actúa deesta manera; una célula infectada puede permanecer

Virus unido ala superficiede la célula

DNA viralinyectado

al interior dela célula

El DNA viralpermanece separado

del cromosomadel huésped

O

DNA degradado delhuésped y proteínas

virales y DNA sintetizado

tEnsamblado de

las partículas virales

El ONA viral seintegra al cromosoma

del huéspedcomo provirus

Bacteria proliferantecon provirus integrado

Partículas virales liberadascuando la célula es lisa

(í?~»£)V/

VÍA LITIGA VÍA LISOGENA

0.2 pm

FIGURA 1-22. Infección con un virus, a) Cuando el virus bacteriano(bacteriófago) lambda inyecta su DNA en una célula huésped el resultadopuede ser una de dos tipos de infección. La mayor parte de los agentesinfecciosos siguen una vía lítica ilustrada en el recuadro izquierdo, dondela célula bacteriana sirve como máquina para producir la progenie viralque se libera después que la célula sufre lisis. En otros casos, el virus entraa una llamada vía lisógena (recuadro derecho) en la cual el DNA del virusse integra a los cromosomas de la célula de! huésped como un provi-rus reprimido. El provirus latente puede ser inducido a iniciar una infec-ción lítica por diferentes tipos de estímulo, incluyendo radiación por luzUV (indicado por la célula de color más claro a la izquierda), b) Una últimaetapa de la infección de una célula bacteriana por un bacteriófago, quemuestra la acumulación ordenada de numerosas partículas virales y lacubierta vacía del fago sobre la superficie celular, (b: Cortesía de ¡onathanKing y Erika Hartwig.)

(a)

viva mientras actúe como fábrica para producir nuevosvíriones.

• Algunas células animales que contiene un provirus pier-den el control de su propio crecimiento y división y seconvierten en malignas. Este fenómeno se puede estu-diar con facilidad en el laboratorio al infectar célulascultivadas con el virus tumoral apropiado.

Debido a su estructura sencilla, se podría concluir quelos virus representan una forma primitiva de vida, tal vezsimilar a las que existieron sobre la tierra antes de la evolu-ción de las células procariotas. Sin embargo, cuando se con-sidera que la "vida de los virus" depende por completo delas células que invade, es evidente que los virus no pudie-ron aparecer en el escenario antes que sus huéspedes. Pues-to que los virus comparten el mismo lenguaje genético en-tre sí y también con células procariotas y eucariotas, nopudieron originarse de manera independiente como formaprimitiva después que otras células habían evolucionado. Esrnás razonable asumir que los virus representan una for-ma degenerada, o sea, derivada de un organismo máscomplejo. Los virus al parecer evolucionaron a partir depequeños fragmentos de cromosomas celulares capacesde mantener algún tipo de existencia autónoma dentro delas células. Con el tiempo, estos elementos genéticos autó-nomos adquirieron una cubierta proteínica y se convirtie-ron en agentes capaces de infectar a otras células. Conside-rando la tremenda diversidad de los virus es probable quediferentes grupos evolucionaran de manera independientea partir de diferentes organismos celulares. Esta conclusiónse corrobora por el hecho de que los genes presentes encada grupo de virus son muy diferentes de los correspon-dientes a otros grupos, pero son similares a los genes queinfectan dentro de la célula huésped. El hecho de que losvirus humanos utilicen las enzimas del huésped para efec-tuar casi todas sus actividades metabólicas hace muy difícilencontrar fármacos que impidan los pasos del ciclo viral sindañar al huésped humano.

Los virus no carecen de virtudes; puesto que la activi-dad de los genes virales imita a la de los genes del huésped,los investigadores han utilizado por decenios a los virus


como herramientas para estudiar el mecanismo de duplica-ción del DNA y la expresión de los genes en huéspedesmucho más complejos. Además, en la actualidad los virus seemplean como medio para introducir genes extraños a lascélulas humanas, técnica que será la base para el tratamien-to de enfermedades humanas mediante genoterapia. Porúltimo, los virus que matan insectos en el futuro podrándesempeñar un papel cada vez mayor en la guerra contraplagas de insectos.

Viroides

En 1971, sorpresivamente se descubrió que los virus noeran los tipos más simples de agentes infecciosos. En aquelaño, T.O. Diener, del Departamento de Agricultura de Esta-dos Unidos, comunicó que la enfermedad por adelgaza-miento de los tubérculos de la patata que produce patatasnudosas y agrietadas era causada por un agente infecciosoque consistía en una molécula circular pequeña de RNAdesprovista totalmente de cubierta proteínica. Diener deno-minó a este patógeno un viroide. El tamaño del RNA de losviroides oscila entre 240 y 600 nucleótidos aproximada-mente, la décima parte del tamaño de los virus más peque-ños. No se ha demostrado que el RNA viroide desnudocodifique para alguna proteína. Más bien, cualquier activi-dad bioquímica en la cual participan los viroides se efectúautilizando proteínas de la célula huésped. Por ejemplo,para duplicarse dentro de una célula infectada el RNAviroide utiliza el RNA polimerasa II del huésped, una enzi-ma que normalmente transcribe el DNA del huésped enRNA mensajero. Se cree que los viroides provocan enferme-dades al intervenir en la vía normal de expresión genéticade las células. Los efectos sobre las cosechas pueden sergraves; una enfermedad viroide llamada cadang-cadangdevastó las palmeras cocoteras en plantac ones de las IslasFilipinas y otro viroide provocó grandes estragos a laindustria de los crisantemos en Estados Unidos. En el ensa-yo La vía experimental se relata el descubrimiento de un tipodiferente de agente infeccioso aun más simple que elviroide.

22 CAPITULO 1 • Introducción a! estudio de la biología celular

L A P E R S P E C T I V A H U M A N A

La búsqueda de una vacuna contra el SIDA

A la mitad del decenio de 1980 habíagrandes esperanzas de desarrollar unavacuna para prevenir la infección conHIV, el virus causante del SIDA. Lamayor parte de las vacunas contraenfermedades virales, como la polio-mielitis, la viruela negra y el saram-pión, contienen virus muertos íntegroso virus vivos atenuados (virus mo-dificados que ya no son capaces de pro-vocar infección grave). La inyección deestos virus inofensivos engaña al siste-ma inmunológico del cuerpo para pro-ducir anticuerpos específicos y célulasde inmunidad que permanecen a la es-pera, listas para atacar al auténtico vi-rus causante de la enfermedad si lograpenetrar al organismo. Una de las ven-tajas de utilizar virus vivos atenuadoscomo parte de una vacuna es que seestimula a las vías humoral y celulardel sistema inmunológico. La inmuni-dad humoral es mediada por anticuer-pos solubles disueltos en la sangre.Estos anticuerpos son sintetizados porcélulas derivadas de linfocitos B. Porlo contrario, los íinfocitos T se encar-gan de la inmunidad mediada por cé-lulas, células capaces de reconocer ydestruir a las células del cuerpo infec-tadas por virus.

Durante el decenio de 1980, prác-ticamente había acuerdo unánime deque una vacuna contra el SIDA, depen-diente de virus muertos o atenuados,era segura. A diferencia de la mayorparte de los virus infecciosos, el HIVintegra su material genético a loscromosomas del huésped, donde per-manece durante años destruyendogradualmente la salud de una perso-na. Toda vacuna contra el SIDA quecontenga partículas virales tambiéncontiene RNA viral, el cual puede co-piarse a DNA e intregrarse a los cro-mosomas celulares. Aun si pudiera al-terarse el material genético del virus

de modo que no tuviera posibilidad decausar SIDA, tal vacuna aún podría serpeligrosa porque la integración de cual-quier material genético al DNA de unacélula tiene el riesgo de convertirla enuna célula cancerosa maligna.

Había acuerdo de que el caminomás seguro era desarrollar una vacu-na a partir de la proteína del virusproyectada hacia afuera de la cubiertaviral. Esta proteína de la cubierta, de-nominada gp!20 (fig. 1-21, b) es el com-ponente de la partícula viral que seenlaza a la superficie externa de la cé-lula huésped antes de infectarla. Laproteína viral empleada para la vacu-na tendría que elaborarse a partir deun gen sintetizado en el laboratorio. Elgen se introduciría a células de mamí-feros que pueden desarrollarse en grancantidad en el laboratorio. Las célulassometidas a procesos de ingeniería ge-nética producirían una gran cantidadde la proteína que debía purificarse yemplearse para fabricar la vacuna. Seesperaba que la vacuna constituida porla proteína de la cubierta del HIV obli-gara a la persona a sintetizar anticuer-pos neutralizantes, o sea anticuerpos ca-paces de bloquear la entrada del virusa la célula y por lo tanto de prevenirque las personas expuestas al virusse infectaran. Una desventaja de la va-cuna basada sólo en la proteína de lacubierta es que no se esperaba queestimulara la vía del sistema inmuno-lógico mediada por células, la cual talvez se necesitaba para destruir unacélula que fuera infectada por el virus.

Numerosas compañías en colabo-ración con varías agencias guberna-mentales alrededor del mundo pro-dujeron vacunas a base de proteínas dela cubierta del HIV. Las primeras dosfases de prueba clínica de una nuevavacuna están diseñadas para determi-nar si la vacuna es segura y capaz de

inducir una respuesta inmunológica.Aunque todas las vacunas parecieronseguras por no producir efectos colate-rales aparentes en los individuos some-tidos a la prueba, su éxito para produciruna respuesta de inmunidad fue va-riable. Por último, se determinó que lasvacunas elaboradas por dos compa-ñías, Genentech y Chiron/ Ciba-Geigy,inducen un nivel aceptable de anti-cuerpos en individuos vacunados du-rante un periodo razonable. De igualimportancia, se demostró que estosanticuerpos in vitro evitan que el virusinfecte células. Se programaron estu-dios en gran escala para iniciarlos en1994 para probar la eficacia de la vacu-na, esto es, si era capaz de prevenir lainfección con HIV en miembros de po-blaciones de alto riesgo. Pero hubo unaserie de acontecimientos que cambia-ron los planes.

Se descubrió que los anticuerposproducidos por las personas en res-puesta a la vacuna no eran tan eficacescomo se pensó para prevenir la infec-ción. Se habían llevado a cabo pruebasanteriores de actividad neutralizanteempleando virus desarrollados en el la-boratorio en líneas de células cultiva-das. Cuando se probaron anticuerposcontra el virus aislados de personas in-fectadas con HIV mostraron ineficaciacasi total para prevenir la infección delas células. A diferencia de casi todoslos virus, el HIV puede mutar con ra-pidez y provocar cambios en la estruc-tura de su cubierta proteínica. Por lotanto, los anticuerpos aparentementefueron producidos contra una versiónde la cubierta proteínica presente en losvirus de las células cultivadas, pero nodel virus residente en la mayoría de losindividuos infectados. Este resultadoprodujo gran pesimismo en muchos in-vestigadores respecto de que la vacu-na fuera eficaz para prevenir la infec-


ción por HIV en la población general.Además, era realmente difícil conse-guir voluntarios para el estudio. Nosólo a un número significativo de vo-luntarios se les administraría vacunaplacebo, y los que recibieran la verda-dera vacuna en adelante tendrían queser positivos al HIV, debido a que laprueba para determinar el estado HIVdepende de la presencia de anticuer-pos para los cuales se diseñó la vacu-na. Para empeorar las cosas, hubo in-formes de que al menos 10 individuosque habían participado en las primerosestudios diseñados para determinar laseguridad y potencia inmunológicas dela vacuna se habían infectado con el vi-rus. Estas noticias confirmaron la ideacada vez más extendida de que la vacu-na no era lo suficientemente eficaz parajustificar un estudio en gran escala enEstados Unidos. Por último, se observóque normalmente un individuo infec-tado produce anticuerpos contra lasproteínas de la cubierta viral despuésde unos cuantos meses de la infección,pero al parecer tienen poco valor paraalterar el curso de la enfermedad.

En junio de 1994, luego de consi-derar todos estos factores en conjunto,los National Institutes of Health toma-ron la decisión de no seguir adelantecon las pruebas en gran escala paraprobar la eficacia de vacunas basadasen gp!20 en Estados Unidos. Poco des-pués de esta decisión, la OrganizaciónMundial de la Salud (OMS) decidióproseguir las pruebas en una región delmundo donde el riesgo de contraerSIDA es muy alto. Se estimó que parael año 2000 unos 40 millones de perso-nas estarán infectadas con el HIV; másde 90% de esos individuos vivirán enpaíses pobres del tercer mundo. La va-cuna ya lista para probar se preparócontra proteínas de la cubierta de lacepa B del HIV prevaleciente en Esta-dos Unidos y Europa, pero no en elresto del mundo donde predominanotras cepas. Por lo tanto, los estudiosde la OMS tendrán que esperar el de-sarrollo de una nueva vacuna basadaen proteínas de las cepas del HIV en-

démicas en la región del mundo dón-de se efectuarán las pruebas.

Mientras tanto, los inconvenientesque acompañan a la primera gene-ración de vacunas HIV, además de lacreencia general de que la biología dela enfermedad es demasiado complejapara desmantelarla mediante una sim-ple vacuna, llevaron a muchos investi-gadores del SIDA a reconsiderar la po-sibilidad de desarrollar una vacunabasada en virus vivo atenuado. Comose hizo notar antes, una de las ventajasde emplear virus atenuado es estimu-lar ambas vías del sistema inmunoló-gico: la humoral y la mediada por cé-lulas incrementando, por lo tanto, suprobable eficacia. Aunque esta vacunapresenta una posibilidad finita de in-ducir cáncer o de causar SIDA, ese ries-go está bastante bien equilibrado enuna población con probabilidad ele-vada de contraer la enfermedad. En laactualidad, varias compañías de bio-tecnología están trabajando sobre va-cunas elaboradas con virus atenuadosque muestran eficacia para prevenir laenfermedad en animales de laborato-rio. Otro método para inducir inmuni-dad es introducir el gen de la proteínade la cubierta del HIV en el DNA deotro virus, por ejemplo el virus de lavacuna, y emplear el virus vivo asímanipulado como agente inmunizan-te. Por ejemplo, el virus de la vacunamanipulado causaría una infecciónleve y estimularía al cuerpo a produciranticuerpos y células inmunes contrala proteína HIV generada durante lainfección con el virus de la vacuna.

Los investigadores del SIDA semuestran muy pesimistas acerca de laprobabilidad de desarrollar una vacu-na eficaz en el futuro cercano. Haymuchas razones para ese pesimismo,pero lo más importante es que losinvestigadores todavía no compren-den por completo cómo opera el virusdentro del cuerpo o por qué razón larespuesta inmunológica normal es tanineficaz contra la infección. Otra com-plicación se origina en la capacidad delvirus para rnutar con demasiada rapi-

dez, incluso mientras se está propagan-do dentro de un individuo infectado.Como resultado, un individuo infecta-do porta múltiples variantes del virus,cada una con diferentes propiedades.Estas diferencias se amplían cuando seexamina la estructura del virus en losdiferentes miembros de una población(fig. PH 1-1). Puesto que una vacunaeficaz contra una cepa de virus puedeser totalmente inútil contra otra cepa,el problema de desarrollar una cepa devirus para elaborar una vacuna eficazcontra todos es muy complicado.

Otra forma alternativa para la pre-vención y tratamiento del SIDA se ana-lizará en La perspectiva humana del ca-pítulo 11.

FI<;i¡KA l'Il l - l . Árbol filogenétko delHIV. Las tres ramas de este árbol reflejan lasdiferencias en la estructura de las proteínasdel HIV en tres diferentes grupos de indivi-duos infectados que viven en Amsterdam;éstos son: adictos a drogas intravenosas(amarillo), homosexuales masculinos (ver-de) y hemofílicos (púrpura). Las diferentesramificaciones dentro de cada color ilustranel grado de variación viral dentro de estassubpoblaciones holandesas. Para que unavacuna basada en proteínas virales puedaser útil contra el HIV tiene que estar dirigidacontra partes de la proteína con el menorgrado de variabilidad dentro de la pobla-ción. (Cortesía de ¡nap Coudsmit.)


L A V I A E X P E R I M E N T A L

friones: solución de un enigma médico

En 1957, Carleton Gajdusek trabajaba como científico visitanteen Australia estudiando genética viral e inmunología. Su inte-rés en los problemas médicos de las culturas nativas lo habíallevado a las cercanías de Nueva Guinea para lo que é) espera-ba sería una visita breve antes de regresar a casa en EstadosUnidos. Un par de días después de su llegada a Nueva Gui-nea, Gajdusek habló con Vincent Zigas, médico local, quien lehabló acerca de una misteriosa enfermedad que causaba másde la mitad de las muertes entre los pobladores de unas remo-tas montañas de la isla. Los nativos llamaban a la enfermedadkuru, que significaba "sacudidas o temblores", debido a queen las primeras etapas las víctimas presentaban temblores in-voluntarios. En los siguientes meses, las víctimas (principal-mente mujeres y niños) evolucionaban pasando por etapas dedebilidad creciente, demencia y parálisis, que finalmente lesarrancaba la existencia. Gajdusek decidió abandonar sus pla-nes de viaje y permanecer en Nueva Guinea para estudiar laenfermedad.

Al escuchar los síntomas de la enfermedad, Gajdusek con-cluyó que las personas de la región probablemente sufríanencefalitis viral epidémica. La enfermedad tal vez se propaga-ba entre la población por la práctica ritual de comer ciertaspartes del cuerpo de los parientes muertos. Como en las aldeaslas mujeres eran quienes preparaban los cuerpos, tenían opor-tunidad de participar en esta forma de canibalismo y seríanellas las que estuvieran en mayor peligro de contraer la infec-ción. En los meses subsecuentes, Gajdusek ayudó a cuidar alos aldeanos enfermos en un hospital improvisado, efectuóautopsias de los pacientes muertos y preparó muestras de te-jidos y de líquidos para enviar a los laboratorios de Australia.En una de sus primeras cartas al exterior, Gajdusek escribió:"Tuvimos un paciente muerto de kuru y efectuamos autopsiacompleta. La practiqué a las 2:00 a.m. bajo el rugido de unatempestad en una choza nativa con la luz de una linterna;seccioné el cerebro sin bisturí."1 Los cortes del cerebro revela-ron que las víctimas de kuru morían como resultado de unextenso proceso degenerativo en el cerebro.

Se comenzaron a acumular pruebas de que el kuru no erauna infección viral. Los pacientes muertos de Kuru no mostra-ban ninguno de los síntomas que normalmente acompañan alas infeciones del sistema nervioso central, como fiebre, infla-mación encefálica y cambios en la composición del líquidocefalorraquídeo. Además, los mejores laboratorios de virolo-gía de Australia no pudieron cultivar agente infeccioso algunoen las muestras de tejido enfermo. Gajdusek empezó a consi-derar explicaciones alternativas como causa del kuru. Había laposibilidad de que los aldeanos muertos se hubieran expuestoa algún tipo de sustancia tóxica en su dieta. Se efectuaronanálisis de sangre con la esperanza de hallar concentracioneselevadas de metales, grasas o de otras toxinas comunes, perono se encontró anomalía clínica alguna.

En este punto, Gajdusek pensó que el kuru podía ser unaenfermedad hereditaria, pero a partir de comentarios con losgenetistas concluyó que era muy improbable. Por ejemplo, parauna enfermedad hereditaria sería prácticamente imposible losiguiente: 1) una mortalidad tan elevada de origen al parecerreciente y que alcanzara una frecuencia tan alta en la pobla-ción; 2) que se manifestara en individuos de grupos de edadtan diversa, desde niños de corta edad hasta adultos de edadavanzada; 3) que afectara en igual número a hombres y amujeres jóvenes, pero que atacara a mujeres adultas en pro-porción 13 veces mayor que a los hombres; 4) que ocurriera enuna persona nacida en otra región de la isla que se había mu-dado a vivir a la población afectada.

No parecía haber una explicación razonable de la causadel kuru. Gajdusek incluso consideró la posibilidad de que elkuru era una enfermedad mental. "Puesto que en la etapatemprana de la enfermedad muchas cosas sugieren histeria...,no puedo desechar de mi mente la idea de la psicosis. Pero elparkinsonismo típico avanzado y los trastornos de los gan-glios básales que por último producen la muerte no se puedenvincular fácilmente con psicosis, a pesar del papel que estaenfermedad desempeña en la brujería, los asesinatos, las gue-rras locales, etc."

William Hadlow, veterinario patólogo estadounidense,había trabajado sobre una enfermedad neurológica degenera-tiva llamada "scrapie" (encefalitis espongiforme), comúnen ovejas y cabras. En 1959, Hadlow visitó una exposición enLondres, auspiciada por una compañía farmacéutica británica,donde vio muestras de neuropatología preparadas por Carle-ton Gajdusek de una persona muerta de kuru. Hadlow quedóimpresionado por el notable parecido entre las anomalías delcerebro de las víctimas de kuru y las observadas en cerebrosde ovejas muertas por encefalitis espongiforme. Se sabía que laencefalitis espongiforme era causada por un agente infeccioso;esto se había demostrado por transmisión de la enfermedad aovejas saludables inyectándoles extractos preparados de ani-males muertos. El agente causante del "scrapie" era capaz deatravesar filtros que retardaban el paso de bacterias y por esarazón se asumió que se trataba de un virus. Sin embargo, adiferencia de otras enfermedades virales, los síntomas del"scrapie" no aparecían sino después de meses que el animal sehabía infectado con el patógeno, por lo que se le dio el nombrede "virus lento", Hadlow concluyó que el kuru y la encefalitisespongiforme eran causadas por el mismo tipo de agente in-feccioso y publicó su especulación en una carta a la revistamédica británica Lancet.2 Luego de leer la carta publicada y dehablar con Hadlow, Gajdusek quedó convencido de que suprimera idea acerca del kuru como enfermedad infecciosa eracorrecta. Luego de varios años de trabajo finalmente Gajdusekpudo demostrar que el kuru se transmitía por extractos detejido humano a primates de laboratorio.3 El periodo de incu-

CAPITULO 1 25

bación entre la inoculación de los animales y la aparición delos síntomas de la enfermedad era de casi dos años. El kuruvino a ser así la primera enfermedad humana en la cual sedemostró que la causa era un virus lento.

Varios años antes, Igor Klatzo, perspicaz neuropatóiogode los National Institutes of Health (NIH) había dicho aGajdusek que una rara enfermedad hereditaria llamada enfer-medad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ) producía anomalías en elcerebro que recordaban las del kuru. Tres años después dehaber confirmado que el kuru podía transmitirse del hombre alos animales, Gajdusek y sus colaboradores demostraron me-diante extractos preparados por biopsia del cerebro de unapersona muerta por ECJ que ésta podía transmitirse a los ani-males.4 También había varios casos comprobados en los cualesla ECJ era transmitida de un ser humano a otro durante proce-dimientos quirúrgicos, como trasplante de córnea, o en extrac-tos de hormona de crecimiento preparada a partir de glándulahipófisis de cadáveres.

¿Cómo se podía vincular una enfermedad hereditaria,como la de Creutzfeldt-Jacob, con la presencia de un agenteinfeccioso? La respuesta a esta pregunta se ha revelado en losúltimos 15 años, principalmente a través del trabajo de StanleyPrusiner y sus colegas de la Universidad de Californa, en SanFrancisco. Prusiner comenzó estudiando las propiedades delagente causal de la encefalitis espongiforme y pronto llegó ados conclusiones muy estimulantes.5 Primero, el agente eramuy pequeño, mucho más pequeño que cualquier virus co-nocido, con peso molecular total de 27 000 a 30 000 daltons.Segundo, al parecer el agente carecía de un ácido nucleicoentre sus elementos y estaba compuesto exclusivamente deproteínas. Esta segunda conclusión se basaba en el tratamientoexhaustivo de extractos de cerebros infectados con enzimas yotras sustancias capaces de digerir o destruir proteínas o áci-dos nucleicos. El tratamiento con enzimas destructoras de pro-teínas, como enzimas proteolíticas o fenol, producía extractosinofensivos, en tanto que el tratamiento con agentes des-tructores de ácidos nucleicos, incluyendo diferentes tipos denucleasas y radiación ultravioleta, no mostraba efecto algunosobre la infecciosidad. La resistencia del agente de la encefali-tis espongiforme a la radiación ultravioleta en comparacióncon la de los virus se muestra en el cuadro VE 1-1. Prusinerllamó al agente causal de la encefalitis espongiforme, y presu-miblemente también del kuru y de la ECJ, un prión, derivadode partícula proteinácea infecciosa.

La idea de un patógeno infeccioso constituido exclusiva-mente de proteínas fue vista con gran escepticismo, pero estu-dios subsecuentes de Prusiner y otros no han demostradomanera alguna de modificar la conclusión original. En 1985 sedemostró que la proteína prión es codificada por un gen situa-do dentro de los propios cromosomas de la célula.6 El gen seexpresa en el tejido cerebral normal y codifica una proteína de254 aminoácidos designada PrPc (por proteína prión celular),cuya función aún se desconoce. Una forma modificada de laproteína (designada PrP^, por proteína prión scrapie) se en-cuentra en el cerebro de animales con "scrapie". A diferenciade la PrPc normal, la versión modificada de la proteína seacumula dentro de las células nerviosas formando agregadosque aparentemente matan a la células. La PrP^ no sólo provo-

ca los cambios degenerativos característicos del scrapie en elcerebro, sino también se presume que es el agente infecciosocapaz de transmitir la enfermedad de un animal a otro.

Luego que se descubrió que el scrapie podía ser resultadode la modificación del producto de un gen normal, fue posibleexplicar cómo una enfermedad genética, como la de Creutz-feldt-Jacob, podía transmitirse de un individuo a otro. Casitodos los genes presentes en el ser humano también lo están enotros mamíferos, y por lo tanto hay una versión humana delPrP. Presumiblemente, si este gen humano sufre algún tipo demutación, produciría una proteína PrP50 análoga a la proteínamodificada de la oveja en cuanto a su actividad. Como esde esperarse, el análisis del DNA aislado de cierto número depacientes humanos con ECJ reveló ¡a presencia de mutacionesespecíficas en el gen que codifica PrP (fig. VE l-l).7 En losúltimos años, el análisis genético de la susceptibilidad a enfer-medades causadas por priones depende de ratones sometidosa procesos particulares de ingeniería genética. Se han desarro-llado dos tipos de ratones modificados: unos que carecen porcompleto del gen PrP (a los cuales se denomina ratones "sinsentido" carentes de PrP) y otros que contienen una o máscopias de la forma mutada del gen PrP humano (a los que seles da el nombre de ratones transgénicos PrP).

Puesto que la proteína PrP se produce normalmente en elcerebro (y otros órganos de los ratones), podría esperarse quela ausencia del gen causara consecuencias terribles con desa-rrollo de la conducta de ratones carentes de PrP. Sin embargo,a pesar de esta expectativa los ratones que carecen del gen PrPno muestran los efectos de la enfermedad.8 Hay varias explica-ciones razonables para este resultado, incluyendo la posibili-dad de que la función normal de la proteína PrP sea sustituidapor otra proteína producida por un gen relacionado; en otraspalabras, el ratón tiene un sistema "de respaldo" que puededispensar la proteína PrP. De cualquier manera, los ratonesque carecen del gen PrP y por lo tanto no pueden sintetizarproteína PrPc, no desarrollan el scrapie cuando se inyectan ensu cerebro priones de ratones con scrapie (fig. VE 1-2).9 Asípues, para que un ratón sea susceptible a la enfermedad, el

CUADRO VE 1-!. Inactivación de agentes infecciosos pequeñospor radiación UV a 254 nm

Ejemplo D37

Bacteriófago T2

Bacteriófago S13

Bacteriófago 3>X174

Virus del sarcoma de Rous

Poliornavirus

Virus de la leucemia de Friend

Virus de la leucemia murina

Viroide de los tubérculos fusiformes de la patata

Agente del "scrapie" (encefalitis espongiforme)

4

20

20

150

240

500

1400

5000

42000

* Dj? es la dosis de radiación que permite una supervivencia de 37por ciento.

Reimpreso, con permiso, según S.B. Prusiner, Science 2Í6:140,1982.Copyright 1982 American Association for the Advancement of Science.

26 CAPITULO! • Introducción a¡ estudio de la biología celular

— 182

FIGURA VE 1-1. Esta figura muestra la fotografía de un gel en elcual e! DNA del gen PrP de algunas personas diferentes se trató conuna enzima (llamada BsmAl), que desdobla el DNA en cualquierpunto donde encuentra una secuencia particular de nucleótidos. Lue-go de incubar el DNA con la enzima, el gel es sometido a electrofo-resis, que separa todos los segmentos presentes en la mezcla de reac-.ción. Las marcas en la parte de arriba indican los individuos de loscuales se obtuvo el DNA y los números a la derecha indican la lon-gitud de los fragmentos de DNA (expresada en pares de bases) visi-bles dentro del gel. {El DNA se hace visible incubando el gel conun DNA unido a un colorante fluorescente.) La vía indicada por Cmuestra el DNA de un individuo saludable, las siguientes tres vías(marcadas KO-S, KO-B y JU) muestran el DNA de pacientes con ECJmiembros de familias en las cuales la enfermedad es común. Las dosúltimas vías muestran el DNA de dos pacientes con casos esporádicosde ECJ, o sea, casos donde no hay muestras de la enfermedad en otrosmiembros de la familia. Cuando el DNA del gen PrP de cada uno delos pacientes con ECJ se trata con la enzima, se observa que la mitaddel DNA es resistente a la enzima. Esta resistencia está indicada porla presencia de fragmentos de DNA más largos, 803 pares de bases.Por lo contrario, todo el DNA PrP de la persona saludable es desdo-blado por la enzima según se manifiesta por la ausencia de los 803fragmentos de pares de bases. En lugar de eso, este segmento de DNAse fragmenta en dos pedazos, uno de 621 pares de bases y el otro de182 pares de bases de longitud. La mitad del PrP DNA (que representaun alelo) de los pacientes con ECJ no es fragmentada por la enzimadebido a que su secuencia de nucleótidos cambió por una mutación.El alelo mutado ya no contiene la secuencia que la enzima reconocecomo un sitio potencial de fragmentación. Todos estos pacientes conECJ tienen la misma mutación: un cambio del nucleótido G a nu-cleótido A en el codón 200 que provoca un cambio de glutamina aUsina en la proteína codificada. Éste cambio en la secuencia de ami-noácidos causa la enfermedad. (Cortesía de Lev Goldfarb.)

FIGURA VE 1-2. a) Aspecto microscópico de la porción talámicadel cerebro de un ratón afectado de encefalitis espongiforme comoresultado de la inoculación previa con prionss de "scrapie". El tejidocerebral muestra degeneración espongiforme, b) Aspecto de una por-ción correspondiente del cerebro de un ratón manipulado gené-ticamente que carece del gen PrP normal. Igual que el ratón en a, esteratón también fue inyectado con priones de "scrapie" 20 semanasantes, pero debido a que carece de) gen PrP y por lo tanto no tienecapacidad para producir la proteína PrP, no es susceptible al agenteinfeccioso y su tejido cerebral aparece normal. (Cortesía de AdrianoAguzzi y C. Weissmann.)


animal debe ser capaz de producir la proteína PrP en suspropios genes; no es suficiente que se introduzca en su cuerpola proteína anormal. Estos datos apoyan la hipótesis de que laproteína PrP es indispensable para la propagación del prióndurante la infección. Como se hizo notar antes, también se hanefectuado estudios empleando ratones transgénicos; o sea, ra-tones sometidos a ingeniería genética para que sean portado-res de genes extraños entre sus cromosomas. Cuando se trans-fiere a los ratones un gen PrP humano mutado, los animalestransgénicos desarrollan el mismo tipo de enfermedad cere-bral neuropatológica como la observada en el hombre.10 Esteexperimento demuestra que la presencia de un solo genmutado, que codifica una sola proteína anormal, es suficientepara causar todos los síntomas que acompañan a la devasta-dora enfermedad neurológica.

PREGUNTAS SIN RESPUESTA

Todavía está sujeta a controversia la idea de que un agenteformado por una sola proteína puede provocar una enferme-dad infecciosa. Algunos biólogos opinan que la proteína priónse acompaña de pequeños fragmentos de un ácido nucleicotodavía por descubrirse; otros piensan que la proteína priónhace que el individuo sea susceptible a la infección por unsegundo agente, por ejemplo, un virus que realmente causa laenfermedad. El desarrollo de la enfermedad en los ratonestransgénicos por un gen mutante que codifica la proteína priónes un argumento para que la proteína sea la única causa, peroeste dato reforzaría mucho la hipótesis si se pudiera demostrarque los extractos de cerebro de ratones transgénicos puedentransmitir la enfermedad a ratones normales no transgénicos.En la actualidad, los intentos para transmitir la enfermedad deesta manera sólo han tenido éxito limitado y el asunto todavíapermanece confuso.11

Otro tema que permanece sin respuesta es el mecanismomediante el cual el agente infeccioso incrementa su número(duplicación) dentro de un individuo infectado, como clara-mente ocurre, En general, sólo se atribuye duplicación a losácidos nucleicos. ¿Cómo es posible que una proteína produzcamás de sí misma? Esta pregunta sin respuesta todavía es unode los principales "puntos débiles" en el concepto íntegro delos priones como agentes infecciosos. Prusiner y sus colegashan reunido pruebas que sugieren que las dos versiones de laproteína PrP, PrPc y PrP*, difieren en su estructura tridimen-sional (conformación). En otras palabras, la misma proteína pue-de existir en dos formas diferentes.12 Según esta hipótesis, la

proteína normalmente existe en la forma PrPc. Sin embargo,en el ser humano o los animales que desarrollan enfermeda-des prión se favorece la formación de la estructura PrP50 y seacumula la proteína anormal. En el caso de enfermedades in-fecciosas por prión, como el kuru o el scrapie, Prusiner sugiereque la duplicación se inicia cuando una versión scrapie de laproteína PrP se une a la proteína PrP normal (o una versión nodesplegada de la proteína), que transforma la proteína normalen la forma modificada.13 Por lo tanto, si una molécula PrP^ seune a una PrPc, este hecho generaría dos moléculas PrP50 quepodrían entonces enlazarse a dos moléculas más de PrPc pro-duciendo cuatro moléculas PrP50, y así sucesivamente.

Aunque las enfermedades prión son muy raras, otros tras-tornos degenerativos nerviosos, como las enfermedades deAlzheimer y de Parkinson, son muy comunes. Se espera que elestudio de las enfermedades prión será útil para entender labase de padecimientos humanos más comunes.

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SINOPSIS

La teoría celular tiene tres dogmas. 1) Todos los organismosse componen de una o más células; 2) la célula es la unidad deorganización básica de la vida, y 3) todas las células se origi-nan de células previas (p. 2).

Las características de la vida, según se manifiestan en lascélulas, se pueden describir mediante un conjunto de pro-piedades. Las células son muy complejas, su estructura está

altamente organizada y es predecibte. La información paraconstruir una célula está codificada en sus genes. Las célulasse reproducen por división celular; el suministro de energíapara sus actividades proviene de la energía química; ejecutanreacciones químicas controladas por enzimas; participan enun gran número de actividades mecánicas; responden a estí-mulos, y son capaces de un notable nivel de autorregulación


Las células pueden ser procariotas o eucariotas. Las célulasprocariotas sólo se encuentran entre las bacterias, en tanto quetodos los otros tipos de organismos, protistas, hongos, plantasy animales, están compuestos de células eucariotas. Las célulasprocariotas y las eucariotas comparten muchas característicascomunes, incluyendo una membrana celular similar, un siste-ma común para almacenar y utilizar información genética yvías metabólicas similares. Las células procariotas son el tipomás simple, carecen de organelos membranosos complejos(p. ej., retículo endoplásmico, complejo de Golgi, mitocondríasy cloroplastos), cromosomas y estructuras citoesqueléticas ca-racterísticas de las células eucariotas. Los dos tipos de célulastambién se pueden distinguir por sus mecanismos de divisióncelular, sus estructuras locomotoras y el tipo de pared celularque producen {en caso de que hubiera alguna pared celular)(p. 7).

Los organismos eucariotes multicelulares se componen decélulas especializadas en diferentes actividades. Las célulasdel moho del fango son un sistema útil para estudiar la dife-renciación celular debido a que su etapa multicelular consta desólo dos tipos básicos de células: las que producen el tallo delcuerpo frutal y las que producen las esporas. Por lo contrario,la mayor parte de las plantas y animales constan de docenasde diferentes tipos de células, cada una de las cuales tiene supropia estructura y función distinta

Casi todas las células siempre son de tamaño microscópico.Las células bacterianas típicamente son de uno a 5//m de lon-

gitud, en tanto que las células eucariotas en condiciones típi-cas son de 10 a 30¡um. Las células son de tamaño microscópicopor algunas razones: su núcleo posee un número limitado decopias de cada gen, la superficie (que sirve como área de inter-cambio entre la célula) se convierte en un factor limitante amedida que la célula aumenta de tamaño y la distancia entre lasuperficie de la célula y su interior también sería demasiadogrande para que la célula satisfaga sus necesidades mediantesimple difusión :p. 15 >.

Los virus son patógenos no celulares que sólo pueden repro-ducirse cuando están presentes dentro de una célula viva.Fuera de la célula, el virus existe como un paquete de macro-moléculas, o virión. Los viriones presentan gran variedad deformas y tamaños, pero todos ellos constan de ácido nucleicoviral encerrado en una cubierta que contiene proteínas virales.Las infecciones virales pueden producir: 1) destrucción de lacélula huésped con producción acompañante de cepas virales,o 2) integración del ácido nucleico viral al DNA de la célulahuésped que con frecuencia altera las actividades de dichacélula. Los virus no son una forma primitiva de vida, sino másbien han evolucionado secundariamente a partir de fragmen-tos de cromosomas celulares (p- í

Los viroides y priones son patógenos que se cree contienensólo RNA y proteína, respectivamente. Los viroides causancierto número de enfermedades en las plantas, en tanto que lospriones producen enfermedades neurológicas mortales en elser humano y otros mamíferos i,< ! . 21).

PREGUNTAS DE REPASO1. ¿Cuáles son las propiedades fundamentales que compar-

ten todas las células? Describir la importancia de cada unade estas propiedades.

2. Describir algunas de las características de las células quesugieren que todos los organismos vivos se derivan de unancestro común.

3. ¿Cuál es la fuente de energía que apoya la vida sobre latierra? ¿Como se pasa la energía de un organismo al si-guiente?

4. Comparar las células procariotas y las eucariotas segúndiferencias estructurales, funcionales y metabólicas.

5. ¿Cuál es la importancia de la diferenciación celular?6. ¿Por qué casi todas las células siempre son microscópicas?

7. ¿Qué propiedades distinguen a un virus de una bacteria?8. ¿Por qué se piensa que los virus evolucionaron a partir de

formas de vida celular en vez de lo inverso?9. Si una mitocondria tiene 2 ftm de longitud, ¿cuántos

angstroms tendría?, ¿cuántos nanómetros?, ¿cuántos milí-metros?

10. Comparar y contrastar: nucléotido y núcleo; flagelo de unabacteria y de un espermatozoide; miembros del subreinoArchaeobacteria y una cianobacteria; células precursorasde esporas y precursoras del tallo de una célula del mohodel fango; fijación de nitrógeno y fotosíntesis; bacteriófa-gos y virus del mosaico del tabaco; provirus y virión;viroides y priones.

PREGUNTAS ANALÍTICAS1. Considere alguna pregunta acerca de la estructura o la fun-

ción de las células que le interese responder. ¿Los datosrequeridos para responder la pregunta serían más fácilesde recolectar trabajando en un animal o en una planta ín-tegros o en una población de células cultivadas? ¿Cuálesserían las ventajas y desventajas de trabajar en un organis-mo íntegro en comparación con un cultivo de células?

2. La figura 1-3 muestra una célula epitelial del intestino connumerosas microvellosidades. ¿Cuál es la ventaja del orga-nismo de poseer estas microvellosidades? ¿Qué se esperaría

que le ocurriera a un individuo que carezca de dichas mi-crovellosidades como resultado de una mutación heredi-taria?

3. Las primeras células humanas que se cultivaron con éxitose derivaron de un tumor maligno ¿Cree usted que estosólo refleja la disponibilidad de células cancerosas, o queestas células son mejores sujetos para cultivo celular? ¿Porqué?

4. Los esquemas de las células vegetales y animales de lafigura 1-9, b,c, indican ciertas estructuras presentes en las


células vegetales pero ausentes en las animales. ¿Cómopiensa usted que afecta la vida de la planta cada una deestas estructuras?

5. Habrá usted notado que las células poseen receptores so-bre su superficie que les permiten responder a estímulosespecíficos. Muchas células del cuerpo humano tienen re-ceptores que les permiten enlazar hormonas específicas quecirculan en la sangre. ¿Por qué cree usted que estos recep-tores hormonales son importantes? ¿Cuál sería el efectosobre las actividades fisiológicas del cuerpo si las célulascarecieran de estos receptores, o si todas las células tuvie-ran los mismos receptores?

6. Hans Driesch no fue el primero en comprobar la potencia-lidad de una de las dos primeras células de un embrión.Unos pocos años antes, el embriólogo alemán Wilhelrn Rouxmató una de las primeras dos células de un huevo de ranacon una aguja caliente y luego observó el destino de lacélula viva. Notó que la célula se desarrolló en lo que prác-ticamente era la mitad de un embrión. ¿Cree usted queestos experimentos indican que los mecanismos que go-biernan el desarrollo de las ranas son fundamentalmentediferentes de los que gobiernan el desarrollo de los erizosde mar? ¿Hay alguna manera de reconciliar estos dos ex-perimentos según la forma en que se efectuaron?

7. Si asumimos que las actividades dentro de las células ocu-rren de manera análoga a la demostrada en la caricatura de

Rube Goldberg en la figura 1-8, ¿en qué difieren de unaactividad humana, como construir un carro en una línea deensamblado o encestar un tiro libre en un juego de balon-cesto?

8. A diferencia de las células bacterianas, el núcleo de unacélula eucariota está rodeado de una membrana de doblecapa tachonada con poros complejos. ¿Cómo piensa ustedque esto pueda afectar al tráfico entre el DNA y el citoplas-ma de una célula eucariota en comparación con una célulaprocariota?

9. Examinar la fotografía del protozoario ciliado de la figura1-16 y considerar algunas de las actividades en las cualesparticipa esta célula y en las cuales no participa una célulamuscular o una nerviosa de su propio cuerpo.

10. ¿Qué tipo de células pensaría usted que alcanzarían elmayor volumen: una célula muy aplanada o una esférica?¿Por qué?

11. Observe la estructura del adenovirus y del HIV esquema-tizada en la figura 1-21. ¿Piensa usted que sería más fácildesarrollar una vacuna utilizando la cubierta proteínicadel adenovirus en comparación con la proteína gp!20 delHIV? ¿Por qué sí o por qué no?

12. Si usted tuviera que argumentar acerca de que los virusson organismos vivos, ¿qué características estructuralesy funcionales del virus podría utilizar para apoyar su ar-gumentación?

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Capitulo 1

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