Fund. Biologia Cel y Mol de Robertis

EDUARDO DE ROBERTIS JOS HIB

FUNDAMENTOS DE . ~

BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR

DE DE ROBERTIS

Rdiftffial El AtL~eo

Fundamentos ha sido concebido como texto para estudiantes de bachilleratos especializados y para quienes desean ingresar a instituciones universitarias o realizan cursos superiores de biologa celular en el campo de las ciencias mdicas, agronmicas, veterinarias, exactas y biotecnolgicas.

Su contenido ha sido organizado de manera didctica e integrada, pasando de las cuestiones ms simples a las ms complejas. Brinda una cobertura completa de los componentes de la clula, abordados con un criterio funcional a fin de facilitar la conexin de sus temas con los de otras materias biolgicas. En lo concerniente a las ciencias mdicas, el texto responde tanto a los programas tradicionales como a los basados en el autoaprendizaje y la resolucin de problemas, ya que los contenidos de sus 23 captulos son presentados de modo tal que el estudiante puede localizarlos, incorporarlos e interrelacionarlos autnomamente.

Fundamentos es un texto de biologa celular conciso, actualizado, muy comprensible y profusamente ilustrado con micrognifas y figuras en colores, concordante con la orientacin seguida por la enseanza de la materia en los principales centros en que se imparte.

~.,.,._ ..... _11 Eduardo M. F. De Robertis d.l'- Es doctor en Medicina y se gradu con

Medalla de Oro en la Facultad de Medicina de la Repblica Oriental del Uruguay. Adems es doctor en Bioqumica de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad de Buenos Aires. Despus de completar su doctorado en la Fundacin

Campomar se traslad a Cambridge, Inglaterra, para continuar su entrenamiento con Sir Gurdon en embriologa de anfibios. Desde 1985 es profesor titular de Bioqumica de la Facultad de Medicina de la Universidad de California, Los Angeles, donde ocupa la Norman Sprague Endowed Chair for Molecular Oncology. En 1994 recibi la distincin de ser nombrado Investigador del Howard Hughes Medicallnstitute. Ha sido elegido miembro de la European Molecular Biology (EMBO), de la Organizacin Iberoamericana de Biologa Molecular (IMBO) y es miembro correspondiente de la Socit de Biologie de Paris. Ha recibido distinciones de la Fundacin Konex, del College de France de Paris y de otras entidades. Es miembro de Consejos Asesores de numerosas organizaciones internacionales. Recientemente ha sido elegido miembro de la American Academy of Arts and Sciences.

Jos Hib Se gradu en la Facultad de Medicina de la Universidad de Buenos Aires. Es doctor en Medicina de esa universidad y doctor en Biologa de la Universidad del Salvador. Tempranamente se dedic a la docencia y se traslad --como becario de la Organizacin Mundial de la Salud-

al Centro latinoamericano de Perinatologa de Montevideo, dirigido por el profesor Roberto Caldeyro-Barcia.AII realiz sus primeros trabajos de investigacin, vinculados con la contractilidad de los rganos del sistema reproductor masculino y su regulacin farmacolgica y hormonal. Luego se radic en Buenos Aires, donde como miembro del CONICET continu con sus investigaciones, que fueron registradas en ms de 30 publicaciones en revistas extranjeras, o comunicadas en congresos nacionales e internacionales de la especialidad. En 1986 fue nombrado profesor adjunto del Departamento de Biologa Celular, Histologa, Embriologa y Gentica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Buenos Aires y desde 1996 es profesor titular de esa asignatura en la Universidad Abierta lnteramericana. Fue miembro del Comit Cientfico del Primer Congreso Panamericano de Androloga y ha sido premiado por el Ministerio de Educacin de la Nacin por su t rabajo Contraailidad de/ epiddimo. Es autor de los libros

tnl>rlolo:la Mdica Histologa de Di Fiore - Texto y Atlas-; este 'lt lnu .. 11 l:oal q111 lwtlwntlllo~. h:1 sido t raducido al portugus.

Los estudios moleculares de la clula han alcanzado logros tan significativos que convierten a la biologa celular en el basamento de la mayora de las asignaturas de las ciencias biolgicas.

Los veintitrs captulos que componen esta nueva edicin han sido revisados, ampliados y actualizados en consonancia con los espectaculares avances registrados en la mayor parte de los temas. Todos han sido presentados en forma concisa y didctica, encabezados por cdigos que agilizan la bsqueda de los contenidos y permiten su integracin. Adems se ha cambiado el formato del libro y se ha recreado su diseo mediante la incorporacin de ilustraciones nuevas y el empleo de colores.

En lo que atae a los estudios mdicos, el texto se adecua tanto a los programas tradicionales como al aprendizaje basado en la resolucin de problemas, pues ha sido redactado de modo que el estudiante pueda comprender sus conceptos con razonable facilidad.

Editorial El At~~~J ,,, 111 111

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Fundamentos de Biologa Celular

y Molecular de De Robertis

Fundamentos de Biologa Celular

y Molecular de De Robertis

Eduardo M. F. De Robertis . Jos Hib

e) Editorial El Ateneo

De Robertis, Eduardo Fundamentos de Biologa Celular y Molecular de De Robertis De Robcnis, Eduardo-Hib. Jos

4' ed. - Buenos Aires- El Ateneo, 2004

444 pginas. 16 x 23 cm

ISBN 950-02-0414-2

1. Biologa Celular- 2 fl iologa Molecular- l. Jos Hib JI. Ttulo

CDD 618.2

Tercera edicin publicada en ponugus con el ttulo De Rober1is - Bases da Biologia Celular e Molecular

Guanabara-Koogan, Ro de Janciro. 2001

Diseo Tapa: Cla udia Solari Dise11o i nlcrior: Alejandro Ji. Dcmartini

Cuana edicin de Editorial El Ateneo GRUPO ILHSA S.A .. 2004

l'atagoJJeS 2463 - (C 1282ACA) fluenos Aires - Argentina Tel. : (54 11) 4943 8200- Fax: (54 JI ) 4308 4 199

E-mai 1: editorial @cbtcnco.com

Derechos exclusivos de edicin en castellano reservados para lodo el mundo.

Queda hecho el depsito que establece la k y 11 .72]

Impreso en Talleres Verbp S.A. Comandante Spun 65], Avellaneda.

Provincia de Buenos Aires. en el mes de abril de 2004.

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V 111 FUNDAMENTOS DE BJOLOG!A CELULAR Y MOLECULAR

que se repiten cada vez que se hace referencia a cuestiones vinculadas con sus con-tenidos, lo que facilitar la bsqueda de los temas y agilizar los intentos de inte-grarlos.

Como es natural, la preparacin de una nueva edicin es una tarea compleja que depende del esfuerzo de muchas personas. Entre los colaboradores ms dedicados se destaca el diseador grfico Alejandro F. Demartini , quien tuvo a su cargo la re-creacin de las ilustraciones, la elaboracin de las figuras nuevas y la diagrama-cin de las pginas. Deseamos resaltar el incalculable aporte que nos brind, no s-lo por su pericia editorial sino tambin por el empeo con que afront los proble-mas que se presentaron, pues no cej hasta que la esttica y la informacin de las figuras llegaran al nivel que desebamos.

Merece una mencin especial el seor Arnaldo Saita, de quien dependi la co-rreccin del texto original a fin de alcanzar -y no dudamos que lo consigui- la mayor precisin idiomtica posible. Cabe tambin mencionar a la seorita Marina von der Pahlen y a los seores Amrica Ruocco, Miguel A. Romero y Roque Quin-teros por la colaboracin proporcionada en distintas etapas de la preparacin del li-bro. Finalmente, dejamos sentado nuestro agradecimiento a la Directora Editorial de El Ateneo, seora Luz Henrquez, por su anuencia para que se publique esta nueva edicin de Fund.amentos, y al Editor del Departamento de Medicina, seor Enrique Lohrmann, por su generoso e incondicional apoyo desde que se gest el proyecto.

Los AUTORES

In dice

l. LA CELULA Introduccin ...... Niveles de organizaci~::::: :::: ::::: ::: : : ::: : :::: : :: : : ::: : : :: : :::: : : :: : : : :: : :::: : :: : :: :: : :::::: :: : : ; Caractersticas generales de las clulas .................................... .. .. .. ...... .. ................. 3

2. LOS COMPONENTES QUIMICOS DE LA CELULA Introduccin .. .... ........... ................ ................... . .. ...... ....... .. ........ .. .... .... 21 Agua y minerales.. ..... .. .. .. .... .. ......... ........................... .. .. .. . .. .. ................ .. .......... .. 22 Acidos nucleicos ................. .. ..... .. ~:~~~;bJE>< \ .: ... .t 43

...... ........................... ......................

3. LAS MEMBRANAS CELULARES. Permeabilidad de las membranas Actividades de las membranas ... .. .... .. . Estructura de las membranas ........... .. .. .......... .... ..... .. . Fluidez de las membranas .. :.::::: ::::::::::::::::::: ::::: :::::::::::::::::::::::::::::: ::::::::::::::::::::: ~~

.. ..... 47

Permeabthdad de las membranas celulares .............. .. .......... .... .. .......... ................. 56 La membrana plasmtica y la pared de la clula vegetal. .. .. ..... .. .. .. .. .. . ...... 68

4. EL CITOSOL Componentes .. ... ............... .. .. .... .... .. .. ......... .. .. .. ... ......... .. .... ... .. 71 Chaperonas .. . .. .. .. .. .. .. .. .. .. . ... .. .. .. .. .... .. ...... .... Proteasomas.... .. .. ......... .. ... .. ... .. ............. ...... ... ............... ... .. .. .. .......... ..... .. 73

..... .......... ... .... ..... ....... ...... .... .. .. .......... ... .......... ... .. . 75

5. EL CITO ESQUELETO. Forma y motilidad Componentes ............... .......... .......................... .. ....... .. ..... ..... ... .... .. .. .................. .... 77 Filamentos intermedios . Microtbulos .............. ... ......... .. .. .. ......... .. .. .. ................. . ........... .. .. .. .. . .. . 78

cntrosoma....... . ........... ... .. .... ..... ..... .. .... ......... ........ .............. ................... 80 (' ']' .... .. ......... ........... .. .. .. .. .. .. .......... .. . ........ .. ........ ... .. ........ .......... . 81

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X FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLEC ULAR

6. LA UNION DE LAS CELULAS ENTRE SI Y CON LA MATRIZ EXTRACELULAR

Matriz extracelular .. ....... .. ...... .. .. .... .. ........ . . ........... ..... .... ........ ... ... ........ ..... .. 109 Uniones de las clulas con la matriz extracelular .... .... .... ..... ... ......... .. ............... .. 112 Uniones transitorias entre las clulas .. ... .......... ... ..... .... ... ..... .. ... .... ..... ........ .... .... ... 113 Uniones estables entre las clulas ...... ... ... ........ ....... .... ...... ... ......... ...... .. ... .. ... ...... 1 14 Las conexiones entre las clulas vegetales .... .. .... .... .... ... ........ ... .... .... .. .. .... ..... .. . 119

7. EL SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS. Digestin y secrecin Componentes ..... ... .. .. . . . .. ... .... ... ... . . . . . . . .. ... . . . . . .... .. . .......... ..... ......... .... .. .. . 121 Retculo endoplasmtico .. ...... . ...... ...... .... ... ... ....... .......... ... ... .. .. ..... .. ....... ...... .... ... 122 Complejo de Golgi .. ... ..... .... . ...... .... .. .. ... . . . . ..... ... .... ... ...... ....... ... .. .... ......... .. 123 Punciones del retculo endoplasmtico y del complejo de Golgi ..... .. .. ....... ........ .. 126 Secrecin celular. Exocitosis .. ... .... .... .. ...... . ..... .... ..... ...... 139 Endosomas. Endocitosis .. .. ... ..... ...... ......... .... .. ..... ............... .... .. ... ... ...... ... ....... ... ... 141 Lisosomas. Digestin celular. ........ .......... .... .. ..... .... .. ....... .. .... .. .. ..... ...... ... .. ... ... ... ... 146 Vesculas transportadoras ..... .......... ............ ... .. ........... .... .. .. .... ..... .. ....... .... ... ... ..... 149 El sistema de endomembranas en la clula vegetal... ..... .. .. .... ...... .. ..... ...... .. ..... ... .. !57

8. LAS MITOCONDRIAS. Energa celular I Procesos bioenerglicos.... .. . . . . ..... .. .... ... . . . ...... ...... .... .. ....... .... ..... ....... ... 159 Descripcin genera] y estructura de las mi tocondrias ...... .. .... ..... .......... .. ... ... ..... . 165 Funciones de las milocondrias .... .. .... .. ...... .. ... ... ..... . ..... .... ...... .... .. .... ....... . 168 Mitocondrias de las c lulas de la grasa parda ... ... .... ... .. .... ... ...... ...... ......... ......... .. 174 Reproduccin de las mitocondrias ...... .... .......... ..... .. ........ ............ .. .. . . .. ... .. 175 ADN mitocondrial ... ... ......... .... ....... ... ........ ... ... ... ....... ....... 176 Probable origen de las mitocondrias ...... ..... ... . .... .. .... ...... .... .... ... ..... 179

9. LOS CLOROPLASTOS. Energa celular 11 Tipos de plstidos .. .. . .. ... ...... .... .. .. ... .............. ........ .. .. . ... .... ... .. .. .. .... .. ..... 181 Estructura de los c loroplastos. ..... ..... ... .... ... .... ...... .. .. .. .. . 183 Fotosntesis.... ... .. ..... ..... ...... ....... ..... .. ..... . .. ...... .. .. ... .... ...... ... .... ... ... .. .. ... 184 Biognesis de los cloroplastos ..... .. .... ........... .. ...... ... .. ...... .. .... .. .. .. ........ .... ....... .... 190

10. LOS PEROXISOMAS. Destoxificacin celular Contenido de los peroxisomas .... . .... .. ..... ...... ... ..... ... ... ...... .... .... .. .. .. .... ........ .... .. 193 Punciones ..... .. ... ..... .......... .. .... ... .... .... ..... .... .... .. ... .... . ..... ... .. .......... .... .... ........ .. ... . 194 Reproduccin... . . .. ..... ... ... ... . . . .. . ... ... .... ... ... .. .... .. . . .. . . .. . . ... .. .... ... . . . .. 195 Los peroxisomas en las clulas vegetales ..... ... ..... .... .... .. .......... .... .. ....... ... ... 195

11. LA COMUNICACION INTERCELULAR Y LA TRANSMISION INTRACELULAR DE SEALES

Formas de comunicacin entre las clulas ..... Inducciones celulares mediadas por receptores citoslicos .. ... Inducciones celulares mediadas por receptores localizados

en la membrana plasmtica .... .... .. .. .......... .......... ... ... ... ... ... . ....... .... ....... . Receptores membranosos que adquieren actividad enzimtica

197 200

201

o que activan enzimas .. ... .. ..... .. ..... ............ .. ................. .. ..... ... .. .. .. ..... ... . 202 Receptores membranosos acoplados a protenas G ..... ..... .. .... ... ..... .. ..... .... .. ...... ... 207

12. EL NUCLEO Descripcin general.. ...... . ... ....... ... ...... .. .. .... .... .... .. .. ...... .... ... ... ... ........... ... 21 9 Envoltura nuclear ...... ... ....... .. .... ... ... .... .. ... .. .. ... .... .... ......... ....... .. .. ... ........ .... .. .. ..... . 220 Cromosomas. . . . ... . . . . . . . .. . . .. .... ... .. .... .. .... ............ ... .. .... .... .... .. .. .. ........... .. .... 225 Eucrolllat ina y heterocromatina ... .. ........... .. .. ... ....... ..... ..... ... ... .. : .. ... .... ... .. .. .... ..... ... . 10 ( ' ;11 inl n ..... .. ... . . ... . . ..... . . . .. .. . .. . . .... . . .. .... . . .. . . .. .. ... .. .. . . .. .. . ... . ..... .. .. ..... . ... ... .. .. .. .. .. ' 11

/

IND!CE XI

13. LOS GENES Introduccin .... ............. .. .. .... .. ... .. ... ... .. ........... ............ ............ .... ... ....... ....... .... ... .. 237 Cdigo gentico .... .... ..... .... . Composicin de los genes .......... ...... . .. .. ..... ... .. ......... ..... .. ... ...... .. .. ........ .... ..

14. LA TRANSCRIPCION DEL ADN

... 239 . 241

Definicin ...... . . . .. . .. .. . . . .... . ... . . . . . . . . . ..... .. . .. ..... ... ... .. .. .. .... ... .. ..... ...... . 247 Transcripcin de los genes de los ARN mensajeros ... ...... ... ........ .. .. .. ..... ... .. ..... ... 250 Regulacin de los genes que codifican ARN mensajeros ... .. .. ... .. .. .. ....... ... .. ......... 251 Transcripcin del gen del ARN ribosmico 455 ............................ . ..... .. ....... 26 1 Transcripcin del gen del ARN ribosmico SS. ......... ... .. . . .. ... .... .. .... .. . 261 Transcripcin de los genes de los ARN de transferencia ... ....... .... ..... .... .... ......... . 262 Transcripcin de los genes de los ARN pequeos . ... ...... .. .. .. .. .. ..... ... .. ... ...... ..... .. 262 Transcripcin de los genes del ARNxist, del ARNte y de los miARN .. ... ..... .... .. 262 Transcripcin de los genes en las clulas procariotas .. .... ...... ........ ... . 263

15. EL PROCESAMIENTO DEL ARN Procesamiento de los ARN mensajeros ........ . .. .... ... .... ..... .... ... ....... .. .. .. ... .. .. .. . 269 Regulacin del procesamiento de los ARN mensajeros .......... ....... .... ..... .... .... ..... 274 Procesamiento del ARN ribosmico 455 ............. ........ .... ........ ...................... ..... 275 Nuclolo .. .... ............ ... .. ......... .. ..... ...... ..... .. ........ ......... ....... ... .. .. .. ......... .. ..... .. ..... .. . 276 Procesamiento del ARN ribosmico SS ......... ........... .. ....... .......... ...... ... .... ... ... ..... . 278 Procesamiento de los ARN de transferencia ..... .... ... ... ...... .... ......... .. .. .......... ... ... .. 278 Procesamiento de los ARN pequeos....... ....... ...... ... ..... .. ..... ... ... ....... . ... .. 279 Procesamiento del ARNxist, del ARNte y de los miARN .............. . .. .. .. .... ..... ..... 279

16. LA TRADUCCION DEL ARNm. Sntesis de protenas Descripcin general y cdigo gentico... . .... .. ... .. ............. .. .. .. .. ......... .. 281 Tipos de ARN de transferencia .... ..... ......... ...... .. .... ... .. .... .. .... ... .. ... 283 Aminoacil-ARNt sintetasa... . ........ ..... ... ... ... .. .. .... .. .... ...... ....... .. ... ..... ...... .... .. 285 Ribosomas ..... .... ... .... ... .... .. ... .... ... ... ....... ... .. ... .. ... .......... .... .. .. ........ ..... .... .... ... 286 Las etapas de la sntesis proteica.. .... . .......... ... .... .. .... 288 Regulacin de la traduccin de los ARN mensajeros

y de la degradacin de las protenas .. .. .. .. ...... ...... .. .. ...... ..... .. .. 294

17. LA REPLICACION DEL ADN. Mutacin y reparacin Replicacin del ADN. Desctipcin general. ..... ..... .. ... .... . ... .. ....... ...... ...... ..... ....... 299 Orgenes de replicacin .. .. ..... . . . . . . . . . . .. . ... ... . ..... .... ... ..... .... .... ........ .. .... .... .... .... .... 302 Replicacin continua y discontinua ...... .. . ... ......... .. .. .... .. ...... ... ...... ....... .. ..... .. 304 Replicacin del ADN en los telmeros .... .. ..... .... ... ..... .... . .... .... .... ..... ......... ........ 308 Funciones de las topoisomerasas....... .... ... .. . ........ ..... .. .. ... ... .... ... ... 311 Mutacin del ADN . . . . .. .. .. . .... ..... .... ... ... ..... ........ ....... ..... . ... .. 313 Reparacin del ADN ..... .... ... .. ...... .... ... ....... ... .... .. ........ .... ...... ... .. 316 Transposicin de secuencias de ADN . . ... ..... .. .. ... .... ... ............. ... .. ...... .... . 318

18. LA MITOSIS. Control del ciclo celular Ciclo celular ..... ...... .. ...... .. . . ..... .. .. .... .. ..... ... .. ... ..... .... .. .... ......... .. .. .. ... ...... .... 321 Descripcin general de la mitosis ... .. ..... ..... .. ......... .. .... ..... ... ........ .. ....... .. ... .......... 322 Fases de la mitosis .. ..... .. ...... .. .. ........ .. ......... ............. .... .. .. ... ... .. .... ..... ..... ........ .. ..... 323 Centrosomas ... ....... ... ... .... ...... .. .. .... ... ....... ........ .. .... ... ..... .. .. ... ........ ..... .... .. ... .... ...... 326 Cinetocoros .......... .... : .. ... .... .. ... . :. .... ............ ... .... .... .. .. ..... .. ... .... ..... ........ .. 327 Iluso mi ttico .... ... ..... .. .......... ....... .... ..... ....... ..... .. ... ...... .. ..... .. ... .. ..... ........ ..... .. ... ... 328 C' itoc incsis .. ... .... .... .... ... .... .... ... ... .. ..... .. ... ..... ..... .... ... ... ...... ... ......... .... .. . .. 330 1 .a tnitosis en las l u las vegetales. .. .......... ...... .. ... ... ...... .... .. ... ... ...... .... . .... 332 ( 'nnlro l dd , ir lo n lu lar .. .. .... ..... .. .. ... . ... ... ..... ..... ... ....... ....... ........ .... ...... .. .. ... .... ... 333 l ' lcllt lnltt 'ci' " ' IIV"', IIIH 'Ilf ( ' I H':J y gtm.~ NIIII (' SciH'S de l lllll t H\ 'S .. .. . . .. .. ...... .. .. . ...... . . . .. . . 'J7

XII FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR

19. LA MEIOSIS. Fecundacin Meiosis y reproduccin sexual ............................ ..... . ....... ....... ........................... 341 Diferencias entre la mitosis y la meiosis . ........ ......... . .. ..... ........ .... ........ . 342 Descripcin general de la meiosis... .. .. .. .. .. ...... .. .. ....... . .... ..... .... ..... ..... .. ...... 344 Fases de la meiosis .... ...... .. ..... .. ..... . ......... .. .......................... 344 Consecuencias genticas de la meiosis ............................ 354 Fecundacin ......... .. ... ................... ......... 356 Fases de la fecundacin.. . .. .......... ......... . 357 La meiosis en las clulas vegetales y la reproduccin de las plantas .................... 363

20. LAS BASES DE LA CITOGENETICA Leyes de la herencia mendeliana ........................................... .. ................... ........ 365 Aberraciones cromosmicas.... ............... ...... .. ................. 370 Aberraciones cromosmicas en la especie humana .. Papel desempeado por los cromosomas en la evolucin .. .

21. LA DIFERENCIACION CELULAR

. ................ 373 ................ .. .. 376

Caractersticas generales .............. ............... .... .... ....... .... .. .... ......................... ...... 379 Interacciones nucleocitoplasmticas .......... .. ........ .. ... ................ .. .. ......... ... ...... . 380 Determinantes citoplasmlicos ............................................. .. ... ....... ..... .. .. ..... .. .. 382 Valores posicionales de las clulas embrionarias ........ ............ . .. ... .. ....... .. .. .. .. .. ... 385 Establecimiento del plan corporal .. .. ...... .. ............ .... .... ... .. .. .... .. ........ ...... .. .. .. ....... 386 Fenmenos inductivos .... .... ....... ................ .. .. .. .. .. .. ..... .. .. ....... .. .... .. .. .. 386 El establecimiento del plan corporal en la Drosophila .. ... .. .. .... .. .. ..... .. .. 390 Genes responsables de la formacin del plan corporal .... .. ... .. .. .. ...... .. ..... 391

22. LA MUERTE CELULAR Definicin y caractersticas generales.. .......... .. ........ ... .. ................................ 393 Apoptosis por supresin de factores trficos .. .. .. ...... ... .. ....... ........... .. ........... 394 Apoptosis por activacin de receptores especficos .. .. .. ..... ... .... .. .... .. .. ... .... ........ 396 Apoptosis debida a mutaciones en el ADN ......................... .. .......... ... 398

23. LOS METODOS DE ESTUDIO EN BIOLOGIA CELULAR Microscopia ptica...................... .................................. .. ...... ..... .. ...... 401 Microscopia electrnica ......................... .. ... .. ........ ............ .. ...... .. .......... .. ........ ..... 406 Estudio de las clulas vivas............. . ....................... .. .. .... .. .......... .. ................ 411 Citoqumica ........ ................ . ........ .. .. ..... .. ... .. ...... .. ........ ....... .. .. ...... ..... 412 Inmunocitoqumica ........... .. ... .................................. . ....... ... ... .. .......... ......... ....... . 414 Radioautografa ............................................... ....... ... .. ...... ........... .. ............. ........ 41 S Fraccionamiento celular y molecular...... .. ...... . : .. ...... .. .. ... ..... .. ..................... 416 Anlisis molecular del ADN e ingeniera gentica .... .. .. .. .. . . ........... .. ... ..... .. 418 Anlisis de la funcin de los genes. .................. .. . ..... .. .. ..... .. ....... 429

INDICE ALFABETICO ................ .............................. .. ........ .. .... ..... .. .. ... ....... .. ....... 435

La clula

INTRODUCCION 1- 1. Las clu las son las un idades con que se construyen

los organismos vivos

El estudio del universo biolgico nos muestra que la evolucin produjo una inmensa diversidad de formas vivientes. Existen alrededor de cuatro mi-llones de especies de animales, vegetales, protozoos y bacterias, cuyos com-portamientos, morfologas y funciones difieren entre s. Sin embargo, a nivel 1110lccular y celular estas entidades vivientes presentan un plan maestro de or-~ unizacin nico. El campo de la biologa celular y molecular es, precisa-lll t.:nte, el estudio de ese plan de organizacin unificado; en otras palabras, es l' i anlisis de las molculas y de los componentes celulares con que se cons-lruyen todas las formas de vida.

La clula es la unidad estructural y funcional fundamental de los seres vi-vos, as como el tomo es la unidad fundamental de las estructuras qumicas. Si por algn medio se destruye la organizacin celular, la funcin de la clu-111 tambin se altera.

Los estudios bioqumicos demostraron que la materia viviente est com-(111 sta por los mismos elementos que constituyen el mundo inorgnico, aun-qut.: con diferencias en su organizacin. En el mundo inanimado existe una 1rndcncia continua hacia el equilib1io termodinmico, en el curso de la cual 11r producen transformaciones contingentes entre la energa y la materia. En l'lllllbio, en los organismos vivos existe un manifiesto ordenamiento en las 1111nsformaciones qumicas, de modo que las estructuras y las funciones bio-, .~ icas no se alteran.

l ~n el captulo 23 se describen ordenadamente los mtodos de estudio que u oporcionaron los conocimientos esenciales sobre la estructura ntima de lun c lulas y permitieron descubrir la organizacin subcelular hasta un nivel 111111 ' ular.

El presente captulo tiene como objetivos principales ofrecer una intro-dtt

2 FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR

Fig. 1-1. Escala logartmica de las dimensiones microsc-picas. Cada di visin principal representa un tamao 1 O ve-ces menor que la precedente. 1\ la izquierda se indica la po-sicin de las dife rentes longi-ludes de onda del espectro electromagntico y los lmites de resolucin de l ojo humano, de l microscopio ptico y de l 111icroscopio e lectrnico. 1\ la d(-reclw aparecen los lnrn:u os de las e lulas, lm1 llnd ,\d u .. IoN vi rnH, lnt: 111111 ; nlw v 1 ..

1111\11 1/. ,

NIVELES DE ORGANIZACION 1- 2. Niveles de organizacin en biologa celular y poder resolutivo

de los instrument os ut ilizados Los modernos estudios de la materia viviente demuestran que las manifes-

taciones vitales del organismo resultan de una serie de niveles de organiza-cin integrados. El concepto de nive les de organizacin implica que en el universo entero, tanto en e l mundo inerte como en el viviente, hay diversos niveles de complejidad, de manera que las leyes o reglas que se cumplen en un nivel pueden no manifestarse en otros.

La tabla 1-1 muestra los lmites que separan el estudio de los sistemas bio-lgicos en diferentes niveles. Los lmites estn impuestos artificialmente por el poder de resolucin de los instrumentos utilizados. El ojo humano s lo puede resolver (discriminar) dos puntos separados por ms de O, 1 mm (l 00 J.l.m). La mayora de las clulas son mucho ms pequeas y para estudiarlas se necesita el poder de resolucin del microscopio ptico (0,2 J.l.m). La ma-yor parte de las subestructuras celulares son ms pequeas an y requieren la resolucin del microscopio electrnico (cap. 23-11). Con este instrumento se puede obtener informacin de subestructuras que miden entre 0,4 y 200 nm,

Ondas de radio

Lfmlte del ojo humano ------1~

Infrarrojo

Visible

Lfmite del microscopio ptico

Ultraviole ta

Rayos y y X

1 f1111to do/ microscopio efoctrntco

1 mm

100 )lm

------- Bacterias

'""}--"'"' 10nm]

t-----Protenas

1 nm 1 ArYIIrlo"nldoll 0 ,1 nm A lo IIIIIIM

l. LA CELULA 3

Tabla 1-1. Ramas de la morfologa Dimensin Rama Estructura Mtodo

> 0,1 mm Anatoma Organos Ojo y lente simple 100-1 0 J.m Histologa Tejidos Varios tipos de microscopios pticos 10-0,2 J.m Citologa Clulas Varios tipos de microscopios pticos

Bacterias 200-0,4 nm Morfologa submicroscpica Componentes celulares M icroscopia electrnica

Ultraestructura Virus < l nm Estructura molecular y atmica Posicin de los tomos Difraccin de rayos X

1 mm equivale a 1.000 .un; 1 .m, a 1.000 nm.

lo cual ampla el campo de observacin hasta el mundo de las macromolcu-las. Los resultados logrados mediante la aplicacin de la microscopia electr-nica han transformado el campo de la citologa en un grado tal que gran par-IL! de este libro est dedicado al estudio de los conocimientos obtenidos con esta tcnica. Por otra parte, los estudios de la configuracin molecular de las protenas, los cidos nucleicos y otros complejos moleculares de gran tama-no - incluidos algunos virus- se realizan mediante el anlisis de las mues-Iras por difraccin de rayos X.

En la figura 1-1 se indican los tamaos de las clulas eucariotas, las bac-IL:rias, los virus y las molculas en escala logartmica, y se los compara con las longitudes de onda de las radiaciones y con los lmites de resolucin del ojo humano, del microscopio ptico y del microscopio electrnico. Puede ad-vertirse que el microscopio ptico permite un aumento de 500 veces con res-pecto a la resolucin del ojo, y el microscopio electrnico un aumento 500 v ces mayor que el microscopio ptico.

En la tabla 1-2 se presentan las relaciones generales entre las dimensiones lineales y los pesos que se manejan en el anlisis qumico de la materia vi-viente. Es esencial familiarizarse con estas relaciones para el estudio de la biologa molecular de la clula. El peso de los -componentes celulares se ex-presa en picogramos (1 pg = 1 J.l.J.l.g, es decir, 10-12 g) y el de las molculas on llalton. Un dalton (Da) es equivalente al peso de un tomo de hidrgeno, p ro a menudo se utiliza el mltiplo kilodalton ( 1 kDa = 1.000 Da). Por l"iL!mplo, una molcula de agua pesa 18 Da y una de hemoglobina 64,5 kDa.

CARACTERISTICAS GENERALES DE LAS CELULAS 1- 3. Existen clulas procariotas y clulas eucarotas

Al comienzo del captulo dij imos que la vida se manifiesta en millones de ('S[lL!l:CS diferentes que poseen comportamientos, formas y funciones propias . 1 .ns especies se ordenan en grupos de organismos cada vez ms amplios

ncros, familias, rdenes- hasta llegar al nivel de los reinos clsicos: ve-

1 hiH 1 2, Relaciones entre las dimensiones lineales y los pesos / 1/ut"n\'ltn lineo/ Peso

1 1111 l g 1 111111 1 111~. JI)' 1.4 11111)1 111 1 11,, 111 . 11 1 11111 l 1 . 10 1 ~

Terminologa

Bioqulrnca convencional Micrmulmicu IIIM!oqulrlucu }

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4 FUNDAMENTOS DE BIOLOGJA CELULAR Y MOLECULAR

Tabla 1-3. Clasificacin de las clulas y los organismos getal y animal. Una de las clasificacio-nes ms usadas propone la divisin en cinco reinos: mneras, protistas, hon-gos, vegetales y animales, con sus co-rrespondientes subdivisiones (tabla 1-3).

Clulas Reino

Procariotas Mneras

Eucariotas Protistas

Hongos

Vegetales

Animales

Organismos representativos

Bacterias Algas azules

Protozoos Crisofitas Mohos Hongos verdaderos Algas verdes Algas rojas Algas pardas Briofitas Traqueofitas Metazoos

Este cuadro puede simplificarse si se examinan las distintas formas vivientes a nivel celular. As, es posible clasificar a las clulas en dos categoras reconoci-bles: procariotas y eucariotas. En la tabla 1-3 se aprecia que nicamente las mneras (es decir, las bacterias y las al-gas azules) son clulas procariotas, mientras que todos los dems reinos es-tn integrados por organismos com-puestos por clulas eucariotas.

La principal diferencia entre ambos tipos celulares es que los procariotas no poseen envoltura nuclear. El cromosoma de Jos procariotas ocupa un es-pacio dentro de la clula denominado nucleoide y se halla en contacto direc-to con el resto del protoplasma. En cambio, las clulas eucariotas poseen un ncleo verdadero con una complicada envoltura nuclear, a travs de la cual tienen lugar los intercambios nucleocitoplasmticos. En la tabla 1-4 se esta-blece la comparacin de la organizacin estructural en los procariotas y los eucariotas, lo cual ilustra las diferencias y las semejanzas entre los dos tipos celulares.

Desde el punto de vista evolutivo, se considera que los procariotas son an-tecesores de los eucariotas. Los fsiles que datan de tres mil millones de aos se manifiestan nicamente como procariotas, en tanto que los eucariotas apa-recieron probablemente hace mil millones de aos. A pesar de las diferencias

entre los procariotas y los eucariotas,

Tabl.a 1-4. Organizacin celular en procariotas y eucariotas existen grandes semejanzas en su orga-nizacin molecular y en sus funciones. Por ejemplo, ambos tipos de organis-mos utilizan un mismo cdigo gentico y una maquinaria similar para sintetizar protenas.

Procariotas Eucariotas

Envoltura nuClear Ausente Presente ADN Desnudo Combinado

con protenas

Cromosomas Unicos Mltiples Nuclolos Ausentes Presentes Divisin Fisin binaria Mitosis o meosis Ribosomas 70S* (50S + 30S) 80S (60S + 40S) Endotnembranas Ausentes Presentes Mitocondrias Ausentes Presentes Cloroplastos Ausentes Presentes en

clulas vegetales Pared celular No eelulsica Celulsica en

clulas vegetales IZxocitosis y endocitosis Ausentes Presentes ( 'ihJesqueleto Ausente Presente

S e~ l; unidad Svedhcrg du sedimentacin. que depende de la densidad y In fi,lnm de lu mul '('uln,

1-4. Ex is ten organ ismos auttrofos y organ ismos hete rtrofos

El sol constituye la fuente original de energa para los organismos vi vos. La energa incluida en los fotones es atrapada por el pigmento llamado cloro-fila -que se encuentra en los cloroplas-tos de los vegetales verdes- y se acu-mula en forma de energa qumica en los diferentes alimentos consumidos por otros organismos.

Las clulas y los organismos plurice-lulares pueden agruparse n dos las s principales segn t: l lll

6 FUNDAMENTOS DE BIOLOGJA CELULAR Y MOLECULAR

F ig. 1-3. A. Micrograffa elec-trnica de una Escherichia coli que muestra, por fu era de la membrana plasmtica, el espacio periplasmtico y la me mbrana externa de la pared celular. El nucleoide aparece como una reg in irregular de poca densidad electrnica. El resto del protoplasma est ocupado por ribosomas. (Cor-tesfa de B. Menge, M. Wurtz y E. Kellcnberger.) B. Esque-ma de la pared celular de una bacteria gramnegativa. Obsr-vese el peptidoglicano y la membrana externa, cuya bica-pa lipfdica est atravesada por porinas. En el lado inferior de la figura se ve una parte de la me mbrana plasmtica.

1". Membrana externa

protoplasma contiene agua, iones, otros tipos de ARN, protenas estructura-les y enzimticas, diversas molculas pequeas, etctera.

El cromosoma bacteriano es una molcula circular nica de ADN desnu-do, plegado apretadamente dentro del nucleoide, el cul, visto con el micros-copio electrnico, se observa como la regin ms clara del protoplasma (fig. 1-3). Es importante advertir que el ADN de la Escherichia coli, que posee una longitud aproximada de 106 nm (1 mm), contiene informacin gentica para codificar entre 2.000 y 3.000 protenas distintas.

El cromosoma de los procariotas se halla unido a la membrana plasmti-ca. Se cree que esta fijacin contribuye a la separacin de los dos cromoso-mas hijos despus de la replicacin del ADN. Tal separacin se producira al crecer la membrana plasmtica interpuesta entre ambos cromosomas.

Adems del cromosoma, algunas bacterias contienen un ADN pequeo -tambin circular- denominado plsmido. El plsmido puede conferir a la clula bacteriana resistencia a uno o a varios antibiticos. Mediante el uso de tcnicas de ingeniera gentica (cap. 23-34) es posible aislar los plsmidos, insertarles fragmentos especficos de ADN (genes) y luego trasplantarlos a otras bacterias.

Micoplasmas. La mayora de las clulas procariotas son pequeas (miden entre l y 10 f..Lm), pero algunas pueden alcanzar un dimetro de hasta 60 f..Lm. Entre Jos organismos vivos que poseen la masa ms pequea, los que mejor se adaptan para su estudio son las pequeas bacterias llamadas micoplasmas, las cuales producen enfermedades infecciosas en di ferentes animales y en el h01nbrc y pueden ser cultivadas in vitro como cualquier otra hn 1 ' ri ll . HHio>i ll !4

!:! FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR

Fig. 1-5. Escherichia coli infectada por un bacterifago (comprese con la figura 1-3 de control). Se obser-van algunos residuos del bacterifa-go adheridos a la pared celular (fle-chas), despus del ingreso de l ADN. El nucleoide no se ve y lac-lula aparece repleta de virus. (Cor-tesa de B. Mcnge, M. Wurtz y E. Kellenberger.)

en la figura 1-5, despus de haber sido infectada por un bacterifago, la Escherichia coli aparece repleta de virus y pronta a romperse para dejar a los nuevos bacterifagos en libertad.

Cuando se trata de virus que infectan a clulas eucariotas el proceso es ms complejo. As, el ADN o el ARN del virus se replica en el ncleo de la clula husped y las protenas virales se sintetizan en los riboso-mas citoplasmticos. Luego, los nuevos componentes virales se combi-nan entre s en el interior de la clula.

Para concluir el estudio de los virus, comparmoslos con las clulas verdaderas. Estas poseen: 1) un programa gentico especfico que per-mite la formacin de nuevas clulas similares a las predecesoras; 2) una membrana plasmtica que regula Jos intercambios enue el interior y el exterior de la clula; 3) una esuuctura que atrapa la energa de Jos ali-mentos, y 4) una maquinaria que sintetiza protenas. Como vimos, los virus poseen slo la primera de estas facultades y carecen de las dems. Por este motivo no son considerados como clulas verdaderas, a pesar de contener los patrones genticos para codificar sus protenas y repro-ducirse.

1-6. Organizacin general de las clulas eucariotas Una vez estudiada la .organizacin de las clulas procariotas es con-

veniente volver a observar la tabla 1-4, en la que estn resumidas las principales diferencias con las clulas eucariotas. Si se compara la orga-nizacin de la Escherichia coli (fig. 1-3) con la de una clula vegetal (fig. 1-6) o la de una clula animal (fig. 1-7), llama la atencin la com-plejidad de estas ltimas.

En la clula eucariota en interfase, el ncleo constituye un comparti-miento separado, limitado por la envoltura nuclear. Otro compartimien-to est representado por el citoplasma, el cual se halla rodeado por la membrana plasmtica, que a menudo muestra diferenciaciones. Cada uno de estos tres componentes principales contiene a su vez varios sub-componentes o subcompartimientos. Se puede utilizar la tabla 1-5 como una gua que resume esta compleja organizacin, ya que n l'llu St' 'ttll-meran las f'uncion s mis importantes de nda omponl'nf

1-7. Existe una gran diversidad morfolgica ent re las clulas eucariot as Las clulas de un organismo multicelular tienen formas y estructuras va-

riables y se diferencian de acuerdo con sus funciones especficas en Jos dis-tintos tejidos. Esta especializacin funcional hace que las clu las adquieran caractersticas singulares, aun cuando en todas ellas persiste un modelo de or-ganizacin comn (fig. 1-8).

Algunos tipos celulares, como Jos leucocitos, cambian de forma constan-temente. Otros, como las clulas nerviosas y la mayora de las clu las vege-tales, poseen una conformacin bastante estable. La forma de una clula de-pende de sus adaptaciones funcionales, del ci loesqueleto presente en su cito-plasma, de la accin mecnica ejercida por las c lulas adyacentes y de la ri-gidez de la membrana plasmtica.

El tamao de las clulas oscila dentro de amplios lmites. Si bien algunas clulas pueden observarse a simple vista, la mayora son visibles nicamen-

Membrana plasmtica

Pared celular

/

l. LA CELULA 9

Fig. 1-6. Esquema de la ul-traestructura de una clula ve-getal idealizada, con sus prin-cipales componentes.

Cloroplasto


F'ig. 1-7. Esquema general de la ultraestructura de una clu-la animal idealizada, con sus principales componentes.

Cilio Microvellosidad

o Lisosoma

Vescula de pinocitosis Q ;;o

o o Membrana plasmtica

te con el microscopio, puesto que tienen unos pocos micrmetros de dime-tro (fig. 1- 1) .

El volumen de la clula es bastante constante en los distintos tipos celula-res y es independiente del tamao del organismo. Por ejemplo, las clulas del rin o del hgado tienen casi el mismo tamao en el elefante y en la rata. As, la masa de un rgano depende del nmero, no del volumen de las clulas.

1-8. La membrana plasmt ica separa el contenido de la clu la del medio externo

La estructura que separa el contenido de la clula del medio externo es la membrana plasmtica. Se trata de una delgada pelcula de a 1 O 11111 dr ('~ p 'SOr, ompliCS(a por Unll bicapa )jp(cJica COilfiiiU


Fig. 1-8. Algunos de Jos tipos celulares que se encuentran en los tejidos animales. Ob-srvense las di ferencias de formas y tamaos.

1-1 O. El citoesqueleto est compuesto por tres t ipos de f ilamentos principales

Tres tipos de filamentos principales -los de actina, los intermedios y los microtbulos- y varias clases de protenas accesorias componen una espe-cie de citoesqueleto distribuido por todo el citosol. El citoesqueleto es res-ponsable de la forma de la clula e interviene en otras importantes funciones.

Los filamentos de actina miden 8 nm de dimetro (fig. 1-9). Entre sus funciones ms salientes se halla la de conferir motilidad a las clulas .

Los filamentos intermedios, de 10 nm de dimetro, estn fonnados por protenas fibrosas y tienen principalmente un papel mecnico.

Los microtbulos son estructuras tubulares rgidas de unos 25 nm de di-metro (fig. 1-9). Nacen de una estructura llamada centrosoma, en la que se hallan los centrolos. Junto con los filamentos de actina tienen a su cargo el desplazamiento de los organoides por el citoplasma. Adems, los mic(Qtbu-los componen las fibras del huso mittico durante la divisin celular.

Los centrolos son estructuras c ilndricas que miden aproximadamente 0,2 .tm por 0,4 .tm y sus paredes estn formadas por microtbulos. En gene-ral son dobles y sus dos unidades estn dispuestas perpendicularmente . Si bien se encuentran en los centrosomas, no intervienen en la formacin de los microtbulos (las clulas vegetales carecen de centrolos y los microtbulos igualmente se forman). Durante la mitosis los centrolos migran hacia los po-los de la clula.

1- 11 . El sistema de endomembranas abarca el complejo de Golgi, el retcu lo endoplasmtco, los endosomas y los lisosomas

La figura 1-7 ilustra la continuidad y las interconexiones funcionales de los distintos componentes del sistema de endomembranas en el citoplasma.

El retcu lo endoplasmtico constituye la parte ms extensa del sistema de endomembranas (figs. 1-7 y 1- 10). Est compuesto por sacos aplanados y tbulos. La superficie externa del retculo endoplasmtico rugoso se halla cu-

Clula epitelial mucosa

M I'Jt1CIIIil lh.

Clula epitelial ciliada

Clula mucosa

Clulas

de Ja sangre

Clula liol hllldo t ' r Hll lf JIIv

Ovocito

f 1 h 11 ~ t tt llpt t 11

bierta por ribosomas, los cuales sintetizan las protenas destinadas al sistema de endomembranas y a la membrana plasmtica. El retculo endoplasmtico liso se contina con el rugoso e interviene en la sntesis de diversas molcu-las. Del retcuJo endoplasmtico deriva la envoltura nuclear, compuesta por dos membranas concntricas. Estas se unen entre s a nivel de los poros nu-deares, que son orificios que permiten el paso de molculas entre el ncleo y el citosol. La membrana nuclear interna se halla en contacto con los cromo-somas, mientras que la externa suele estar cubierta por ribosomas.

El complejo de Golgi est formado por pilas de sacos aplanados, t bulos y vesculas (figs . 1-7 y 1-10). En l se procesan molculas provenientes del retculo endoplasmtico, las cuales son luego incorporadas a endosomas o son liberadas (secretadas) fuera de la clula por exocitosis.

Los endosomas son organoides destinados a recibir enzimas hidrolticas provenientes del complejo de Golgi as como el material ingresado en la c-lula por endocitosis. Cuando suman ambos contenidos se convierten en liso-sornas.

Los lisosomas son organoides polimorfos (figs. 1-7 y 1-11). Contienen las ~.:nzimas hidro lticas responsables de la digestin de las sustancias incorpora-das a la clula por endocitosis. Tambin degradan a los organoides obsoletos ( aut.ofagia).

1- 12. Las mitocondrias y los plstidos son organoides fundamentales para e l funcionamiento celula r

1 .as mitocondrias se encuentran prcticamente en todas las clulas euca-' iotas. Son estructuras cilndricas de alrededor de 3 .tm de largo por 0,5 .tm dt di. utclm que poseen dos membranas. La membrana mitocondrial externa , ,. llllllu stparada d la m


triz (figs. 1-7 y 1-11). La membrana interna y la matriz mtocondrial contie-nen numerosas enzimas que intervienen en la extraccin de la energa de los alimentos y en su transferencia al ATP.

Las clulas vegetales poseen organoides denominados plstidos, Jos cua-les estn ausentes en las clulas animales. Algunos, como los leucoplastos, son incoloros y participan en el almacenamiento del almidn. Otros contie-nen pigmentos y se denominan cromoplastos; entre los ms importantes se encuentran los cloroplastos, con un pigmento verde llamado clorofila (fig. 1-6). El cloroplasto posee dos membranas, una estroma y un compartimien-to singular formado por sacos aplanados denominados tilacoides. En los clo-roplastos tiene lugar la fotosntesis, que es el proceso mediante el cual las plantas captan la energa de la luz y, con el aporte de H20 y C02, sintetizan diversos compuestos orgnicos que aprovechan como alimento y que sirven para alimentar a Jos organismos hetertrofos.

Tanto las mitocondrias como los cloroplastos contienen cromosomas cir-culares pequeos, cuyos genes forman ARNt, ribosomas y unos pocos ARNm necesarios para elaborar algunas protenas pertenecientes a los propios orga-noides.

1-13. los peroxisomas tienen funciones destoxificantes Los peroxisomas estn rodeados por una sola membrana. Contienen en-

zimas vinculadas con la degradacin del perxido de hidrgeno (H20 2) y una de sus funciones es proteger a la clula.

1-14. la presencia del ncleo caracteriza a la clula eucariota Salvo excepciones, todas las clulas eucruiotas poseen ncleo. En gene-

ral, la forma del ncleo y la de la clula se hallan relacionadas. Por ejemplo, en las clulas esfricas, cbicas y polidricas el ncleo suele ser esfrico, mientras que en las cilndricas y fusiformes suele ser elipsoidal.

En las distintas clulas somticas los ncleos tienen tamaos especficos, que dependen de las protenas contenidas en ellos. Dichos tamaos varan le-vemente con la actividad nuclear. En general existe una proporcin ptima entre el volumen del ncleo y el volumen del citoplasma; esta proporcin se conoce como relacin nucleocitoplasmtica.

Casi todas las clulas son mononucleadas, pero existen algunas binuclea-das (por ejemplo, las clulas hepticas y las cartilaginosas) y otras polinu-cleadas. En los plasmodios y los sincicios -que constituyen grandes masas citoplasmticas no divididas en territorios celulares independientes- los n-cleos pueden ser extraordinariamente numerosos. Tal es el caso de la clula muscular estriada y del sinciciotrofoblasto placentario, que pueden contener va.Jios centenares de ncleos.

El crecimiento y desarrollo de los organismos vivos dependen del creci-miento y la multiplicacin de sus clulas. En los organismos unicelulares, la divisin celular implica su reproduccin; por este proceso, a partir de una c-lula se originan dos clulas hijas independientes. Por el contrario, los orga-nismos multicelulares derivan de una sola clula -el cigoto- , y la repetida multiplicacin de sta y de sus descendientes determina el desarrollo y el cre-cimiento corporal del individuo.

La clula crece y duplica todas sus molculas y estructuras antes de que se produzca su divisin. Este proceso se repite nuevamente

16 FUNDAMENTOS DE BIOLOG!A CELULAR Y MOLECULAR

Las clulas pasan por dos perodos en el curso de sus vidas: uno de inter-fase (no divisin) y otro de divisin (en el cual se producen dos clulas hi-jas). Este ciclo se repite en cada generacin celular, pero el tiempo vara con-siderablemente de un tipo celular a otro. La funcin esencial del ncleo es proporcionar a la clula la informacin gentica almacenada en el ADN.

Las molculas de ADN se duplican durante un perodo especial de la in-tetfase denominado fase S (por sntesis de ADN), en preparacin para la di-visin celular (fig. 18-2).

Durante la interfase la informacin contenida en los genes es transcripta en diferentes clases de molculas de ARN (mensajero, ribosmico y de trans-ferencia), las cuales, despus de pasar al citoplasma, traducen esa informa-cin y sintetizan protenas especficas.

F:n el ncleo interfsico humano se reconocen las siguientes estructuras (fig. 1-7): 1) la envoltura nuclear o car ioteca, compuesta por dos membra-nas perforadas por orificios llamados poros nucleares; 2) la matriz nuclear o nucleoplasma, que ocupa gran parte del espacio nuclear; 3) el nuclolo, que es ms grande en las clulas con sntesis proteica muy activa, por lo ge-neral esfrico; puede ser nico o mltiple y en l se sintetizan los ARN ribo-smicos, los cuales se asocian con numerosas protenas para formar Jos ribo-somas; 4) 46 cromosomas o fibras de cromatina; stas se compnen de ADN y de protenas bsicas llamadas histonas.

El ADN y las histonas forman estl1lcturas granulares de unos 10 nm de dimetro - conocidas como nucleosomas- , que alternan con tramos de ADN libres de histonas. La cromatina as dispuesta es la ms delgada (fig. 12-10) y es capaz de enrollarse sobre s misma en distintos grados. En la in-telfase pueden verse regiones de eucromatina, donde las fibras se encuen-tran menos enrolladas, y regiones de heterocromatina, que representan las partes de la cromatina ms condensadas. Durante la divisin celular las fibras de cromatina se enrollan al mximo, de modo que se las puede observar con el microscopio ptico bajo la forma de cromosomas (del griego chroma, co-lor, y soma, cuerpo) (fig. 12-14).

1-15. Los ncleos de las clulas somticas contienen dos juegos de cromosomas homlogos

Los organismos pluricelulares que se reprOd':Jcen sexualmente se desano-llan a partir de una sola clula -el cigoto o clula huevo- , que resulta de la unin de un ovocito con un espermatozoide durante la fecundacin.

Las clulas somticas descendientes del cigoto conti-enen dos juegos idn-ticos de cromosomas. En otras palabras, los cromosomas se presentan de a pares. Un cromosoma de cada par es aportado por el ovocito y el otro por el espermatozoide.

Los dos miembros de cada par de cromosomas se denominan homlogos, y para indicar el nmero de cromosomas de una especie se hace referencia a los pares de cromosomas o a los pares de homlogos. Por ejemplo, el ser hu-mano posee 23 pares de cromosomas, 46 en total. Los homlogos de cada par son prcticamente idnticos, pero los distintos pares de homlogos son dife-rentes entre s.

Para hacer referencia a la presencia de los dos juegos de cromosomas ho-mlogos se utiliza la expresin diploide (2n). En las clulas somticas am-bos juegos de cromosomas se conservan durante las sucesivas divisiones ce-lulares a lo !arpo d ] desarrollo mbrionario, el '1' .: itn


1-16. La mitosis mant iene la cont inuidad y el nmero d iploide de los cromosomas

La estabilidad del nmero cromosmico es mantenida por medio de una clase especial de divisin celular, denominada mitosis. En ella se generan n-cleos hijos con el mismo nmero de cromosomas; por consiguiente, en cuan-to a su constitucin cromosmica las clulas hijas son idnticas entre s y a sus antecesoras.

La mitosis comprende una serie consecutiva de fases, conocidas como profase, prornetafase, rnetafase, anafase y telofase.

En la mitosis el ncleo experimenta una serie de cambios complejos. En-tre los ms llamativos se encuentran la desaparicin de la envoltura nuclear y una mayor condensacin de las fibras de cromatina, que se convierten en cromosomas detectables.

Vimos que en el ncleo inte1fsico los cromosomas no pueden ser indivi-dualizados porque en esa etapa del ciclo celular las fibras de cromatina se ha-llan ms desenrolladas.

En la figura 1-12 se representan dos de los 46 pares de cromosomas ho-mlogos presentes normalmente en las clulas somticas humanas. Como se vio, los cromosomas se duplican durante la fase S de la interfase. En la pro-fase temprana cada cromosoma -compuesto por dos fibras de cromatina-aparece como un filamento muy delgado. Al final de la profase se convierte en un bastn corto y compacto, dado que se enrol lan sus dos fibras de croma-tina, que pasan a llamarse crorntidas. Pasada la metafase, en el transcurso de la anafase ambas cromtidas se separan y cada cromtida hija -es decir, cada cromosoma hijo-- se dirige a uno de los polos de la clula. Finalmen-te, en la telofase se forman sendos ncleos a partir de los dos conjuntos de cromosomas separados. La divisin celular concluye con la particin del ci-toplasma, conocida como citocinesis.

De esta manera las mitosis mantienen el nmero diploide de cromosomas (2n) en las clulas somticas a lo largo de toda la vida del individuo.

1-17. La meiosis reduce los cromosomas a un nmero ha ploide

Si los gametos (vulo y espermatozoide) fueran diploides, el cigoto resul-tara con el doble del nmero diploide de cromosomas. Para evitarlo, las c-lulas sexuales predecesoras de los gametos experimentan un tipo especial de divisin celular denominado rneiosis, en el que el nmero dploide se reduce a un juego nico o haploide (In) en cada gameto forl)lado. El cigoto resulta-r as nuevamente diploide.

La di visin metica se cumple en los animales (cap. 19-1) y los vegeta-les (cap. 19-20) que se n.:producen sexualmente y tiene lugar en el curso de la gametognesis (fig. 1-12). La meiosis reduce el nmero de cromosomas mediante dos divisiones nucleares sucesivas -la primera y la segunda divi-sin meitica-, dado que son acompaadas por una sola duplicacin cro-mosmica.

En esencia el proceso es el siguiente. En la profase de la primera divisin los cromosomas homlogos se aparean. Puesto que cada cromosoma se compone de dos cromtidas, forman un bivalente compuesto por cuatro cro-mtidas (por ello se lo llama tambin ttrada). Adems, partes de las crom-tidas apareadas suelen intercambiarse de un homlogo a otro. Este fenme-no recibe el nombre de recornbinacin gentica (en ingls. l"m.,.,ing mll'r).

En la nt lafas de la misma divisi(ln los hivalnlt.~ (11 1 11uda) N

20 FUNDAMENTOS DE B!OLOGJA CELULAR Y MOLECULAR

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J'i~. 2-1. Esquema que mues-11'11 la distribucin asimtrica de las cargas en la molcula de agua.

un extraordinario nmero de combinaciones, Jo que determina no sio la es-pecificidad sino tambin la actividad biolgica de las molculas proteicas.

Adems de destacar las caractersticas y propiedades de los componentes qumicos de la clula, en este captulo abordaremos el estudio de las enzimas - un tipo especfico de protenas- como instrumentos moleculares capaces de producir transformaciones en muchos de esos componentes.

Tambin veremos cmo las macromolculas pueden agregarse y organ i-zarse en estructuras supramoleculares ms complejas hasta resultar visibles con el microscopio electrnico. Es probable que tales agregaciones molecu-lares hayan actuado durante el perodo de evolucin qumica y biolgica que dio origen a la primera clula. Por tal motivo, al fi nal del captulo haremos algunas consideraciones especulativas acerca del posible origen de las clu-las procariotas y eucatiotas, es decir, de la aparicin de la vida en nuestro pla-neta. Los conceptos vertidos en este captulo slo sirven como una introduc-cin elemental para el conocimiento de la biologa molecular y celular. El es-tudio ms amplio de sus temas compete a los textos de bioqumica.

AGUA Y MINERALES 2- 2. El agua es el componente ms abundante de los t ejidos

Agua. Con unas pocas excepciones -por ejemplo, el hueso y el diente-el agua es el componente que se encuentra en mayor cantidad en Jos tejidos. El contenido de agua del organismo est relacionado con la edad y con la ac-tividad metablica; es mayor en el embrin (90-95%) y disminuye con los aos. El agua acta como solvente natural de los iones y como medio de dis-persin coloidal de la mayor parte de las macromolculas. Ms an, es indis-pensable para la actividad metablica, ya que los procesos fisiolgicos se producen exclusivamente en medios acuosos.

En la clula el agua se encuentra en dos fracciones, una libre y otra liga-da. El agua libre representa e l 95% del agua total y es la parte usada princi-palmente como solvente para los sol u tos y como medio dispersante del siste-ma coloidal. El agua ligada representa slo el 5% y es la que est unida la-xamente a otras molculas por uniones no cova!entes (seccin 2-10); as, comprende el agua inmovilizada en el seno de las macromolculas.

Como resultado de la distribucin asimtrica de sus cargas, una molcula de agua se comporta como un dipolo, segn se ilustra en la figura 2- 1: A cau-sa de esta propiedad, por sus grupos positivos y negativos el agua puede li-garse electrostticamente tanto con aniones y cationes como con molculas portadoras de ambos tipos de carga (por ejemplo, protenas). Otra propiedad de la molcula de agua es su ionizacin en un anin hidroxilo (OH) y un pro-tn o ion hidrgeno (H). A 25 oc de temperatura se disocian I0-7 M de H por litro de agua, concentracin que corresponde al pH 7 neutro.

El agua interviene en la eliminacin de sustancias de la clula. Adems absorbe calor (gracias a su elevado coeficiente calrico), lo cual evita que se generen cambios drsticos de temperatura en la clula.

Sales. La concentracin de iones es distinta en el interior de la clula y en el medio que la rodea. As, la clula tiene una alta concentracin de cationes K y Mg2+, mientras que el Na y el CI- estn localizados principalmente en el lquido extracelular. Los aniones dominantes en las clulas son el fosfato (HPO/-) y el bicarbonato (HC03-).

Las sales disociadas en aniones (por ejemplo, Cl ) y carinuo ,, (N.1 1 y K') son i111porla111 s paramanl

24 FUNDAMENTOS DE BJOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR

ADENINA

CITOSINA

TI MINA = CH3

URACILO Y= H

La molcula de cido nuc!eico es un polmero cuyos monmeros son nucletidos sucesivamente ligados me-diante uniones fosfodister (fig. 2-2). En estas uniones los fosfatos ligan el carbono 3' de la pentosa de un nu-cletido con el carbono 5' de la pentosa del nucletido si-guiente. En consecuencia, el eje del cido nucleico est constituido por las pentosas y los fosfatos, y las bases ni-trogenadas surgen de las pentosas. El extremo de la mo-lcula que contiene la pcntosa con el C5' libre se llama extremo 5', y el que posee la pentosa con el C3 ' libre, ex-tremo 3'.

Como ilustra la figura 2-2, el cido fosfrico utiliza dos de sus tres grupos cidos en las uniones 3',5'-dister. El grupo restante confiere al cido nucleico sus propieda-des cidas, lo que posibilita la formacin de uniones ini-cas con protenas bsicas (en e l captulo 1-14 se seal que en las clulas eucariotas e l ADN est asociado con protenas bsicas llamadas histonas, con las que forma el complejo nucleoproteico denominado cromatina). Ade-ms, dicho grupo cido libre hace que los cidos nuclei-cos sean basfilos (se colorean con colorantes bsicos).

Las pentosas son de dos tipos: desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN. La diferencia entre estos az-cares es que la desoxirribosa tiene un tomo de oxgeno menos (fig. 2-2). Para visualizar el ADN con el microsco-pio ptico se puede utilizar una reaccin citoqumica es-pecfica denominada reaccin de Feulgen (cap. 23-2 1).

RIBOSA =H

Las bases nitrogenadas que se encuentran en los ci-dos nucleicos son tambin de dos tipos: pirimidinas y pu-rinas. Las pirimidinas poseen un anillo heterocclico, mientras que las purinas tienen dos anillos fusionados entre s. En el ADN, las pirimidinas son la timina (T) y la citosina (C), y las purinas, la adenina (A ) y la guani-na (G) (fig. 2-5). El.ARN contiene uracilo (U) en lugar de timina. Existen tres diferencias fundamentales e ntre el ADN y el ARN. Como acaba de sealarse, el ADN tiene desoxirribosa y timina (T) y el ARN posee ribosa y ura-cilo (U). Otra diferencia es que la molcula de ADN es

3' DESOXJRRIBOSA >' = H siempre doble (contiene dos cadenas polinucleotdicas),

como se ver en la prxima seccin. Fig. 2-2. Sector de una cad-na de cido nucleico que muestra los distintos tipos de nucletidos que la componen.

La combinacin de una base con una pentosa (sin el fosfato) constituye un nuclesido. Por ejemplo, la adenosina (adenina + ribosa) es un nuclesido, mientras que la adenosina mono fosfato (AMP), la adenosina difosfato (ADP) y la adenosina trifosfato (ATP) son ejemplos de nucletidos (fig. 2-3).

Adems de actuar como bloques para la construccin de los cidos nuclei-cos, los nucletidos -por ejemplo, el recin citado ATP- son utilizados pa-ra depositar y transferir energa qumica. La figura 2-3 muestra que las dos uniones fosfato terminales del ATP contienen gran cantidad de energa. Cuan-do se produce la hidrlisis de estas uniones, la energa liberada puede ser usa-da por la clula para realizar sus actividades (fig. 8-1). La unin - P ele alta energa permite que la clula acumule gran cantidad de ella

26 FUNDAMENTOS DE BIOLOGfA CELULAR Y MOLECULAR

5'

Fig. 2-4. Se muestra la doble hlice del ADN. Las cadenas desoxirribosa-fosfato se dibu jaron como cintas. Las bases son perpendiculares al eje del ADN, de ah que en esta vista lateral aparezcan representa das por barras horizontales. Advirtase que las dos cade nas son antiparalelas y que la doble hlice da una vuelta completa cada 10 pares de ba ses (3,4 nm). Obsrvese ade ms que la doble hlice da lu-gar a dos bendiduras exterio-res, el surco mayor y el surco menor del ADN.

3'

estructura del ADN que contemplaba las propiedades qumicas ante-dichas, pero tambin las propiedades biolgicas, en especial la capa-cidad de duplicacin de la molcula.

La molcula de ADN se ilustra en la figura 2-4. Est formada por dos cadenas de cidos nucleicos helicoidales con giro a la derecha, que componen una doble hlice en torno de un mismo ej e central. Las dos cadenas son antiparalelas , lo cual significa que sus uniones 3',5'-fosfodister siguen sentidos contrarios. Las bases estn situadas en el lado interior de la doble hlice, casi en ngulo recto con respec-to al eje helicoidal. Cada vuelta completa de la doble hlice compren-de 10,5 pares de nucletidos y mide 3,4 nm.

Ambas cadenas se hallan unidas entre s mediante puentes de hi-drgeno establecidos entre los pares de bases (seccin 2-10). Puesto que entre las pentosas de las cadenas opuestas existe una distancia fi-ja, pueden establecerse dentro de la estructura solamente ciertos pa-res de bases. Como se advierte en las figuras 2-4 y 2-5 , los nicos pa-res posibles son A-T , T-A, C-G y G-C. Es importan te observar que entre las A y las T se forman dos puentes de hidrgeno, y entre las C y las G, tres. En consecuencia, el par C-G es ms estable que el par A-T. La doble estructura helicoidal se mantiene estabilizada gracias a los puentes de hidrgeno y a las interacciones hidrofbicas existen-tes entre las bases de cada cadena .

Si bien en las distintas molculas de ADN las secuencias de las bases a lo largo de las cadenas varan considerablemente, en una mis-ma molcula de ADN las secuencias de las dos cadenas son comple-mentarias, como se aprecia en el siguiente ejemplo:

Cadena J 5' T G e T G A e G T 3' 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Cadena 2 3' A e G A e T G e A 5'

Debido a esta propiedad , al separarse las cadenas durante la dupli-cacin del ADN, cada cadena individual sirve de molde para la sn-tesis de una nueva cadena complementaria. De este modo se generan

dos molculas hijas de ADN con la misma constitucin molecular que posea la progenitora (cap. 17-2).

2-5. Existen varios tipos de ARN La estructura del ARN es semejante a la del ADN, excepto por la presen-

cia de ribosa en lugar de desoxirribosa y de uracilo en lugar de timina (tabla 2-1). Adems, la molcula de ARN est formada por una sola cadena de nu-cletidos.

Existen tres clases principales de ARN: 1) ARN mensajero (ARNm); 2) ARN r ibosmico (ARNr), y 3) A RN de transferencia (ARNt). Los tres intervienen en la sntesis proteica. El ARNm lleva la informacin gentica -copiada del ADN- que establece la secuencia de los aminocidos en la protena. El ARNr representa el 50% de la masa del ribosoma (el otro 50% son protenas), que es la estructura que proporciona el sostn molecular para las reacciones qumicas que dan lugar a la sntesis proteica. Los ARNt iden-tifican y transportan a los aminocidos hasta el ribosoma.

Aun cuando cada molcula de ARN tiene una sola cadena de nuc le6tidos, eso no significa que se encuentra siempre como una estru~tlll'll liut:JI siJllpl . En las molculas de ARN suelen existir tramos l:Oll has, ... ' '""'I,J, '"' 11 1111 !IS , lo que cla lugar a pucnl


Fig. 2-7. Oligosacrido conec-tado a una protena por medio de una unin 0-glicosdica. ST, serina o treonina; NANA, cido N-acetilneuramnico; GalNAc, N-acetilgalactosami-na; GlcNAc, N-acetilglucosa-mina; Cal, galactosa.

NANA - Gal - GlcNAc " Gal- GaiNAc -O- ST

Gal - GaiNAc /

Protena

CH20H H ~H ---o 1 1

o - CH - TH

HNCOCH3 90

GalNAc S erina

CH,OH CH, ~H -- - 0 1 1

o - eH - TH

HNCOCH3 ?O

GaiNAc Treonina

do idurnico. Algunas poseen un grupo amino y se hallan acetiladas, como la N-acetilglucosamina y la N-acetilgalactosamina. El cido N-acetilneura-mnico (o cido silico) resulta de la unin de una aminohexosa con un com-puesto de tres carbonos, el cido pirvico.

Disacridos. Los disacridos son azcares formados por la combinacin de dos monmeros de hexosa, con la correspondiente prdida de una mol-cula de agua. Por lo tanto, su frmula es C 12Hz201 1

Un disacrido importante en los mamferos es la lactosa (glucosa + galac-tosa), el azcar de la leche.

Oligosacridos. En el organismo los oligosacridos no estn libres sino unidos a lpidos y a protenas, de modo que son parte de glicolpidos y de gli-coprotenas. Estos hidratos de carbono son cadenas -a veces ramificadas-compuestas por distintas combinaciones de varios tipos de monosacridos.

Los oligosacridos correspondientes a los glicolpidos sern analizados junto con los lpidos en la prxima seccin.

Los oligosacridos de las glicoprotenas se conectan con la cadena pro-teica por intermedio del grupo OH (enlace 0-glicosdico o unin 0) de una serina o de una treonina o a travs del grupo amida (enlace N-glicosdico o unin N) de una asparagina. La serina, la treonina y la asparagina son ami-nocidos (seccin 2-8).

Por parte del oligosacrido, en los enlaces 0-glicosdicos suele intervenir una N-acetilgalactosamina, y en los N-glicosdicos, una N-acetilglucosamina (figs. 2-7 y 2-8). Por lo tanto, estos monosacridos son los ms cercanos a la protena. Contrariamente, los cidos silicos a menudo se localizan en la pe-riferia del oligosacrido.

NANA- Gal - Man "Man- GlcNAc - GlcNAc- N - A

NANA - Gal - Man /

Fig. 2-8. Oligosacrido conec-tado a una protena por medio d ~..: una uni6n N-)'.li c;osrdi (.;H. Mun, nnulu':r r: A. l l':pnln f irlll

GlcNAc llnpnrnnlna

2. LOS COMPONENTES QUIMICOS DE LA CELULA 29

Los oligosacridos enlazados mediante uniones O (es decir, a una serina o a una treonina) suelen poseer una galactosa unida a la primera N-acetilgalac-tosamina (fig. 2-7). A continuacin, los restantes monosacridos se combinan en forma diferente segn el tipo de oligosacrido.

Los oligosacridos enlazados mediante uniones N contienen un ncleo pentasacrido comn, compuesto por dos N-acetilglucosaminas (una de ellas ligada a la asparagina) y tres manosas (fig. 2-8). Los restantes monosacridos se unen a este ncleo en distintas combinaciones, lo cual genera una extensa variedad de oligosacridos y, por ende, una gran diversidad de glicoprotenas.

Debe sealarse que el nmero de cadenas oligosacridas que se ligan a una misma protena es muy variable.

Polisacridos. Los polisacridos resultan de la combinacin de muchos monmeros de hexosas, con la correspondiente prdida de molculas de agua. Su frmula es (C6H 100 5)n. Al hidrolizarse dan lugar a monosacridos. Los polisacridos como el almidn y el glucgeno representan las sustancias de reserva alimenticia de las clulas vegetales y animales, respectivamente ( fig. 2-9). Otro polisacrido, la celulosa, es el elemento estructural ms im-portante de la pared de la clula vegetal (fig. 3-30).

Los tres polisacridos nombrados son polmeros de glucosa, pero difieren porque exhiben distintos tipos de uniones entre sus monmeros. Por ejemplo, 1 glucgeno es una molcula ramificada en la que las glucosas estn ligadas

por uniones al-4 y al-6 (fig. 2-9). Existen polisacridos complejos llamados glicosaminoglicanos (GAG),

que estn compuestos por una sucesin de una misma unidad disacrida en la que uno de los dos monmeros es un cido glucurnico, un cido idurnico " una galactosa y el otro posee un grupo amino, puesto que es una N-acetil-.Iucosamina o una N-acetilgalactosamina (fig. 2-10).

Los GAG ms difundidos son el cido hialurnico, el condroitinsulfato, ,. dermatansulfato, el heparansulfato y el queratansulfato. En la tabla 6-1

~ HcXH2 HO H2 'f;ll 11 1 11 111 H 1111 fl 11 ) 1 1 lH

Fig. 2-9. El glucgeno es una molcula ramificada que con-tiene hasla 30.000 unidades de glucosa. Las uniones glucos-dicas se establecen entre los carbonos 1 y 4 de las glucosas, excepto en los puntos de rami-ficacin ( 1 y 6). La parte supe-rior de la figura muestra la molcula con pequeo aLimen-to. En la parte inferior se halla representada la composicin qumica del segmento molecu-lar resaltado.

HO~H 2

R

11 '111


' ' o~ 00': A o~s !-C)'o~ -- 0 01 0 1 O ' ' ' '

Fg. 2-10. Representacin de un pequeo tramo de un glico-saminoglicano (GAG). A, ci-do glucutnico o cido idur nico o galactosa; B. N-acelil-galaclosamina o N-acelilglu-cosamina.

Fig. 2-11. Representacin de un proteoglicano. Se muestra el modo como el GAG se une a la protena. AcG/u,


Fosfalidilinositol fosfato

Fig. 2-16. Representacin de los glicerofosfolpidos fosfati-dilinositol fosfato (PIP). fos-falidi linosilol difosfa1o (PIP, ) y fosfatidilinositol trifosfato (PIP,).

?H~-?H-7H1 O OH O 1 1

O = P- OH HO - P= O 1 1 o o 1 1

o Q;:;~-0-

1

oJ- oi)oH 11 o

HO OH o 1

O = P- 0 1 o 1 CH1- c:H - JH1

o o 1 1

ff Foslatidilinositol difosfalo

a

o=~-o-?. i)l ?"

o:. P-o o - P-o 11 u o o

HO OH o 1 O= P- o 1 o 1 CH,-c:H - TH,

o o 1 1

ff Fosfatidilinositol trifosfato

Dado que el nositol del PI suele estar combinado con uno, dos o tres fosfatos, la clula tiene tambin fosfatidilinositol 4-fosfato (PIP), fosfati-dilinositol 4,5-difosfato (PIP2 ) y fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato (PIP3 ) (fig. 2-16).

Por otra parte, en la membrana interna de las mitocondrias existe un glice-rofosfolpido doble denominado difosfatidilglicerol, al que comnmente se le da el nombre de cardiolipina (cap. 8-11 ). Lo componen dos cidos fosfatdi-cos ligados entre s por una tercera molcula de glicerol (fig. 2-1 7).

El esfingofosfolpido existente en las clulas es la esjingomielina, que se genera por la combinacin de la fosforilcolina con la ceramida (fig. 2-18). La fosforilcolina (un fosfato unido a la colina) se halla tambin en la fosfatidil-colina (fig. 2-15), mientras que la ceramida se forma por el agregado de un cido graso a la esjingosina, que como ilustra la figura 2- 19 es un aminoal-cohol que posee una cadena hidrocarbonada relativamente larga.

La figura 2-20 muestra que los fosfolpidos poseen dos largas colas hidro-fbicas no polares (dos cidos grasos) y una cabeza hidroflica polar consti-tuida por glicerol (excepto en la esfingomielina), un segundo alcohol y un fos-fato. Por lo tanto, los fosfolpidos son molculas anfipticas.

Los fosfolpidos son los principales componentes de las membranas celu-lares y tanto su anfipata como las caractersticas de sus cidos grasos (n-

mero de carbonos, presencia de dobles ligaduras) les confieren mu-chas de sus propiedades. Ms an, cuando los fosfolpidos se disper-san en agua, adoptan espontneamente una organizacin idntica a la

?H,- ?H- CH1 CH1 - yH - ?H1 de las membranas celulares, con sus cabezas polares dirigidas hacia afuera y sus colas no polares enfrentadas entre s en el interior de una bicapa (cap. 3-2). o o o o 1 1 1 1

ff 'ri Cardiolipina

Fig. 2-17. Molcula del difosfatidilgi-cerol o cardiolipina.

Glicolpidos. Los glicolpidos presentes en las clulas se clasifican en cerebrsidos y ganglisidos.

Los cerebrsidos se forman por la unin de una glucosa o una ga-lactosa con la ceramida (fig. 2-21). As, se trata de esfingomielinas cuyas fosforilcolinas se reemplazan por uno de esos monosacridos.

La estructura bsica de los ganglisidos es similar a la de los ce-rebrsidos, pero el hidrato de carbono no es la glucosa ni lagalactosa sino un oligosacrido integrado por varios monmems, tlltll :1 l rl's d los cuales son cidos silicos (fig. 2-22). Los distintnr. lou or1 do 1'""

CH, H3C....._.~_...CHl

1 CH, 1 CH, 6 O= ~ - o-

1 O OH 1 1 CH,- ?H - ?H

NH CH 1 11

0

l f Esfingomielina

Fig. 2-18. Representacin del esfingofosfolfpido esfingomie-lina (EM).

1

1


OH OH OH OH 1 1 1 1 CH,-CH - CH CH,-CH- CH

1 1 1 1 ~H ~H "NH, ~H

'l f f Cera mida Esfingosina

Fig. 2-19. Representacin de las molculas de ceramida y esfin-gosina.

glisidos difieren entre s tanto por el nmero como por el ordenamiento re-lativo de sus monmeros. El monosacrido unido a la ceramida es casi siem-pre una glucosa y a continuacin se ubica una galactosa. Luego suele hacer-lo una N-acetilgalactosamina o una N-acetilglucosamina, y luego otra gluco-sa u otra galactosa. A veces existe una fucosa. Generalmente el o los cidos silicos se localizan en la parte final del oligosacrido.

Colina {

Fosfatot

Glicerol

Oleato y palmltato

~H ,e H,C-~-CH,

'" 1 ' " 1 o

o-l-o0 1 0 H H 1 1 1

~ Cabeza hrdrotflica

"-e--c--e-" 1 1 1

o /

o

" O=C o= e

' "CHz. Hz.C,

CH, /

"'

H,e ' eH, /

' eH, / He

---+-"'eH / H,e ' ,CHa

H1C, eH,

/ H,c, .

_,eH, H1C'

eH,

' eH, / H,e ' eH, /

Hz.C, eH,

/ H,C

' eH, / H,e ' eH, / H,e

"'

' CH, /

' ' " / HtC,

CH,

Colas hidrofbicas

J

34 FUNDAMENTOS DE BIOLOOIA CELULAR y MOLECULAR

HocH,oH o

OH OH O- CH1 - CH- ~H

H,c-rNH"t.-c",~" coo~~o"-l 0

~o"-! ?H ~~ ~0-CH,-CH-CH

OH ~H ~H OH OH OH ~H ~H 1 11 Glucosa

o galaclosa

O= C CH Acido silico Galactosa Glucosa O= ~ ~H

Cerebrsido Ganglisido

Fig. 2-21. Representacin de un cerebrsido.

Fig. 2-22. Representacin de un ganglisido.

Colesterol

Esteroides. Los esteroides son lpidos que derivan de un compuesto de-nominado cic lopentanoperhidrofenantreno. Uno de los ms difundidos es el colesterol (fig. 2-23), el cual se encuentra en las membranas y en otras par-tes de la clula y tambin fuera de ella. El hidroxilo de su carbono 3' le con-fiere propiedades anfipticas.

Los esteroides asumen funciones diferentes de acuerdo con los grupos qumicos que se hallan unidos a su estructura bsica. Los principales esteroi-des del organismo son las hormonas sexuales (estrgenos, progesterona, tes-tosterona), las hormonas suprarrenales (cortisol, aldosterona), la vitamina D y Jos cidos biliares.

Poliprenoides. Los poliprenoides son compuestos que derivan del hidro-carburo isopreno (fig. 2-24). Entre ellos se halla el dolicol fosfato, una mo-

lc~la perteneciente a la membrana del retculo endoplasmtico diseada pa-ra mcorporar oligosaciridos a los polipptidos durante la formacin de las glicoprotenas (cap. 7-16). Se trata de una cadena de 17 a 2 1 isoprenos que COntiene entre 85 y 105 tomos de carbono, esterificada con un fosfato (fig. 2-24). Otro poliprenoide comn en las clulas forma parte de la ubiquinona, una molcula de la membrana mitocondrial interna (cap. 8-11) que consta de una cadena de 10 isoprenos y de una benzoquinona (fig. 2-24).

CH, CH,

1 1 CH-(CH2) 3-CH

1 CH,

CH2 11 y - CH3 CH 11 CH

1-----, ' CH ' : 11 : : C- CH3 : ' 1 ' : CH ' 11 : CH : -1--- --- n CH (15a 19)

1 2 ?H - CH3 yH, CH2- 0 - PO,"'

Dolicol fosfato

H

) 1 :tH:----; 1 ' : CH- CH3 : lsopreno 11 , : CH ' ' 1

Benzoqulnona H,~~~(!~) . oV ocH,

OCH3

Ulllqlllll llfl

Flg. 2-23. Multl uln ele- rok.'ll (rol, dtivudH dt'l oupu sin tf< 1 / l ' lllfllllltl'l IJ illlllldo tlt ~J.,Jil llll l llltiJinlldthtd t\IIUIIIIt \llll ,

FIM. 224. Molc(\'IIIH dt dollt HI (111111p1u 111 ~~~~~ 1/ 1 '1 1/lllf'll' llnl) V dt nhlqnl nunll ~11111 11 111 1 HJIII q 111 j


PROTEINAS 2-8. Las protenas son cadenas de aminocidos ligados

por uniones peptdicas Los monmeros que componen las protenas son los aminocidos. Un

aminocido es un cido orgnico en el cual el carbono unido al grupo carbo-xilo (-COOH) est unido tambin a un grupo amino (-NH2) . Adems, dicho carbono se halla ligado a un H y a un residuo lateral (R), que es diferente en cada tipo de aminoc ido.

H 1

H,N - C - COOH - 1

1{

Por ejemplo, en la alanina la cadena lateral R Ltcue un solo carbono, mien-tras gue en la Jeucina tiene cuatro.

La figura 2-25 mueslra la estructura de los 20 tipos de aminocidos exis-tentes en las protenas. Dos son cidos (cido asprtico, cido glutmico); tres son bsicos (histidina, lisina, arginina); cinco son neutros polares, es de-cir, hidroflicos (serina, treonina, tirosina, asparagina, glutamina), y diez son 11eutros no polares, es decir, hidrofbicos (glicina, alaniria, valina, leucina, isoleucina, cistena, prolina, fenilalanina, triptfano, metionina) . Los nom-bres de los aminocidos se abrevian utilizando las tres primeras letras de la nomenclatura inglesa (salvo cinco excepciones) o medi.ante un cdigo que emplea una sola letra.

Advirtase gue dos de los aminocidos contienen un tomo de azufre. En el caso de la cistena, dos molculas de ella pueden formar un puente disul-f'uro (-S-S- ). Esta unin es de tipo covalente, ya que los tomos de H de am-bos gmpos -SH son eliminados (fig. 2-27).

La combinacin de los aminocidos para formar una molcula proteica se produce de modo tal que el grupo NH2 de un aminocido se combina con el grupo COOH del aminocido siguiente, con prdida de una molcula de agua (fig. 2-26). La combinacin -NH-CO- se conoce con el nombre de unin peptdica. La molcula formada mantiene su carcter anfotrico por-que siempre contiene un grupo NH2 en un extremo (ami no terminal) y un gru-po COOH en el otro extremo (carboxilo terminal), adems de los residuos la-terales bsicos y cidos.

Una combinacin de dos aminocidos constituye un dipptido; de tres, un tripptido. Cuando se unen entre s unos pocos aminocidos, el compuesto es un oligopptido (fig. 2-26). Finalmente, un polipptido est formado por muchos aminocidos. La protena ms grande del organismo contiene alrede-dor de 27.000 aminocidos (cap. 5-33).

La distancia entre dos uniones peptdicas es de aproximadamente 0,35 nm. Una protena con un peso molecular de 30 kDa est constituida por 300 aminocidos y, extendida, tiene una longitud de unos 100 nm y un ancho de !11m.

El trmino protena (del griego protefon, preeminente) sugiere que todas las funciones bsicas de las clulas dependen de protenas especficas. Se p11 d~,; decir que sin protenas la vida no existira; estn presentes en cada c-ilil ;t y n cada or unoidc. Adems, pueden ser estructurales o enzimticas.

1\x islt'll III'Utcnns cm\ju~udus, unidas a porciones no proteicas (grupos p1t>111l'lirw:), 1\ r~laralcorfa p ncncccn las :licopmlef11as (asociadas con hi-olt i tlooM ,, , t 'l llllllllOI) , l aN ll lll'floolfol 11f11a.\' ( t'OIII I


Acido asprtico (Asp)(D)

H . 1

H,N-c-coo-

' eH, 1

e ~\

o o-

ACIDOS

Serina (Ser) (S)

H . 1

HaN-e-eoo-1 e11, 1

OH

NEUTROS POLARES

Glicina (Giy)(G)

H 1

H,N-c-coo-1 H

Cisterna (Cys)(C)

H + 1

H,N-c-eoo-1 eH, 1 SH

NEUTROS NO POLARES

un pigmento. Dos ejemplos de cromoprotenas son la hemoglobina y la mio-globina, en las cuales el grupo prosttico es el hem, un compuesto orgnico que contiene hierro y que se combina con oxgeno.

Acido glutmico (Giu)(E)

H 1

H,N-e-eOO 1 eH, 1 CH, 1 e ~\

o o

Treonina (Thr)(T)

H 1

H,-e-eoo-1

H - C-OH 1 eH,

Alanina (Aia)(A)

H 1

H,N-e- eoo-1 eH,

Prolina (Pro)(P)

H 1

H1 N-e-Coo-l 1

H,e eH, "-/

CH,

Histidina (His)(H)

. . 1

H,N-e-eoo-1 CH1 1 e=eH

1 1 HN NH

~ 1 e

BASICOS

Tirosina (Tyr)(Y)

H 1

H 3N-e-eoo-1 e H, Q OH

V atina (Vai)(V)

H . 1

H,N-c-coo-1 eH

/ '\ Cll, CH 3

Fenilalanina (Phe) (F)

H + 1

H,N-C-eC>

38 FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULA R Y MOLECULAR

F ig. 2-28. Estrucrur~s secun-darias de las protena~. A. H-lice a. R. Hoja plegad~ ~-

Fi~. 2-29. Estructuras tercia-ria~ de las protefnas. A. Fibro-sa. B, C y D. Globul~r.

COOH

n

A

8

. La estructura terciaria es consecuencia de la formacin de nuevos plega-mtentos en las estructuras secundarias hlice a. y hoja plegada B. lo que da lu-gar a la configuracin tridimensional de la protena. Los nuevos plegamien-tos se producen porque se relacionan qumicamente ciertos aminocidos dis-tantes entre s en la cadena polipeptdica. Segn el plegamiento que adoptan, se generan protenas fibrosas o globulares (fig. 2-29). Las protenas fibrosas se forman a partir de cadenas polipeptdicas (o de tramos proteicos) con es-tructura secundaria tipo hlice CY. exclusivamente. En cambio, las protenas globulares se forman tanto a partir de hlices a. como de hojas plegadas B. 0 de una combinacin de ambas.

La estructura cuaternaria resulta de la combinacin de dos o ms poli-pptidos, lo que origina molculas de gran complejidad. Por ejemplo, la he-moglobina es el resultado de la integracin de cuatro cadenas polipeptdicas (fig. 2-30).

COOH

e ]1

2 . LOS COMPONENTES QUIMICOS DE LA CELULA 39

2-1 O. Distintos tipos de un iones qumicas determinan la estructura de las protenas

La disposicin espacial de una molcula proteica se halla predeterminada por la secuencia de sus ami-nocidos (estructura primaria). Los restantes niveles de organizacin dependen del es.tablecimiento de di-ferentes tipos de uniones qumicas entre los tomos de los aminocidos. As, se producen uniones cova-lentes -por ejemplo, puentes - S-S- entre los gru-pos --SH de dos cistefnas- y varios tipos de interac-ciones dbiles, es decir, uniones no covalentes. En-tre estas ltimas se encuentran (fig. 2-31 ):

1) Puentes de hidr6geno, que se producen cuan-do un protn (H+) es compartido entre dos tomos electronegativos (de oxgeno o de nitrgeno) prxi-mos entre s. Ya vimos que los puentes de hidrge-no son esenciales para el apareamiento especfico entre las bases complemen-tarias de los cidos nucleicos, lo cual proporciona la fuerza que mantiene uni-das a las dos cadenas del ADN. Las figuras 2-5 y 2-31 muestran Jos puentes de hidrgeno en el ADN y en las protenas, respectivamente.

2) Uniones inicas o electrostticas, que son el resultado de la fuerza de atraccin entre grupos ionizados de carga contraria.

3) Interacciones hidrof6bicas, que dan lugar a la asociacin de grupos no polares en la que se excluye el contacto con el agua. Cabe agregar que en las protenas globulares, las cadenas laterales ms hidrofbicas se localizan en el interior de las molculas, mientras que los grupos hidroflicos se s itan en la superficie. As, los residuos hidrofbicos repelen a las molculas de agua que t'odean a las protenas y determinan que su estructura globular se torne ms compacta.

4) Interacciones de van der Waals, que se producen cuando los tomos stn muy cerca. Esta proximidad induce fluctuaciones en sus cargas, causa

de.: atracciones mutuas entre Jos tomos. La diferencia fundamental entre las uniones qumicas covalentes y las no ~ovalentes reside en la cantidad de energa que se necesita para romperlas. l'or ejemplo, un puente de hidrgeno requiere 4,5 kcallmo-1, cifra bastante tn nor que las 110 kcal/mol-1 que necesita la unin covalente 0 - H del agua. En general, las uniones covalentes se rompen por la intervencin de enzimas,

NH3 c~-NH2 + NH2 + CH3

o / o 1 C=O

Fig. 2-30. Estructur~ ctJater-naria de las protenas. Se re-presenta la hemoglobina, compuesta por cuatro subuni-dades, dos a y dos ~- Se indi-can los sitios donde se ha llan localizados los cuatro grupos hem, lo mismo que los termi-nales amino (N) y carboxilo (C) de las cadenas polipepr-dicas.

Fig. 2-31. Tipos de uniones no covalentes que estabilizan la estructura de las protefnas: unin inica (amarillo); inte-raccin de van dcr Waals (ce-hsfl) ; puente de hidrgeno ( ro.w ); inhrnc.;ci(HJ hidrof6hi t'll ll'l'rd,l. (lh' ( ', H Aulin .. ,.)


Fig. 2-32. La ionizacin de las protenas depende del pH del medio.

COOH NH3 + coo-NH + coo- NH "t)'~OO=H~"t)'~oo=- ~"t)'"" En medio cido

las protenas tienen carga +

A pH igual al punto isoelctrico la carga es nula

En medio alcalino las protenas

tienen carga -

mientras que las no cova!entes se disocian por fuerzas fi sicoqumicas. Aun-que individualmente las uniones no covalentes son dbiles, cuando son nu-merosas hacen qu

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