U na visin de la clula

J_a clula es la unidad bsica en biologa. Cada organismo o bien es una nica clula o est form ado por clulas. Por lo tanto, nicamente podremos apreciar las capacidades y las limitaciones de los organismos vivos, tanto animales com o vegetales o microorganismos, si comprendemos la estructura y la fim cin de las clulas. Estamos en medio de una revolucin de la biologa que ha trado consigo tremendos avances en el entendimiento de cm o estn construidas las clulas y de cm o realizan las complicadas funciones necesarias para la vida. 1.a naturaleza dinmica de la clula es particularmente significativa, com o se pone de manifiesto por su capacidad de crecer, reprodu cirse y especializarse, y por su habilidad para responder a estmulos y adaptarse a cambios en el m edio ambiente. La propia biologa celular est cambiando al tiempo que cientficos de diversas disciplinas relacionadas dirigen sus esfuerzos hacia el objetivo comn de la adecuada co m presin de cm o funcionan las clulas. La convergencia de la citologa, la gentica y la bioqum ica ha hecho de la b io loga celular moderna una de las disciplinas ms excitantes y dinmicas de la biologa contempornea. En este captulo trataremos brevemente los principios de la biologa celular com o disciplina. I.uego consideraremos las tres corrientes principales que han dado lugar a la compren sin actual de lo que st>n las clulas y de cm o funcionan.

desde la corteza de los rboles hasta el esperma humano. Uno de esos cientficos fue Robert Hooke, conservador de instrumentos de la Royal Societyde Londres. En 1965, H ooke em ple un microscopio construido por l mismo para examinar secciones finas de corcho cortadas con un cortaplumas. Observ una red de pequeos com partim en tos en form a de caja que le recordaron a un panal. Hooke denom in a esos pequeos compartimentos cellulae un trm ino del latn que significa pequeas habitaciones. Hl trm ino actual de clula procede de esta palabra. En realidad, lo que H ooke observ no eran clulas sino las paredes celulares vacas de un tejido vegetal muerto, que es lo que realmente es la corteza de los rboles. Sin em bargo, 1k)oke no pens en sus cellulae com o estructuras muertas ya que l no entenda que pudiesen estar vivas. Aunque se dio cuenta de que las clulas en otros tejidos ve getales estaban llenas de lo que el llam ju gos, prefiri concentrarse en las prominentes paredes celulares que ha ba encontrado inicialmente. Una de las limitaciones inherentes a las observaciones de H ooke consiste en que su microscopio aumentaba ni camente 30 veces los objetos, lo cual dificulta el aprendizaje de la organizacin interna de las clulas. Lste obstculo ftie superado unos aos ms tarde por A ntonie van Leeuvirenhoek, un comerciante holands que dedic gran parte de su tiem po libre a disear microscopios. Van Leeiw enhoek fabric lentes pulidas a mano que podan magnificar los objetos casi 300 veces. U tilizando estas lentes ms potentes, fue el prim ero en observar clulas vivas, incluyendo clulas sanguneas, espermatozoides y organismos unicelulares presentes en el agua de las charcas. Com unic sus observa ciones a la Royal Society en una serie de artculos durante el ltim o cuarto del siglo x\'ii. Sus descripciones detalladas

La teora celular; una historia breveLa historia de la biologa celular com enz hace ms de 3(K) aos cuando algunos cientficos europeos comenzaron a enfocar sus microscopios a diversos materiales biolgicos,

La teoria celular, una historia breve

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A n e x o 1A

U n id a d es

d e m e d id a en bio lo g a c e l u l a rConociendo que realmente slo hay dos unidades tiles para expresar la dimensin de la mayora de estructuras que nos interesan y mediante la ilustracin de diversas estructuras que pueden ser medidas apropiadamente con cada una de esas unidades. El micrmetro (/4m) es la unidad ms til para expresar el tamao de las clulas y de los orgnulos ms grandes. 1 /Jo:j. se*t edicin iSan Franciscti: Benjamn Cumming.'S. 2UU2), p. 110

Una liinitacin inherente a la microscopa de fluores cencia es que el observador nicam ente puede enfocar un plano de la muestra en un m om ento determinado, aunque todo el espesor de la muestra emita luz fluorescente. C om o consecuencia, la imagen visible es borrosa por la luz em hida desde regiones de la muestra por encim a y por debajo del plano de fcxo, lo que histricam ente lim it esta tcnica al estudio de clulas aplanadas con un espesor mnimo. Este problema se ha solucionado en gran medida m edian te la microscopa cotifocalen la que se emplea un haz de luz lser para ilum inar en un m om ento determinado un nico plano de la muestra. Esta aproxim acin confiere mucha m ejor resolucin que la microscopa de fluorescencia tra dicional, cuando se emplea en muestras gruesas com o c lulas completas. Adems, el haz de lu/ lser se puede dirigir secuencialmente a planos de fiKO sucesivos generando de esta forma series de imgenes que se pueden com binar para obtener una imagen tridim ensional de la clula. O tro avance reciente en m icroscopa ptica es la video microscopa digital, que emplea cmaras de vdeo y alm ace namiento inform tico, y permite el procesamiento de im genes digitalizadas para optimizar y analizar imgenes. El acoplamiento de cmaras de vdeo de alta sensibilidad lu mnica a los microscopios, hace posible la observacin de

clulas durante periodos prolongados de tiempo, usando niveles muy bajos de ilum inacin. Esta intensificacin de a imagen es particularm ente til para la visualizacin de molculas fluorescentes en clulas vivas con un m icrosco pio de fluorescencia.

B microscopio electrnico. A pesar de los avances en las tcnicas pticas y en el increm ento en el contraste, la m i croscopa ptica est limitada inevitablemente por el lm i te de resolucin, determinado por la longitud de onda de la luz empleada para la visualizacin de la muestra. Incluso la utilizacin de radiacin ultravioleta, con longitudes de onda ms cortas, increm entan la resolucin nicamente por un factor de uno o dos. El desarrollo del m icroscopio electr n ico , inventado en Alemania en 1932 y cuya utilizacin en estudios de b io loga se extendi a principios de la dcada de los aos 30, trajo consigo un adelanto decisivo en el poder de resolu cin. En lugar de luz visible y lentes pticas, el microscopio electrnico emplea un haz de electrones que es desviado y enfocado por un cam po electromagntico. Debido a que la longitud de onda de los electrones es mucho ms corta que la de los fotones de la luz visible, el lmite de resolucin del m icroscopio electrnico es m ucho m ejor que el del mi-

La emergencia de la teona celular moderna

croscopio ptico; alrededor de 0 ,1-0,2 nm para el m icros copio electrnico en com paracin con 200-350 nm para el m icroscopio ptico. Pese a todo, el lmite de resolucin prctico para m ues tras biolgicas norm alm ente no es m ejor de 2 nm , debido a problemas de contraste y de preparacin de la muestra. Sin em bargo, el m icroscopio electrnico tiene alrededor de 100 veces ms poder de resolucin que el m icroscopio p tico {vase Figura 1.2), C om o resultado, la capacidad til de aum entar es tam bin mayor: hasta 100.000 veces para el m icroscopio electrnico, comparado con l.(KK)-1.500 ve ces para el m icroscopio ptico. E.\isten dos diseos bsicos de m icroscopio electrni co; el m icroscopio electrn ico de tran sm isin (TE M ) y el m icroscopio electr n ico de b arrid o (SEM ). Los dos se describen detalladamente en el apndice. Los m icroscopios electrnicos de transm isin y de barrido son similares, ya que am bos emplean un haz de electrones, pero usan m eca nism os diferentes para la form acin de la imagen. Com o su nom bre implica, el TEM forma la imagen a partir de electrones que se transm iten a travs de la muestra. En cam bio, el SEM escanea la superficie de la muestra y forma una imagen por a partir de los electrones desviados de la superficie externa de la muestra. La microscopa electrni ca de barrido es una tcnica especialmente espectacular por la sensacin de profundidad que da a las muestras b io lgicas (Figura 1.3). La mayor parte de las micrografas electrnica.s de este libro han sido obtenidas mediante la utilizacin del TEM o el SEM y se identifican al final de cada pie de figura mediante la abreviatura de tres letras.

Las muestras que se preparan para microscopa electr nica deben ser extremadamente finas debido al bajo poder de penetracin de los electrones. El instrum ento que se emplea para este fin se denom ina ultramicrtomo. Est equipado con una cuchilla de diamante y puede cortar sec ciones tan finas com o 20 nm. Tambin se pueden estudiar muestras sustancialm ente ms gruesas mediante m icros copa electrnica pero entonces es necesario un mayor vol taje para increm entar adecuadamente el poder de penetra cin de los electrones. Estos microscopios electrnicos de alto vo/;V usan voltajes de aceleracin de hasta varios m i les de kilovoltios (kV ), comparados con el rango de 50-100 kV com nm ente empleado en la mayora de los instru mentos convencionales. Con el instrum ento de alto voltaje se pueden estudiar secciones de hasta 1 fitn de gro.sor y esto nos permite e.xaminar en mayor profundidad orgnulos y otras estructuras celulares. Actualmente se emplean diversas tcnicas especializadas de microscopa electrnica de transmisin, para las cuales se preparan las muestras de forma alternativa. Entre ellas .se incluyen la tincin negativa, el sombreado, la criofractura y el grabado por congelacin, las cuales permiten la visualizacin de muestras en tres dimensiones. La tcnica denominada estereo-microscopia electrnica es una tcnica adecuada para este propsito y en ella la muestra es fotografiada desde dos ngulos ligeramente diferentes usando un soporte que pue de ser inclinado con respecto al haz de electrones. Estas tcnicas se describen en detalle en el apndice. La microscopa electrnica ha revolucionado nuestro entendim iento de la arquitectura celular haciendo posible

(a) Clulas de neuroblastoma humano Rgura 1.3 Microscopa electrnica de barrido.

50 //m

(b) Grano de polen

IOmTi

Se utili/ un microscopio electrnico de barrido para visualizar clulas de neuroblastoma

humano (a) y un grano de polen (b).

Captulo 1

Una visin de la ctula

investigaciones ultraestructurales detalladas. Algunos o r gnulos (com o los ncleos o las m itocondrias) son sufi cientem ente grandes para ser observados con un m icros copio ptico pero pueden ser estudiados con mucho ms detalle con un m icroscopio electrnico. Adems, la m i croscopa electrnica ha puesto de manifiesto la existencia de estructuras celulares que son demasiado pequeas para ser observadas a microscopa ptica. stas incluyen riboso mas, membranas, m icrotbuios y microfilam entos (vr Figura 1A.2 en pgina 3).

La bioqumica estudia la qumica de la estructura y la funcin biolgicaHn el m om ento en el que los citlogos estaban com enzan do a explorar la estructura celular con sus microscopios, otros cientficos estaban haciendo observaciones que co menzaron a explicar y a clarificar la funcin celular. Gran parte de lo que ahora se denomina bioqum ica procede de un descubrim iento descrito por el qum ico alemn Frie drich W ohler en 1828. W ohler fue contem porneo (as com o com patriota) de Schleiden y Schwann. l revolucio n nuestro pensamiento acerca de la biologa y la qumica mediante la dem ostracin de que la urea, un compuesto orgnico de origen biolgico, podra ser sintetizada en el laboratorio partiendo de un material inorgnico com o el cianato de am onio. Hasta entonces, se haba m antenido que los organismos vivos constituan un m undo aislado, no gobernado por las leyes de la qumica y de la fisica, que rigen el mundo inerte. Mediante la dem ostracin de que un compuesto hecho por organismos vivos bioqum i co podra ser sintetizado en un laboratorio igual que otros compuestos qum icos, W ohler ayud a rom per la distincin conceptual entre los mundos vivo e inerte y a di sipar la ntMrin de que los procesos bioqum icos estaban de alguna forma exentos de las leyes de la qumica y la fsica. O tro gran avance vino 40 aos ms tarde, cuando Lxjuis Pasteur uni la actividad de los organismos vivos a proce sos especficos, m ostrando que para llevar a cabo la fer mentacin del azcar en alcohol eran necesarias levaduras vivas. Esta observacin fiie seguida en 1897 por el descu brim iento de Eduard y Hans Huchner de que la ferm enta cin poda tener lugar tam bin a partir extractos de leva duras, es decir, las clulas intactas no eran necesarias. Inicialm ente, estos extractos se denom inaron fermentos, pero gradualmente se fue clarificando que los agentes acti vos en los extractos eran catalizadores biolgicos especfi cos que desde entonces se han denom inado enzim as. En las dcadas de 1920 y 1930 se produjo un progreso significativo en nuestro entendim iento de la funcin celu lar al elucidar las vas bioqum icas de la ferm entacin y otros procesos celulares relacionados. Este periodo estuvo dominado por los bioqum icos alemanes com o Gustav Embden, O tto Meyerhof, O tto W arburg y Hans Krebs. Al gunos de ellos han quedado inmortalizados desde en ton

ces por las vas metablicas que llevan sus nombres. Por ejem plo, la va Em bden-M eyerhof de la glucolisis supuso un gran triunfo de la investigacin de los principios de los aos 30. Poco despus fue seguido por el ciclo de Krebs (tam bin conocido com o el ciclo de los TC A ). Estas dos vas son im portantes por su im plicacin en el proceso mediante el cual las clulas obtienen energa a partir de sus nutrientes. Aproximadamente al mism o tiem po, Fritz Lipmann, un bioqum ico am ericano, describi que el com puesto de alta energa adenosina trifosfato (ATP) es el principal compuesto de alm acenam iento de energa en la mayora de las clulas. Cuando se empezaron a usar istopos radioactivos com o H, '^C o * P para marcar el destino de tom os y molculas especficas se produjo un avance im piirtante en el estudio de las reacciones y las vas bioqum icas. (Com o podr recordar de la qum ica, distintos tom os de un ele mento pueden tener el mismo nm ero atm ico y casi pro piedades idnticas pero diferir en el nm ero de neutrones y, por lo tanto, en el peso atm ico; un istopo se refiere a los tom os con un nm ero especfico de neutrones y con ello un peso atm ico particular. Un istopo radioactivo, o ra dioistopo, es un istopo inestable, que em ite partculas subatm icas (partculas alfa o beta) y en algunos casos, ra yos gamma, mientras se convierte espontneamente en una form a estable.) Melvin Calvin y sus colegas de la U ni versidad de California en Berkeley fueron pioneros en este cam po al trazar el destino del dixido de carbono marcado con ^COj, en algas iluminadas que estaban realizan C, do la fotosntesis activamente. Su trabajo, desarrollado a fi nales de los aos 40 y principios de los 50, condujo a la elu cidacin del c ic b de Calvin, nom bre que recibe la va ms comn del metabolismo fotosinttico del carbono. El ciclo de Calvin fue la primera va metabolica descubierta m e diante el uso de un radioistopo. La bioqum ica dio otro gran paso adelante con el de sarrollo de la centrifugacin com o mtodo para separar y aislar estructuras subcelulares y m acrom olculas en base a su tam ao, form a, y/o densidad, proceso denominado fraccio n am ien to subcelular. Las tcnicas de centrifuga cin usadas para este objetivo incluyen la centrifugacin di ferencial y la centrifugacin en gradiente de densidad, que separan orgnulos y otras estructuras subcelulares en base a diferencias en tam ao y/o densidad, y la centrifugacin en equilibrio de densidad, es una tcnica poderosa para sepa rar orgnulos y macrom olculas en base a las diferencias de densidad. Cada una de estas tcnicas se describe detalla damente en el Anexo 12A en las pginas 322-326. La ultracentrfuga, desarrollada en Suecia por Theodor Svedberg a finales de los aos 20, es especialm ente til para la resolu cin de pequeos orgnulos y macrom olculas. Una ultracentrifuga es capaz de desarrollar velocidades muy altas ms de 100.000 rpm y puede por lo tanto someter las muestras a fuerzas que superan 500.000 veces la fuerza de la gravedad {g). En gran medida la ultracentrifuga es tan

La efnergencla de la teoria celular moderna

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fundamental para la bioqum ica com o el microscopio electrnico lo es para la citologa. e hecht), ambos instru m entos se desarrollaron ms o menos al mism o tiempo, de forma que la capacidad de ver orgnulos y otras estructu ras subcclulares se produjo casi simultneamente con la capacidad de aislarlos y purificarlos. O tras tcnicas biolgicas que han sido muy tiles para aislar y purificar com ponentes subcelulares incluyen la cromatografa y la electroforesis. C rom atografa es un tr m ino general que incluye una variedad de tcnicas en las que se fracciona progresivamente una mezcla de molculas mientras la solucin fluye a travs de una fase inmvil y absorbente, contenida generalmente en una colum na. Las tcnicas cromatogrficas separan molculas en base al ta mao, la carga o la afinidad por molculas o grupos fun cionales especficos. En la Figura 7.9 de la pgina 181 se muestra un ejem plo de una tcnica cromatogrfica. Electroforesis hace referencia a diversas tcnicas rela cionadas que utilizan un cam po elctrico para separar m o lculas en base a su movilidad. El ritm o al que cualquier molcula se mueve durante la electroforesis depende de su carga y de su tam ao. El medio ms comn para la separa cin electrofortica de protenas y cidos nucleicos es un gel de agarosa o de poliacrlamida. En la Figura 7.22 de la pgina 194 se ilustra la utilizacin de electroforesis en gel de poliacrilamida para la separacin de protenas. Debido al increm ento de la habilidad para ver, fraccio nar y aislar estructuras subcelulares, los citlogos y los bio qum icos comenzaron a darse cuenta de que el alcance de sus observaciones sobre la estructura y la fim cin celular respectivamente podan complementarse, estableciendo los fundamentos de la biologa celular moderna.

La rama de la gentica se centra en el flujo de informacinLa tercera hebra o rama de la cuerda de la biologa celular es la gentici. Al igual que las otras dos, tiene races im por tantes en el siglo XIX. En este caso, la hebra comienza con Gregor Mendel, cuyos estudios en las plantas de guisante que cultiv en el jardn de su monasterio estn seguramen te entre los experimentos ms famosos de toda la biologa celular. Sus descubrim ientos fueron publicados en 1866, estableciendo los principios de la segregacin y la diversi dad de los factores hereditarios que hoy conocem os com o genes. Estos principios tuvieron una im portancia singular y constituyen los fimdamentos de lo que poste riorm ente hemos conocido com o la gentica mendeliana. Sin embargo, Mendel fue claram ente un hom bre adelanta do a su tiempo. Su trabajo pas inadvertido cuando se pu blic inicialm ente y no fue apreciado completam ente has ta su redescubrimiento casi 35 aos ms tarde. Com o preludio de ese redescubrimiento, en la dcada posterior al trabajo de Mendel se com enz a apreciar el pa pel del ncleo en la continuidad gentica de las clulas. En

1880, Walther Flem m ing identific los crom osom as com o cuerpos con form a de hebra presentes en las clulas que se dividen. Flem m ing denom in rnitosis al proceso de divi sin, a partir de la palabra griega para hilo o fibra. Poco despus se reconoci el nm ero de crom osom as com o una caracterstica distintiva de cada especie que permanece constante de generacin en generacin. El hecho de que los crom osom as fueran portadt>res de la inform acin gentica fue sugerido por W ilhelm Roux ya en 1883, y fue com u ni cado ms form alm ente por August Weissman poco tiempo despus. Una vez que se esclareci la funcin del ncleo y los crom osom as, se estableci el escenario para el redescubri miento de las observaciones iniciales de Mendel. Esto se produjo en 1900, cuando sus estudios fueron citados casi simultneam ente por tres genticos de plantas trabajando independientemente: Cari Correns en Alemania, Ernst von Tschermak en Austria y Hugo de Vries en Holanda. En tres aos form ul la teora crom o s m ica de la herencia Walter Sutton, que fue el prim ero en unir los hilos cromosmicos de Flem m ing con los factores hereditarios de Mendel. La teora de Sutton propuso que los factores heredita rios responsables de la herencia mendeliana se localizan en los crom osom as dentro del ncleo. Esta hiptesis recibi su confirm acin ms fuerte a partir del trabajo de Tomas Hunt Morgan y sus estudiantes de la Universidad de Columbia durante las primeras dos dcadas del siglo xx. Ellos eligieron DrosophUa melanogaster, la mosca comn de la fruta, com o especie experim ental. .Morgan y sus colabora dores fueron capaces de relacionar rasgos definidos con crom osom as especficos mediante la identificacin de d i versos mutantes m orfolgicos de DrosophUa. M ientras tanto, los fundamentos de nuestra com pren sin de la base qum ica de la herencia estaban siendo esta blecidos lentamente. El descubrim iento del DNA por Johan Friedrich M iescher en 1869 fue un hito im portante. M iescher aisl y describi lo que denom in nuc/end uti lizando fuentes aparentem ente tan inapropiadas com o el esperma de salmn y el pus hum ano de las bandejas de ci ruga. Pero Miescher, al igual que Mendel, estaba adelanta do respecto a su poca ya que pasaron aproximadamente 75 aos antes de que se considerase com pletam ente el papel de su nuclena com o la inform acin gentica de la clula. El DNA fue identificado, ya en 1914, com o un com po nente im portante de los crom osom as mediante la tincin de Robert Feulgen que an se usa en la actualidad. Pero se le dio escasa consideracin a la posibilidad de que el DNA pudiera ser el portador de la inform acin gentica. De he cho se consider algo improbable, com o consecuencia de la estructura aparentemente carente de inters de los m onmeros constituyentes del DNA (denom inados nucletidos) que se conocieron alrededor de 1930. Hasta mediados del siglo XX, se aceptaba com nm ente que los genes esta-

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Captulo 1

Una visn e la clula

ban constituidos por protenas, ya que stas eran los nicos com ponentes nucleares que parecan justificar la diversi dad obvia de los genes. En 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod y Macl>Ti M cCarty describieron un experim ento clave que apuntaba claram ente al DNA com o el material gentico. Su trabajo se centr en el fenm eno de transform acin gentica de bacterias que se discutir en el Captulo 18. Su evidencia era convincente, pero la comunidad cientfica permaneci durante bastante tiempo poco convencida de la conclu sin. Sin embargo, slo ocho aos ms tarde, com o con se cuencia del trabajo de Alfred Hershey y Martha Chase se acogi de forma ms favorable el hecho de que el DNA, en lugar de las protenas, entra en la clula bacteriana cuando es infectada por un virus bacteriano. / i mismo tiempo, George Beadle y Edward Tatum, tra V bajando en los aos 40 del siglo xx en el m oho del pan Neu rospora crassa, formularon el concepto de un gen-una en zima, afirmando que la funcin de un gen es controlar la produccin de una nica protena especfica. Poco tiempo despus, en 1953, James Watson y Francis Crick propusie ron su ahora famoso m odelo de doble hlice para la es tructura del DNA, incluyendo propiedades que inmediata mente sugirieron cm o podan suceder la replicacin y las mutaciones genticas. Poco despus, se descubrieron las propiedades de la funcin del DNA, establecindose que el DNA especifica el orden de m onm eros (am inocidos) y por lo tanto las propiedades de las protenas, y que diversos tipos de molculas de RNA (cido ribonucleico) actan com o intermcxliarios en la sntesis de protenas. Los aos 60 condujeron a avances especialmente signi ficativos, incluyendo el descubrim iento de las enzimas que sintetizan el DNA y el RNA (DNA polimerasas y RNA polimerasas, respectivamente) y al estallido del cdigo ge ntico, que especifica la relacin entre el orden de nucletidos en una molcula de DNA (o RNA) y el orden de aminocidos en una protena. Alrededor del mism o tiem po, lacques M onod y Franois Jacob dedujeron el m ecanis mo responsable de la regulacin de la expresin gnica en bacterias. Las tcnicas im portantes de la rama de la gentica, ilus tradas en la Figura L l , incluyen la separacin por uhracentrifugacin y electroforesis en gel de molculas y frag mentos de DNA. La hibridacin d e cidos nucleicos tiene igual im portancia, si no mayor, e incluye una variedad de tcnicas relacionadas, que dependen de la capacidad de dos molculas de cido nucleico de hebra sencilla con se cuencia de bases complementarias, para unirse o hibridarse entre ellas, form ando as un hbrido de doble hebra. Es tas tcnicas se pueden aplicar a interacciones DNA-DNA, DNA-RNA, e incluso RNA-RNA, y son muy tiles para el aislamiento de molculas de DNA o RNA o fragmentos es pecficos de stas. El desarrollo de la tecnologa del DNA recom bin an te en los aos 70 es el avance tecnolgico que sin duda ms ha

contribuido al entendim iento de la expresin gnica. Esa tecnologa se hizo posible gracias al descubrim iento de las enzimas de restriccin. Estas enzimas tienen la habilidad de cortar molculas de DNA en secuencias especficas llamadas sitios de restriccin, lo que las hace herramientas poderosas para cortar molculas largas de DNA en frag mentos de restriccin ms pequeos que pueden ser recom binados de varias formas. Usando estas enzimas, los cient ficos pueden crear molculas de DNA recombinante que contengan secuencias de DNA con dos orgenes diferentes. Esto condujo rpidamente al desarrollo del clonaje gnico, un proceso que permite la generacin de num erosas copias de secuencias especficas de DNA. Estas tcnicas se explica rn y se explorarn detalladamente en los Captulos 18 y 20. Alrededor de la misma poca, se inventaron mtodos para determ inar rpidamente las secuencias de bases en fragmentos de DNA. Es muy difcil sobrestim ar la im por tancia de la tecnologa de secuenciacin del DNA. De he cho, la tecnologa es trivial y automatizada y se aplica ru ti nariam ente no slo para genes individuales sino para genomas completos (el contenido total de DNA de una clula). Inicialm ente, la secuenciacin del genoma se apli caba principalm ente a genomas bacterianos ya que gene ralmente son relativamente pequeos, de unos pocos m i llones de bases. Pero la secuenciacin de DNA ha sido empleada desde entonces con xito a genomas mucho ms grandes, incluyendo aquellos de especies com o levaduras, lom brices, plantas y animales que son de especial inters para los investigadores. La secuenciacin del genoma hu m ano entero, que contiene cerca de 3,2 billones de bases, constituye un triunfo esencial. Esta hazaa se alcanz gra cias al Proyecto Genom a Humano, un esfuerzo de coopera cin internacional que com enz en 1990, im plic a cientos de cientficos, y estableci la secuencia completa del geno ma hum ano alrededor de 2003. El desafio de analizar la gran cantidad de datos genera dos por la secuenciacin del DNA ha dado lugar a una nueva disciplina llamada b ioin fo rm tica que com bina la inform tica y la biologa con objeto de dar sentido a los da tos de secuenciacin. En el caso del genoma hum ano, esta aproxim acin ha conducido al reconocim iento de que existen por lo m enos 35.000 genes que codifican para pro tenas en el genoma humano. Aproximadamente la mitad de ellos no se conocan antes de la secuenciacin del geno ma. Ahora que se conocen las secuencias del DNA de esos genes, los cientficos estn comenz.ando a observar ms all del genoma para estudiar el proteom a, que abarca la estruc tura y las propiedades de cada proteina producidas por un genoma. stas y otras tcnicas han ayudado a fundar la era de la gentica molecular que contina revolucionando la biolo ga. En este proceso, la rama histrica de la gentica, que retrocede hasta Mendel, se entrelaza ntim am ente con la citologa y la bioqum ica en la disciplina de biologa celu lar tal y com o la conocem os actualmente.

La emergencia de la teoria celular moderr^a

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Anexo IB

B io lo g a , h e c h o s

y el m to d o c ie n t fic odurante generaciones de cientficos, fue finalmente de.sacreditado y reemplazado por un nuevo hecho consistente en que los componentes en las reacciones de la materia viva no constituyen un mundo aparte sino que siguen las leyes de la qumica y de la fisica. Como ejemplo ms contemporneo, consideremos lo que sabemos acerca de la energa necesaria para mantener la vida. Hasta hace poco se consideraba como un hecho el que el sol era la fuente ltima de toda la energa de la biosfera, de forma que todos los organismos o bien usan a la energa solar directamente (por ejemplo, las plantas verdes, las algas y algunas bacterias) o bien es parte de una cadena alimenticia mantenida por los organismos fotosintticos. Entonces se descubri los afloramientos de aguas termales del fondo del mar y las comunidades prsperas de organismos que viven alrededor de ellas, ninguna de las cuales depende de la energa solar Por el contrario, estos organismos dependen de la energa que es extrada a partir de los enlaces de sulfuro de hidrgeno (H^S) por las bacterias que viven alrededor de los afloramientos termales y que emplear para sintetizar compuestos orgnicos a partir de dixido de carbono. Esas bacterias constituyen la base de las cadenas alimenticias que incluyen al zooplancton (animales microscpicos), a gusanos, y a otros residentes en el medio de los afloramientos termales. As, los hechos que se presentan en los libros de texto de biologa como ste no son ms que nuestros mejores intentos de describir y explicar el funcionamiento del mundo biolgico que nos rodea. Estn sometidos a cambios a medida que conocemos informacin nueva o mejor. Cmo disponemos de informacin nueva y mejor? Los cientficos normalmente adquieren informacin nueva mediante una aproximacin sistemtica denominada el mtodo cientfico. Como se indica en la Figura 1B-1 el mtodo cientfico comienza cuando un investigador realiza observaciones en el campo o en un laboratorio de investigacin. En base a esas observaciones y al conocimiento obtenido en estudios previos, los cientficos formulan una hiptesis comprobable, una explicacin posible o un modelo compatible con las

Si nos preguntan qu esperamos obtener de un libro de ciencia, la mayora de los lectores probablemente respondern que pretenden aprender los hechos relevantes del rea cientfica que trata el libro, biologa celular, en el caso del libro que est leyendo ahora. Si nos hacen explicar qu es un hecho, la mayora de la gente probablemente responder que un hecho es algo que sabemos que es cierto. Ese significado de la palabra coincide con el diccionario ya que una de las descripciones de hecho es informacin que tiene una realidad objetiva. Sin embargo, para un cientfico un hecho es una informacin mucho ms dbil de lo que puede implicar la definicin. Los hechos en ciencia son nicamente intentos de explicar nuestro entendimiento actual del mundo natural que nos rodea basndonos en observaciones y experimentos que podemos realizar. La verdad para un investigador, tal como lo describi tan apropiadamente un cientfico, no es un reducto de certeza que debamos defender contra el error sino que es un lugar de sombra donde podemos comer antes de continuar la marcha (\Vhite, 1968, p. 3). La biologa celular es rica en ejemplos de hechos que fueron aceptados de forma general, pero que posteriormente fueron rechazados a medida que los bilogos celulares continuaron su marcha para intentar explicar los fenmenos a los que se refieren esos hechos. Por ejemplo, ya en el siglo xix se mantena de forma generalizada (es decir, considerndolo como un hecho) que la materia viva consista en sustancias distintas de la materia inerte. De acuerdo con esta interpretacin, denominada vitaUsnio, las reacciones qumicas que suceden en la materia viva no siguen las leyes de la qumica y de la fsica, sino que son guiadas por una fuerza vital. Entonces apareci la demostracin de Friedrich VVflhler (en 1828) de que el producto biolgico urca poda ser sintetizado en el laboratorio a partir de un compuesto inorgnico, echando abajo uno de los hechos del vitalismo. El otro hecho fue refutado por el trabajo de Fxluard y Hans Buchner que mostraron (en 1897) que los extractos sin vida obtenidos a partir de levaduras podran fermentar el azcar en etanoL De esta forma, lo que se haba considerado como un hecho

Hechos es Iniciales

Formular una hiptesis comprobable

Consultar los conocimientos previos

( D Disertar un experimento controlado

Recolectar datos

Interpretar resultados

Elaborar conclusiones razonables

Rgure I B . l

El mtodo cientfico.

observaciones y con el conocimiento previo y que puede ser comprobado experimentalmente. A continuacin, el investigador disea un experimento controlado para comprobar la hiptesis variando algunas condiciones y manteniendo todo lo dems tan constante como sea posible. Entonces, el cientfico

recoge los datos, interpreta los resultados y establece conclusiones razonables que obviamente deben ser compatibles, no slo conlos resultados de ese experimento en particular sino tambin con el conocimiento previo. Para un cientfico en activo el mtodo cientfico es ms una forma de pensar que un protocolo que debe ser seguido. sta es, muy probablemente, la forma en que nuestros antecesores explicaron e interpretaron ios fenmenos naturales mucho antes de que los cientfcos fueran formados en las

universidades y mucho antes de que los estudiantes leyesen ensayos sobre el mtodo cientfico. Cuando se ilustra en un diagrama como el de la Figura 1B-1 el mtodo cientfico parece muy preciso y ordenado. Sin embargo, no todos los descubrimientos cientficos se hacen de esta forma. Muchos avances importantes en biologa se han realizado de forma accidental ms que de forma planeada. Un ejemplo clsico es el descubrimiento de la penicilina en 1928 por Alexander Fleming. Flemming, un mdico y bacterilogo escocs, dej accidentalmente sin tapar una placa de cultivo de bacterias StaphUococus, de forma que estuvo expuesta a la contaminacin por otros microorganismos. Flemming estuvo a punto de desechar el cultivo contaminado cuando se dio cuenta de la presencia de algunas zonas claras en las que las bacterias no estaban creciendo. Flemming mantuvo la placa se cultivo, y razonando que el crecimiento bacteriano podra haber sido inhibido por algn contaminante del aire y reconociendo la importancia que podra tener un inhibidor del crecimiento bacteriano, comenz a intentar aislar y caracterizar la sustancia. La identificacin de la penicilina y la demostracin de que era el producto derivado de un moho fue realizada por otros, pero Fleming es reconocido por el descubrimiento inicial. Los Anexos de los captulos siguientes le pondrn al corriente de otros ejemplos de descubrimientos aparentemente accidentales. Independientemente de cmo de accidentales puedan parecer esos descubrimientos casi siempre es verdad que la casualidad favorece a las mentes preparadas. Detrs de la aparente casualidad de cada descubrimiento hay una mente preparada que ha sido entrenada para observar cuidadosamente y pensar astutamente. A medida que avance este texto trate de aplicar el mtodo cientfico. Independientemente de la aproximacin, observar que las conclusiones de cada experimento proporcionan informacin de cmo fimcionan los sistemas biolgicos y habitualmente nos conducirn a nuevas preguntas, continuando el ciclo de la investigacin cientfica. Esto es bueno si aspira a dedicarse la investigacin ya que el mejor seguro para comenzar es que an existan preguntas por responder.

tres trminos que son especialmente significativos: hipte

sis, teora y ley.De estos tres trm inos, hip tesis es el ms provisional. Una hiptesis e.s sim plem ente una afirm acin o una expli cacin com patible con la mayor parte de las observacio nes y las evidencias experim entales disponibles hasta el m om ento sobre un tema. Supongam os por ejem plo que usted ha sentido ardor de estm ago tres veces durante el ltim o mes, y que cada vez ha com ido pizza de pepperoni poco antes de sentir el ardor de estmago. Una hiptesis razonable podra ser que el ardor de estmago est de al guna forma asociado al consum o de pizza de p ep peron i A menudo, una hiptesis se transform a en un m odelo que

parece proporcionar una explicacin razonable al fen m eno en cuestin. Para ser til a los cientficos, una hiptesis debe ser comprobable^ es decir, debe ser posible disear un experi mento controlado que confirm ar o rechazar la hiptesis. En base a observaciones iniciales y al conocim iento previo (muy probablem ente a partir del trabajo de otros investi gadores) los cientficos form ulan una hiptesis com proba ble y disean un experim ento controlado para determinar si la hiptesis es respaldada por datos u obser\'aciones (vrsf Figura IB .l) . Cuando una hiptesis o un modelo se han com proba do de manera crtica, en diversas condiciones norm al

La emergencia de la teora celular modema

13

mente por diversos investigadores usando diversas aproxi maciones y es respaldada por la evidencia de forma con sistente, adquiere gradualmente el estatus de teora. Cuan do una explicacin o un mtKlelo se transform an en una teora es porque generalmente es aceptada por la mayora de los cientficos de un determinado campo. La teora celu lar descrita anteriorm ente en este captulo es un ejemplo excelente de esto. No existen, o hay muy pocos desacuerdos entre los bilogos respecto a sus tres postulados. Dos afir m aciones ms recientes que han adquirido el estatus de teora y que encontrarem os en el Captulo 7 son el modelo quinjiosmtico, que explica cm o la generacin del ATP mitocondrial se origina por un gradiente de protones a travs de la membrana m itocondrial interna (discutido en el Captulo 10), y el m odelo del mosaico fluido sobre la es tructura de la mem brana. Cuando una teora se ha com probado y confirm ado por muchos investigadores y durante un periodo de tiem po suficiente para que no existan dudas, puede eventuai-

mente ser denom inada com o ley. La ley de la gravedad, as com o diversas leyes de term odinm ica que encontrarem os en el captulo 5 son buenos ejem plos que nos vienen fcil mente a la m em oria. Tambin puede estar familiarizado con la ley de la difusin de Fick, las leyes de los gases idea les y otros conceptos de la fsica y de la qum ica que son generalmente aceptados com o leyes. Algunos de los ejem plos ms sobresalientes de leyes en biologa proceden de la gentica, por ejem plo, las leyes de la herencia de M endel y la ley de Hardy- Weinherg. Sin em bargo, los bilogos son en general bastante conservadores con el trm ino. La teora celular se considera nicam ente con una teora incluso despus de 150 aos. Quizs nuestras reticencias a d en o m inar algunas explicaciones de fenm enos biolgicos con leyes reflejan la gran diversidad de formas de vida, y la consecuente dificultad para convencernos de que nunca encontrarem os organism os o clulas que constituyen ex cepciones incluso para nuestras teoras m ejor docum en tadas.

PerspectivaF.l mundo biolgico es un mundo de c lulas. Todos los organismos vivos estn formados por una u ms clulas, cada una de las cuales procede de una clula pree xistente. Aunque la importancia de las c lulas en la organizacin biolgica se ha reconocido durante 150 aos, la discipli na de la biologa celular, tal y como la co nocemos aclualmenle, tiene un origen mucho ms reciente. La biologa celular moderna se ha producido por el entrela zamiento de tres disciplinas histricas distintas citologa, bioqumica y gen tica que en sus fases iniciales probable mente no parecan estar tan relacionadas. El bilogo celular contemporneo debe comprender las tres corrientes ya que s tas se complementan en la bUsqueda para aprender que son y cmo funcionan las clulas.

ProblemasLos problefras de mayor dificultad estn marcados con un .

(h )(I) (j)

1.1 Corrientes histricas de la biologia celular. Indique si cada uno de los siguientes eventos en el desarrollo de la biologa celular pertenece principalmente a la citologa (C), a la bit>qumica (B) o a la gentica (G). (a) Kllicker describe sarcosomas (ahora denominados mitocondrias) en las clulas musculares (1857). Hoppe-Seyler aisla la protena hemoglobina en forma cristalina (1864). Haeckel postula que el ncleo es responsable de la herencia (1868). Osnvald prueba que las enzimas son catalizadores ( 189.). Muller descubre que los ravos X inducen mutaciones (1927). Davson y Danielli postulan un modelo para la estructura de las membranas celulares (1935). Beadle y Tatum formulan la hiptesis de un gen-una enzima (1940).

Claude asla las primeras fracciones mitocondriales a partir del hgado de la rata (1940). Lipmann postula la gran importancia del .MP en las transacciones celulares de energa (1940). Avery, MacLeod y .VlcCarty demuestran que la transformacin bacteriana es atribuible al DN.'V y no a las protenas (1944). Palade, Porter y Sjostrand desarrollan tcnicas para la fijacin y el seccionamiento de tejidos biolgicos para microscopa electrnica (1952-1953). Uhninger demuestra que la fosforilacin oxidativa depende del transporte de electrones en la mitocondria como fuente inmediata de energa (1957).

(b)(c)

(k)

(!)

(d )(e)

(f)

(g)

1.2 Tamaos celulares. Cxinsidere estos ejemplos especficos para apreciar las diferencias en tamao celular ilustradas en la Figura lA .l de la pgina 2. Escherichia coli, una clula bacteriana tpica, tiene forma cilindrica con un dimetro de alrededor de 1 /im y una longitud de alrededor de 2 /m. Como ejemplo de clula animal tpica consideraremos una clula de

14

Captulo 1

Una visin de la clula

hgado humana que tiene forma aproximadamente esfrica con un dimetro de unas 20 /jm. Como clula vegetal tpica consideraremos las clulas columnares del parnquima en empalizada localizadas inmediatamente por debajo de la superficie del haz de las hojas de muchas plantas. Estas clulas tienen forma cilindrica, con un dimetro de unas 20 /xm y una longitud de aproximadamente 35 ftm.(a)

(c)

Q iles son las dim ensiones aproxim adas de la estructura ms pequea que van Leeuwenhoek pudo haber sido capaz de observar con su m icroscopio? Pudo el haber sido capaz de observar alguna de las estructuras m ostradas en la Figura 1A. 1? Si es as, cul es? Si no es el caso, por qu no?

(d)

Calcule el volumen aproximado de cada uno de estos tres tipos celulares en micrmetros cbicos. (Recuerde que V'= nr-h para un cilindro y que V = 4nr^/3 para una ' esfera.) Cuntas clulas bacterianas podran caber aproximadamente en el interior de una clula heptica humana? Cuntas clulas hepticas humanas podran caber dentro de una clula del parnquima en empalizada?

Cules son las dim ensiones aproxim adas de la estructura ms pequea que los bilogos celulares contem porneos pueden observar con un m icroscopio ptico m oderno? Considere las och o estructuras m ostradas en las Figuras lA .l y 1A.2, cules fueron capaces de estudiar tanto H ooke com o van leeu w enhoek con sus respectivos microscopios? Si es el caso, cules fiie capaz de obsen-ar van Leeuwenhoek pero no Hooke? Explique su razonam iento. Si es el caso, cules sera capaz de ver un bilogo celular contem porneo que no fueron capaces de ver ni H ooke ni van Leeuwenhoek?

(e)

(b)

(c)

1.3 Midiendo el tamao de las cosas. (Considere los siguientes clculos para apreciar los tamaos de las estructuras subcelulares mostradas en la Figura 1A.2 en la pgina 3:(a)

1.5

Las ram as con tem p o rn eas de la biolo gia celu lar. Indique

si cada par de tcnicas enum eradas corresponden a la rama citolgica, bioqum ica, o gentica de la biologa celular (v is f la Figura L 1 ). Sugiera una ventaja que la segunda tcnica de cada par tiene sobre la prim era.

Todas las clulas y muchas estructuras subcelulares estn rodeadas por una membrana. Asumiendo que una membrana tipica tiene 8 nm de ancho, cuntas de estas membranas deberan estar apiladas lateralmente para que se pudiesen observar con un microscopio ptico? Cuntas con un microscopio electrnico? Los ribosomas son estructuras celulares en los que tiene lugar la sntesis de protenas. Un ribosoma humano es una estructura aproximadamente esfrica con un dimetro de unos .W nm. Cuntos ribosomas cabran en el interior de una clula heptica humana descrita en el Problema 1.2, si sta se rellena completamente con ribosomas? El material gentico de una clula de F.scherchia coli, des crito en el Problema 1.2, consiste en una molcula de DNA con un dimetro de 2 nm y una longitud total de 1,36 mm (de hecho la molcula es circular con un permetro de 1,36 mm). Para que esta molcula tan grande de DN,\ quepa en una clula que slo tiene unos pocos micrmetros de largo est fuertemente enrollada y doblada en un nucleoide que ocupa una porcin pequea del volumen de la clula. O lcule el volumen posible ms pequeo en el que podra caber una molcula de DNA y exprselo como porcentaje del volumen interno de la clula bacteriana que calcul en el Problema 1.2a.

(a)

M icroscopa ptica/m icroscopa electrnica. Centrfugacin/ultracentrifugacin. H ibridacin de cidos nucleicos/.secuenciacin de DNA. Secuenciacin de un genom a/bioinform tica. M icroscopa electrnica de transm isin/m icroscopa electrnica de barrido. Crom atografa/electroforesis. Los hechos de la vida. Cada una de las siguientes

(b)(c)(d)

(b)

(e)(f)

1.6

(c)

afirm aciones fue enunciada en su m om ento com o un hecho biolgico pero ahora se entiende que no son ciertas, indique en cada caso por qu se pens que cada afirm acin era cierta y por que ahora no se consideran un hecho.

(a)

Los tejidos animales y vegetales estn construidos de m anera diferente, porque los tejidos animales no tienen barreras que los dividan en clulas. Los organism os vivos no estn sujetos por las leyes de la qum ica y la fsica de la m ateria inerte, sino que estn gobernados por una fuerza vital responsable de la form acin de com puestos orgnicos.

(b)

(c)

Los genes muy probablem ente estn form ados por protenas porque el otro probable candidato, el lN A , es una m olcula relativam ente poco interesante que nicam ente consiste en cuatro tipos de m onm eros (nu cletid os) ordenados en una secuencia relativam ente invariante de cuatro nucletidos repetidos.

1.4 Lmites de resolucin. Entonces y ahora. Conteste cada una de las siguientes preguntas en base a lo que ha aprendido en este captulo acerca del limite de resolucin de microscopio ptico. Asuma que el ojo humano tiene un lmite de resolucin de unos 0,25 mm y el microscopio ptico moderno tiene una capacidad til de aumentar de unos 1.000 aumentos.(a)

(d)

La ferm entacin del azcar en alcohol slo se produce si estn presentes levaduras vivas.

Defina el limite de resolucin con sus propias palabras. Cul era el lmite de resolucin del microscopio de Hooke? Y el del microscopio de van Leeuwenhoek?

(b) Cules son las dimensiones aproximadas de la estructura ms pequea que Hooke pudo haber sido capaz de obser\'ar con su microscopio? Pudo l haber sido capaz de observar alguna de las estructuras mostradas en la Figura 1A. 1? Si es as, cules? Si no es el caso, por qu no?

1.7 M as hechos de la vida. Cada una de las siguientes afirm aciones ha sido considerada un hecho biolgico hasta hace relativam ente poco pero ahora han sido rechazadas o modificadas hasta cierto punto. Discuta en cada caso, por qu se consider cierta cada afirm acin y trate de determ inar qu evidencias pueden haber sido necesarias para rechazar om odificar estas afirm aciones. (iVoM. este problem a requiere una

ProbtefTias

15

bsor capas finas de protenas (Captulo 7). Las enzimas requeridas para catalizar la conversin de azcar en un compuesto denominado piruvato se localizan invariablemente en el citoplasma de la clula, en lugar de e.star compartimentalizadas en estructuras rodeadas por membranas (Captulo 9). El mecani.smo por el que la o.xidacin de molculas orgnicas como azcares conduce a la generacin de Al'P, requiere una molcula intermediaria fosforilada de alta energa (Captulo 10). Cuando el dixido de carbono del aire se fija (une covalentemente) en formas orgnicas por los organismos fotosintcticos como las plantas verdes, la primera forma molecular en que aparece el tomo de carbono es siempre el compuesto tricarbonado 3-fosfoglicerato (Captulo 11). El DNA siempre existe como un duplex de dos hebras nicas en una hlice dcxtrgira (Captulo 18). El ci^igo gentico, que especifica cmo la informacin contenida en la molcula de DNA se emplea para hacer protenas, es universal en el sentido de que lodos los organismos utilizan el mismo cdigo (Capitulo 21).

(b)

(c)

1.9 Hechos y verdades. L\Tin White, )r. hizo una caracterizacin apropiada del hecho cientfico. Como se cita en el Ane.xo IB. White escribi que para un cientfico la verdad no es un reducto de certeza que debamos defender contra el error sino que es un lugar de sombra donde podemos comer antes de continuar la marcha. Lxplique lo que White quiso decir con su expresin. En qu sentido podra servir para explicar los hechos cientficos? Cmo se relaciona esta afirmacin con el mtodo cientfico? 1.10 Pizza, ardor de estmago y el mtodo cientfco. Aunque puede resultar extrao describir el mtodo cientfico en trminos formales o como se representa en la Figura IB.l en la pgina 15, en realidad no es muy distinto a cmo la mayora de nosotros contestamos preguntas para resolver los problemas. Probablemente usted use el mtodo cientfico frecuentemente sin darse cuenta de ello. Suponga por ejemplo que recientemente ha tenido ardor de estmago de manera frecuente. Estudiando sus hbitos de comida durante unas semanas se da cuenta de que es ms frecuente que el ardor de estmago suceda las noches despus de haber cenado pizza, especialmente si es su pizza favorita con pepperoni, anchoas y cebolla. Usted se pregunta si el ardor de estmago puede estar causado por comer pizza, y si es asi cul de sus ingredientes puede ser el culpable.(a)

(d)

(e) (f)

1.8 Biologa celular en 1875. Friedrich Miescher ( 18441895), Gregor Mendel (1822-1884), Louis Pasteur (1822 1895) y Rudolf Virchow ( 1821-1902) fueron cientficos europeos (de Suiza, Austria, Francia y Alemania, respectivamente) cuyos descubrimientos ms importantes se hicieron en un periodo de 20 aos entre 1855 y 1875. Asuma que estos cuatro hombres se reunieron en una conferencia cientfica en 1875 para discutir sus contribuciones respectivas en biologa.(a)

Describa cmo hara para determinar si el ardor de estmago es debido a pizza, y si es as, a cul de sus ingredientes. Ahora compare su aproximacin con el mtodo cientfico como se muestra en la Figura 1B. 1. Cmo de cientfico fue su mtodo?

(b)

Qu habran tenido en comn estos cuatro cientficos?

Bibliografa recomendadaLas refefencias cor importancia histrica estn rr^rcadas con .

La emergencia de la biologa celular ntoderna

Bonner, J. T. Sixty Years o f Hiology. New York: Princeton University Press, 1996. Braccgirdle, B. Microscopy and comprehension: The development of understanding of the nature of the cell. Trends Hiochcm. Sci. 14 (1989); 464. Bradbury, S. The Evohttion o f the Microscope. New York; Pergamon, 1967. Calvin, M. The path of carbon in photosynthesis. Science 135 (1962); 879. Claude, A. The coming of age of the cell. Science 189 (1975): 433. de Duve, C. Exploring ccUs with a centrifuge. Science 189 (1975): 186. de Duve, C. y H. Beaufay. A short history o f tissue fractionation. J. Cell Bid. 91 (1981): 293s.

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16

Captulo 1

Una visin de la clula

La qumica de la clula

OS estudiantes que se inician en biologa celular algunas veces se ven sorprendidos ocasionalm ente incluso cons ternados al encontrar que todos los cursos y libros de texto relacionados con la biologia celular implican una cantidad considerable de qumica. 1-a biologa en general, y la biologa celular en particular, se fundamentan en gran medida tanto en la qumica com o en la fsica. Despus de todo, las clulas y los organismos se fundamentan en las le yes del universo fsico, de forma que la biologa es real mente el estudio de la qumica en sistemas vivos. De hecho, todo lo que las clulas son y hacen tiene una base m olecu lar y qumica. Por lo tanto, nicamente podremos apreciar y entender la estructura y la funcin celular cuando poda mos describirla en trminos moleculares y expresar su fun cin en trm inos de reacciones y eventos qumicos. Intentar apreciar la biologa celular sin conocim ientos de qumica .sera com o intentar apreciar una traduccin de Goethe sin conocim iento del alemn. Probablemente en tenderamos la mayor parte del significado, pero gran par te de la belleza y la profmdidad de la apreciacin se perde ra en la traduccin. Por esta ra/n consideraremos el sustrato qum ico necesario para el bilogo celular. Este ca ptulo se centra especficamente en varios principios que subyacen en gran parte de la biologa celular, com o prepa racin para el captulo siguiente que se centra en las prin cipales clases de constituyentes qum icos en las clulas. Los principales puntos de este captulo se pueden es tructurar convenientemente alrededor de cinco principios: 1. L im portancia del carbono. La qumica de las clulas es esencialmente la qumica de los com puestos que contienen carbono, ya que el tom o de carbono tie ne varias propiedades nicas que hacen que sea es

L,

pecialmente conveniente com o espina dorsal de molculas con im portancia biolgica. 2. La importancia del agua. La qumica de las clulas es tambin la qum ica de los compuestos solubles en agua, ya que la molcula de agua tiene varias propie dades nicas que la hacen especialmente convenien te ct>mo el solvente universal de los sistemas vivos. 3. La importancia de las membranas selectivamente per meables. Dado que la mayor parte de las molculas con im portancia biolgica son solubles en agua, las mem branas que no se disuelven en agua y son per meables diferencialm ente para solutos especficos son muy im portantes, tanto para definir los espacios y com partim entos celulares com o en el control de los m ovim ientos de las molculas e iones hacia den tro y hacia fuera de esos espacios y com partim entos. 4. La importancia de la sntesis y polim erizacin de p e queas molculas. La mayora de las m olculas con im portancia biolgica son o bien pequeas m ol culas orgnicas solubles en agua que pueden ser transportadas a travs de m em branas o grandes macrom olculas que no pueden. Las m acrom olculas biolgicas son polmeros form ados por la unin de muchas molculas pequeas similares o idnticas. Ij sntesis de macrom olculas por polim e rizacin de subunidades monomricas es un princi pio im portante de la qumica celular. 5. La importancia del auto-ensam blaje. Las protenas y otras macrom olculas biolgicas compuestas por subunidades m onom ricas repetidas son a menudo capaces de auto-ensam blarse en niveles mayores de organizacin estructural. El auto-ensam blaje es po sible porque la inform acin necesaria para especifi-

La teoria celular: una histona breve

19

car la configuracin espacial de la molcula es inhe rente en el orden de monm eros presente en el pol mero. El auto-ensamblaje es, sin embargo, en muchos casos controlado por protenas denominadas chaperonas moleculares que participan en el proceso de ensamblaje inhibiendo las interacciones incorrec tas que podran dar lugar a t'structuras inactivas. Dados estos cinco principios, debemos familiarizamos con los principales temas de qumica celular antes de aven turarnos en la exploracin de lo que significa ser una clula.

):Carbono (valencia: 4)

H

N-

Oxigeno Hidrgeno Nitrgeno (valencia; 2) (valencia 1) (valencia: 3)

(a) Algunos tomos con importancia biolgica y sus valencias

Hh

H Hh

Hh

:c : h H

:c :c :o : h H H

:c : n : h H H

Metano (CH,)

Etanol (C H j-C H jO H )

Metilamina (CH 3 - N H 2 )

La importancia del carbonoEl estudio de las molculas celulares realmente significa es tudiar compuestos que contienen carbono. Casi sin e.\cepcin, las molculas im portantes para el bilogo celular tie nen una espina dorsal, o esqueleto, de tom os de carbono unidos covalentemente. En realidad, el estudio de los com puestos que contienen carbono es el dom inio de la qu m i ca o rgnica. Kn sus primeros das, la qumica orgnica era casi sinnim o de qum ica biolgica ya que la mayora de los compuestos que contienen carbono que los qumicos investigaron inicialm ente se obtuvieron de fuentes biolgi cas (de ah el trm ino orgnico, que hace referencia al o ri gen de los compuestos a partir de los organism os). Desde entonces, estos trm inos han recorrido cam inos separados ya que los qum icos orgnicos han sintetizado una varie dad increble de compuestos que contienen carbono que no existen naturalmente (es decir, no en el m undo biolgi co). La qumica orgnica, por lo tanto, incluye todas las clases de compuestos que contienen carbono, m ientras que la qum ica biolgica {bioqum ica para abreviar) se relacio na especficamente con la qumica de los sistemas vivos y constituye, com o ya hem os visto, una de las diversas co rrientes histricas que forman una parte integral de la bio loga celular moderna (vase Figura 1.1). El tom o de carbon o (C) es el tomo ms importante de las molculas biolgicas. l.as diversidad y estabilidad de los compuestos que contienen carlx)no se debe a las propie dades especficas del tom o de carbono y especialmente a la naturaleza de las interacciones de los tomos de carbono entre s as como con un nmero limitado de elementos que se encuentran en las molculas con importancia biolgica. La propiedad ms fundamental del tom o de carbono es su valencia de cuatro, lo que significa que el orbital de electrones ms externo carece de cuatro de los ocho elec trones necesarios para rellenarlo com pletam ente (Figura 2.1a). Ya que un orbital externo com pleto es necesario para el estado qum ico ms estable del tom o, los tomos de carbono tienden a asociarse entre s o con tom os carentes de electrones, perm itiendo a los tom os adyacentes a com partir un par de electrones. Para cada uno de esos pares, un electrn procede de cada uno de los tom os. Los tomos que com parten electrones entre s de esta manera se dice

(b) Algunas nKilculas orgnicas simples con enlaces simples

H

:c ::c ;

.H-H

.p ::c::q .Dixido de carbono

H-

EMeno

(CH j-CH j)

(COj)

(c) Algunas molculas simples con enlaces dobles

:n ::n :

h

:c : ; n :

Nitrgeno molecular Cianuro de hidrgeno ( N j) (HCN)

(d) Algunas motculas simples con enlaces triplesFigura 2.1 Configuracin electrnica de algunos tomos y molculas Importantes biolgicamente. .S muestran las cnfi|;uracionc$ electrnicas de los tomos de cjrlM)iui, oxigeno, hidrgeno y nitrgeno (a) y de molculas rgnicas simples con enlaces sencillos (b), dobles enlates (c) y triples enlaces (d). nicamcnte se muestran los electrones del orbital electrnico m.is externo. En cada caso, los electrones local 7 :ados entre tomos adyacentes representan un par de electrones compartido, cada uno de ellos perteneciente a tomo. Los electrones del carbono, oxigeno, hidrgeno y nitrgeno son negros, rosas, azules y grises, respeclivamentc. (Todos los electrones son equivalentes, por supuesto, el cdigo de color es simplemente para ilustrar qu electrones proceden de cada tomo.)

que estn unidos por un enlace covalente. Los tom os de carbono tienen mucha probabilidad de form ar enlaces covalentes entre si y con tom os de o.\igeno (O ), hidrgeno (H ), nitrgeno (N ) y azufre (S). Ij s configuraciones electrnicas de varios de estos to mos se muestran en la Figura 2.1a. Obsrvese que, en cada caso, uno o ms electrones son necesarios para com pletar el orbital externo. El nm ero de electrones ausentes co rresponde en cada caso con la valencia del tom o e indica el nmero de enlaces covalentes que puede form ar el to mo. El carbono, el oxgeno y el nitrgeno son los elem en tos ms ligeros que form an enlaces covalentes com partien do pares de electrones. El bajo peso atm ico hace a los compuestos resultantes especialm ente estables porque la

20

Captulo 2

La qumica de la clula

fuerza del enlace covalente es inversamente proporcional a los pesos atmicos de los elementos implicados en el enlace. Los compuestos orgnicos estables tienen cuatro enla ces covalentes por cada tom o de carbono debido a que se necesitan cuatro electrones para llenar el orbital ms exter no del carbono. El m etano, el etanol y la m etilaniina son algunos ejemplos simples de estos compuestos que con tie nen nicamente enlaces senciilos entre los tom os (Figura 2.1b). /Mgunas veces, dos o incluso tres pares de electrones pueden ser com partidos por los tom os dando lugar a d o bles enlaces o triple-s enlaces. K etileno y el dixido de 1 carbono son ejem plos de compuestos con dobles enlaces (Figura 2.1c). Encontram os triples enlaces en el nitrgeno (N ,) molecular y en el cianuro de hidrgeno (Figura 2.1 d). De esta forma, tanto la valencia com o el bajo peso atm ico confieren al carbono propiedades nicas responsables de la diversidad y de la estabilidad de los compuestos que co n tienen carbono, y confieren al carbono un pap>el prom i nente en las molculas biolgicas.

100-

Energas de enlaces covalentes

5E Fosfocrealina i

g 10- ATP < D

J

Energia de hidrlisis tje enlaces fosfato

ra5) c 0}II

Enlaces no covalentes1-

ujEnerga vibracional (trmica)

0,1

Figura 2.2 Energia de los enlaces en las transkiones con Impoftancia Wotgica. Observe que la energa est en escalalogartmica para representar amplios rangos de valores.

Las molculas que contienen cartono son establesG )m o ya se ha sugerido, la estabilidad de las molculas o r gnicas es una propiedad de la configuracin electrnica favorable de cada tom o de carbono en la molcula. La es tabilidad se expresa en trm inos de energa de enlace la cantidad energia requerida para romper un mol (alrededor de 6 X 1(H-*) de sus enlaces . (El trmino energa de enlace es una fuente frecuente de confu.sin. Tenga precaucin para no pensar en ella com o la energa que est de alguna forma almacenada en el enlace, sino com o la cantidad energa que es necesaria para romper el enlace). Las energas del en lace se e.xpresan normalmente en caloras por mol (cal/mol), siendo una calora la cantidad energa necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua 1 grado centgrado'. Romper un enlace covalente recjuiere una gran can tidad energa. Por ejemplo, el enlace carbono-carbono (C C tiene una energa de enlace de 83 kilocaloras por >) mol (kcal/mol). La energa de enlace de los enlaces carb o no-nitrgeno (C N), carbono-oxgeno (C O) y car bono-hidrgeno (C H) est en el mism o rango: 70, 84 y 99 kcal/mol, respectivamente. Se requiere incluso ms energa para romper un doble enlace carbono-carbono (C==C; 146 kcal/mol) o un triple enlace carbono-carbono ( C ^ C ; 212 kcal/mol), por lo que estos compuestos son an ms estables. Podemos apreciar la im portancia de estas energas de enlace comparndolas con otros valores de energa rele vantes, com o se m uestra en la Figura 2.2. U mayora de los

jul y kilojutm . El julio O)

' Unergia, calor y trabajo pueden exprtsars cumu Cihriof y kilocaloras o en la unidad que utiy^n los fsicos y algunos bioqumicos; la calora (cali se sigue utilizando en la mayora de textos de biologa celular, incluido este. La conwrsin es sencilla: l cal 4.18^4 1, o 1 1 - 0U39 cal. De igual manera 1 kcl = 4.184 kl o I kj = 0.2.W kcal.

enlaces no covalentes presentes en molculas biolgicas im portantes tienen energas de slo unas pocas kilocalor as por m ol, y la energa de la vibracin trmica es incluso ms baja alrededor de 0,6 kcal/mol . Los enlaces cova lentes tienen una energa m ucho ms alta que los enlaces no covalentes y por lo tanto son estables. La idoneidad del enlace carbono-carbono para la qu mica biolgica de la tierra es especialmente clara cuando se compara su energa con la de la radiacin solar. Com o se indica en la Figura 2.3 existe una relacin inversa entre la longitud de onda de la radiacin electrom agntica y su contenido energtico. La energa de la radiacin electro magntica est relacionada especficamente con la longi tud de onda a travs de la ecuacin E - 28.600//, donde /. es la longitud de onda en nm, E es la energa en kilocaloras por einstein y 28.600 es una constante con las unidades kcal-nm/einstein. (Un einstein es igual a un mol de foto nes). Usando esta ecuacin se puede calcular que la parte visible de la luz solar (longitud de onda de 4 0 0 -7 0 0 nm ) tiene una energa ms baja que el enlace carbono-carbono. Por ejem plo, la luz verde con una longitud de onda de 500 nm tiene un contenido de energa de alrededor de 57,2 kcal/einstein. Por lo tanto, la energa de la luz verde est muy por debajo de la energa de los enlaces covalentes ( vase Figura 2.2). Si ste no fuese el caso, la luz visible po dra romper espontneamente los enlaces covalentes, y la vida tal y com o la conocem os no existira. La Figura 2,3 ilustra otro punto im portante: el peligro que posee la radiacin ultravioleta para las molculas b io lgicas. Con una longitud de onda de, por ejem plo, 300 nm, la luz ultravioleta tiene un contenido de energa de alrede dor de 95,3 kcal/einstein, claram ente suficiente para rom per espontneam ente enlaces carbono-carbono. Esta am e naza subyace a la preocupacin actual de las poblaciones ms que destruyen la capa de ozt>no en la parte superior de

La importancia del cartxxio

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CHj - CHjEtano

CHg CHj CH3Propano

CH2=CH2Etilene

CH =C H Acetileno

X = longitud de onda (nm)

Rgura 2.4 Algunos compuestos hidrocarburos sencillos. Los compuestos de la tila superior tienen nicamente enlaces sencillos mientras que los de la segunda fila tienen dobles o triples enlaces. 1.a estructura condcnsada mostrada en la parte derecha para el benceno es un ejemplo de las estructuras simplificadas que usan frecuentemente los qumicos para estos compuc-stos.

Figura 2.3 Relacin entre energa {) y longitud de onda (/.) de la radiacin etectromagntlca. Las lneas discontinuas marcan lacncr}?a de los enlaces H, C C y C N.

la atm sfera ya que la capa de ozono filtra gran parte de la radiacin ultravioleta que podria de otra forma alcanzar la superficie de la tierra y causar estragos en los enlaces covalentes que literalmente mantienen unidas a las molculas biolgicas.

Las molculas que contienen carbono son diversasLos compuestos que contienen carbono se caracterizan, adems de por su estabilidad, porque se pueden generar una gran diversidad de molculas a partir de relativamen te pocas clases de tomos. O tra vez, esta diversidad se debe a la naturaleza tetravalente del tom o de carbono y de la propensin resultante que cada tom o de carbono tiene para form ar enlaces covalente con otros cuatro tomos. Debido a que uno o ms de esos enlaces se pueden formar con otros tomos de carlx)no se pueden construir m olcu las constituidas por cadenas largas de tom os de carbono. Los compuestos en forma de anillo son tambin comunes. La introduccin de puntos de ram ificacin y de dobles y triples enlaces en la.s cadenas de carbono-carbono posibili ta una variedad mayor. Cuando nicamente se usan tom os de hidrgeno para com pletar los requerimientos de valencia de estas m olcu las, lineares o circulares, los compuestos resultantes se de nom inan h id ro carbu ros (Figura 2.4). Los hidrocarburos son muy im portantes econm icam ente ya que la gasolina y otros derivados del petrleo son mezclas de hidrocarburos

de cadena corta com o es el octano, compuesto de ocho tomos de carbono (C^FI,^). Por otro lado, los hidrocarburos tienen un papel muy limitado en biologa debido a que son e.sencialmente insolubles en agua, el solvente universal de los sistemas biolgi cos. .Sin embargo, existe una excepcin im portante a esta regla general: el interior de cada mem brana biolgica es un medio no acuoso en el que las colas de las molculas de fosfolpidos que se proyectan al interior de la m embrana desde cada superficie excluyen al agua y a los compuestos solubles en agua. Q )m o veremos dentro de poco, esta pro piedad de las mem branas tiene im plicaciones im portantes para desempear su papel com o barrera de permeabilidad. La mayora de los compuestos biolgicos contienen, adems de carbono e hidrgeno, uno o ms tom os de ox geno y a menudo nitrgeno, fsforo o azufre. Hstos tom os habitualmente forman parte de varios grupos funcionales que confieren solubilidad en agua y reactividad qum ica a las molculas que los contienen. Incluso las molculas de fosfolpidos cuyas colas hidrocarbonadas contribuyen de manera im portante a la naturaleza hidrofbica del interior de las mem branas contienen tom os diferentes al hidrge no y al carbono. En la Figura 2.5 se muestran algunos de los grupos fun cionales ms com unes pre.sentes en las molculas biolgi cas. Varios de sus grupos estn ionizados o protonados (es decir, que han perdido o ganado un protn, respectiva m ente) a valores de pH cercanos al pH neutro de la mayo ra de las clulas, incluyendo los grupos carboxilo y fosfato cargados negativamente y el grupo am ino cargado positi-

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Capitulo 2

Ui qumica de la clula

Plano de simetra

-c-aCarboxilo

-o-p-oI oFosfato

-'N H 3

Amino (b) Grupo cargado positivamente

(a) Grupos cargadosnegativarriente

-O H Hidroxilo

-S H Sulfidrilo

- C Carbofiilo

- C - H Aldehido

(c) Grupos neutros polares

Figura 2.S Algunos grupos funcionaies comunes presentes en las molcuias biolgicas. Cada grupo funcional se muestra en laforma en la que predomina al pH Msi neutro de la mayor parte de las clulas, (a) Los grupos fosfato y carboxilo estn ionizados y, por lo tanto, cargados negativamente, (b) Por el contrario el grupo amino esta protonado y por lo tanto cargado positivamente, (c) Los grupos hidroxilo, sulfidrilo, carbonilo y aldehido no tienen carga a valores de pH ms prximos a la neutralidad pero son mucho ms polares que los hidrocarburos y, por lo tanto, confieren una mayor polaridad y com o consecuencia una mayor solubilidad en agua a las molcula.^ orgnicas a las que estn unidos. Marx) izquierda Mano derecha

Figura 2.6 Estereoismeros. Los estereoismeros de los compuestos orgnico.s se produce cuando cuatro grupt)s diferentes estn unidos a un tomo de carbono tetradrico. Los estereoismeros, como la mano derecha c i/.quicrda, son imgenes especulares que no se pueden superponer, ( la lnea discontinua del centro de la figura representa el plano de simetra que se puede considerar como el plano de un espejo.)

vameiUe. O tros grupos conio los grupos hidroxilo, siilfuirilo, cm bonilo y aldehido no estn cargados a pH neutros. Sin embargo, stos causan una redistribucin significativa de electrones en las molculas a las que estn unidos, co n fi riendo por lo tanto a esas molculas una mayor solubilidad en agua y reactividad qumica.

Las molculas que contienen carbono pueden formar estereoismerosIj s molculas que contienen carbono .s, iones de sodio y cloro est representado a escala.

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Captulo 2

La qumica de la clula

Ms frecuentemente, las molculas orgnicas carecen de carga neta, es decir, no han ganado ni perdido protones y son por lo tanto molculas neutras. Sin embargo, muchas molculas orgnicas son hidrofilicas por tener algunas re giones cargadas positivamente y otras regiones cargadas negativamente. l.a.s molculas de agua tienen a reunirse al rededor de estas regiones, y las interacciones electroestticas resultantes entre soluto y las molculas de agua evitan que las molculas del soluto se asocien. Ixjs compuestos que contienen grupos hidroxilo, sulfidrilo, carlxinilo o al dehido, com o se m uestran en la Figura 2.5, se incluyen ha bitualmente en esta categora. Las molculas hidrofbicas, por otro lado, no tienen este tipo de regiones polares y por lo tanto no muestran tendencia a interaccionar electrostticam ente con las m o lculas de agua. De hecho, rompen la estructura de los puentes de hidrgeno del agua y por esta razn tienden a ser excluidas de las molculas de agua. Por tanto, las m ol culas hidrofbicas tienden a coalescer en un medio acuoso, asocindose entre ellas ms que con el agua. Esta asocia cin se debe ms a la fuerte tendencia de las molculas de agua para form ar puentes de hidrgeno y excluir a las molculas que rompen dichos puentes, que a la afinidad especfica de las molculas hidrofbicas entre ellas. Com o veremos ms tarde en el capitulo, estas asociaciones de molculas hidrofbicas (o partes de molculas) consti tuyen una fuerza muy im portante en el plegamiento de molculas, el ensam blaje de estructuras celulares y la orga nizacin de las membranas.

protenas d e membrana. En la mayora de organismos, sal vo las bacterias, las m em branas tam bin contienen esteroles-coleslerol en el caso de clulas animales y fitosteroles enlas mem branas de las clulas vegetales. (No se preocupe si no se ha encontrado anteriorm ente con estos tipos de m o lculas; las veremos en el Captulo 3). La mayora de los lpidos y protenas de mem brana no son simplemente hidrofbicos, tienen regiones tanto hdroflicas com o hidrofbicas y se denominan m olculas anfp ticas (el prefijo griego anf: significa de dos clases). La naturaleza anfiptica de los fosfolpidos de membrana se ilustra en la Figura 2.11, que muestra la estructura de la

La importancia de las membranas con permeabilidad selectivaCada clula u orgnulo necesita algiin tipo de barrera fsica para mantener dentro a sus contenidos y fuera a los m ate riales externos, as com o algunos mecanismos para con tro lar el intercambio entre su medio interno y externo. De m a nera ideal, una barrera com o sta debera ser impermeable a la mayor parte de las molculas e iones presentes en las c lulas y sus alrededores. De otra forma, las sustancias po dran difimdir libremente hacia el interior y el exterior, y la clula no tendra un contenido definido en absoluto. Por otro lado, la barrera no puede ser completamente im perm e able, ya que entonces no podran tener lugar los intercam bios necesarios entre la clula y su medio. Adems, una ba rrera com o sta debe ser insoluble en agua, de forma que no sea disuelta por el medio acuoso de la clula. Al mismo tiempo, debe ser realmente permeable al agua ya que el agua es el solvente bsico de la clula y debe ser capaz de fluir ha cia el interior o exterior de la clula segn sea necesario. C om o cabra esperar, las membranas que rodean a c lulas y orgnulos satisfacen admirablem ente esos criterios. Una m em brana es esencialmente una barrera de perm ea bilidad hidrofbica que contiene fosfolpidos, glicolpidos y

(a) Estructura de losfosfolipidos

(b)

Simboto de fosfolipido

(a) Una molcula de fosfolipidos est lortnada por dos colas no polares (amarillas) y una cabeza polar (naranja). F.n la figura se muestra la fosfatidii ctanilomina, un ejemplo de fosfolipidi) de membrana del grupo de los fosfogliccridos. La polaridad de la cabeza de una molcula de fosfolipido deriva de un grupo fosfato cargado negativamente unido a un grupo cargado positivamente un grufto amino, en el caso de la fosfatidii ctanilomina . Otros fosfoglicridos comunes con un grupo fosfato y un grupo amino incluyen a la fosfatidii scrina y la fosfatidii colina.(b) Una molcula de fosfolipido se representa esquemticamente a menudo mediante un crculo para cabeza polar (observe la carga positiva y negativa) y lneas en zigzag para las cadenas hidrocarbonadas no polares.

Figura 2.11 membrana,

La naturaleza anfiptica de k fosfolpidos de

La importancia de las membranas con pernieabdidad selectrua

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fosfatdil etanolam ina, un fosfolpido abundante en lamayora de las membranas (fosfatdil etanolam ina es un ejem plo se fosfoglicrUo, la principal clase de fosfolpidos de m em brana de la mayora de las clulas. la Figura 3.27 para ms ejem plos de fosfoglicridos y otras clases de fosfolpidos de m em brana). La caracterstica distintiva de los fosfolpidos anfipticos es que cada molcula consiste en una cabeza polar y dos colas hidrocarbonadas no polares. La polaridad de la cabeza hidroflica se debe a la presencia de un grupo fosfato cargado negativamente uni do a un grupo con carga positiva, un grupo am ino en el caso de la fosfatdil etanolam ina y la mayora de fosfoglic ridos.

Agua C aoeza polar (hidrofilica) Bicapa lipidica Colas rK polares > (hidrofbicas) Cab 9za polar (hidrof(lica)

Agua

Una membrana es una blcapa lipidica con protenas embebidas en ellaCuando se expone a un medio acuoso, las molculas anfipticas experimentan interacciones hidrofbicas. En una m em brana, por ejem plo, los fosfolpidos se organizan en dos capas, con las cabezas polares orientadas hacia el m e dio acuoso externo de am bos lados y las colas hidrofbicas escondidas del agua mediante interacciones con las colas de otras molculas orientadas en la direccin opuesta. La estructura resultante es la bicapa lipidica mostrada en la Figura 2.12. Las cabezas de las dos capas se orientan hacia afuera v las colas hidrocarbonadas se extienden hacia

Figura 2.12 La bicapa lipidica como base de la estructura de la membrana. Debido a su naturalc/a anfiptica, los fosfolpidos en un medio acuoso se orientan formando ima doble capa con las colas hidrofbicas (grises) ocultas en la parte interior, y las cabezas hidroftlicas (naranja) orientadas hacia el medio acuoso de ambas caras de la membrana.

adentro, form ando la estructura interior hidrofbica de la membrana. Cada m em brana biolgica conocida tiene una bicapa lipidica com o estructura bsica. Cada uno de los lpidos tienealrededor de 3-4 nm de grosor, de forma que la bica pa tiene una anchura de alrededor de 7-8 nni. La bicapa li pidica confiere a las membranas su apariencia caractersti ca de va de tren cuando se observa con el microscopio electrnico de transmisin (TEM ; Figura 2.13 a). El osm io que se emplea para preparar el tejido para microscopa

Espacio intercelular Membrana celular Clula1

^ Membrana , celular I ^ Clula 2

Cadenas laterales de caroohidratos Protanas

^ Bicapa lipidica

Regieras hidrotilicas Regiones hidrofbicas

25 nm (a) Micrografia electrnica de las menrtbranas de dos clulas adyacentes

Canal hidroflico

(b) Modelo de una membrana como una bicapa pdica con protenas embebidas

Rgura 2.13 Membranas y estructura de membrana, (a) Las membranas celulares que rodean dos clulai adyacentes parecen un par de bandas oscuras en el microscopio electrnico. Esta apariencia caracterstica trilaminar, o en de tren, se cree que es debida a la asociacin del osmio con las cabezas hidrofUicas de las molculas de fosfolpidos y no con las colas hidrofbicas com o se muestra en esta micrografia electrnica (TEM ). (b) Las membranas biolgicas consisten en protenas anfipticas embebidas en una bicapa lipidica. Las protenas se posicionan en la membrana de forma que las regiones hidrofbicas (rosa claro) estn localizadas en el interior hidrofbico de la bicapa de fosfolpidos y sus regiones hidrofilicas (rosa oscuro) estn expuestas al medio acuoso en cualquier superficie de la membrana. Las cadenas cortas unidas a la superficie superior a algunas de las protenas de membrana representan cadenas laterales de carbohidratos.

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Capitulo 2

La qumica de la clula

electrnica reacciona aparentemente con las cabezas h i droflicas de las molculas de fosfoUpidos en ambas super ficies de la m em brana, pero no con las colas hidrofbicas en el interior de la membrana, lo que da a la m em brana su apariencia trilam inar (ircs capas). En la Figura 2.13b se ilustra la estructura de las m em branas biolgicas. Diversas protenas de m em brana se en cuentran em bebidas dentro o asociadas a la m em brana li pidica. Estas protenas son ca.si siempre anfipticas y se orientan en la bicapa lipidica de acuerdo con esto: las re giones hidrofbicas de la protena se asocian con el interior de la membrana, mientras que las regiones hidroflicas so bresalen hacia el medio acuoso en cualquiera de las super ficies de la mem brana. Algunas protenas de la m embrana plasmtica tienen cadenas laterales de carbohidratos u ni das a sus superficies externas. Dep>endiendo de la mem brana en particular, las prote nas de mem brana pueden desempear una o varias fun ciones. Algunas son protenas transportadoras, responsa bles del movim iento de sustancias especfica.s a travs de membranas impermeables. Otras son enzimas que catali zan reacciones asociadas con la membrana especfica. Otras son receptores de la superficie e.xlerna de la m em brana celular, intermediarios del transporte de electrones de la m embrana mitocondrial, o protenas de unin a la clo rofila en los cloroplastos. En captulos sucesivos nos en contrarem os con cada uno de esos tipos de protenas de membrana, comenzando en el Captulo 4 (vase com o ejem plo la Figura 4.9).

Por supuesto, resulta esencial el que las clulas tengan m ecanism os para transferir iones com o Na^ y K * as com o de una amplia diversidad de molculas polares a tra vs de las membranas, que seran de otra forma im perm ea bles para estas sustancias. C om o se ha m encionado ya, las m em branas estn equipadas con protenas transportado ras que desempean esta funcin. Una protena tran.sportadora es una protena transm em brana especializada, que sirve o bien com o un canal hidroflico a travs de una mem brana hidrofbica, o com o un transportador que se une a un soluto especfico en una cara de la mem brana y entonces sufre un cam bio conform acional para mover el soluto a travs de la mem brana. Tanto los canales com o los transportadores son espec ficos para una molcula o un ion en particular (o, en algu nos caso.s, para una clase de molculas o iones muy rela cionados). Adems, la actividad de estas protenas puede ser regulada cuidadosamente para satisfacer las necesida des de las clulas. Com o resultado, las membranas biolgi cas se pueden describir com o selectivamente permeables: con la excepcin de las molculas muy pequeas, las nicas molculas o iones que se pueden mover a travs de una mem brana en particular son aquellas para los cuales exis ten protenas de transporte adecuadas en la membrana.

La importancia de la sntesis por polimerizacinLas estructuras celulares com o los ribosom as, crom oso mas, membranas, flagelos y paredes celulares estn com puestas mayoritariamente por conjuntos ordenados de polmeros lineales denom inados m acrom olculas. (Se producen ram ificaciones en los acmulos de almidn y glucgeno, pero los polmeros biolgicos son generalm en te lineales.) C om o ejem plos de macrom olculas im portan tes en las clulas se incluyen las protenas, los cidos nuclei cos (tanto el DNA com o el RNA) y los polisacridos com o el alm idn, el glucgeno y la celulosa. (Los lpidos se desig nan en algunas ocasiones com o macrom olculas. Sin em bargo, difieren en la forma en que se sintetizan de las otras clases de macrom olculas, y no se discutirn hasta el Cap tulo 3.) Las macrom olculas son muy im portantes tanto en la estructura com o en la funcin de las clulas. La com prensin de las macrom olculas cm o estn hecha.s, cm o se ensamblan y cm o funcionan es necesaria para com prender las bases bioqum icas de la biologa celular

Las membranas son selectivamente permeablesDebido a su interior hidrofbico, la membrana es realm en te permeable a molculas no polares, pero es relativamen te impermeable a la mayora de molculas polares y muy impermeable a todos los iones. Ya que la mayora de los constituyentes celulares son o bien polares o bien estn cargados, tienen una afinidad escasa o nula por el interior de la m embrana y as se evita eficazmente su entrada o sa lida de una clula o de un orgnulo. Sin embargo, las m o lculas muy pequeas son una excepcin. Los compuestos con pesos moleculares por debajo de aproximadamente 1(K) difunden a travs de las membranas independiente mente de que sean no polares (com o el O , y el CO^) o po lares (com o el etanol y la urea). El agua es un ejem plo es pecialmente im portante de una molcula muy pequea, que aunque sea polar, difunde rpidamente a travs de las membranas. Por el contrario, incluso los iones ms pequeos son excluidos eficazmente del interior hidrofbico de la m em brana. Por ejem plo, una bicapa lipidica es al m enos 10* ve ces menos permeable a pequeos cationes com o el Na^ o el K ^ que al agua. Esta diferencia llamativa se debe tanto a la carga de los iones com o a la esfera de hidratacin que los rodea.

Las macromolculas son responsables de la forma en la funcin de los sistemas vivientesLa im portancia las macrom olculas en biologa celular est enfatizada por la jerarqua celular que se muestra en la Fi gura 2.14. Los compuestos de los que estn hechas la m a yora de estructuras celulares son pequeas molculas org-

La importancia de la sintesis por polimerizacin

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Ntvtl 1 Molculas orgnicas pequeras

9*^oh

Nivel 4 Orgnulos y otras estructuras

Ncleo

Nivel 5 La clula

Pared ceKilar Ncleo Pared celular Membrana celular Ckxopiasto MItocondria

Rgura 2 .1 4 La naturaleza Jerrquica de las estructuras celulares y de su ensamblaje. Las niolcula.s orgnicas pequeas (nivel 1) se sintetizan a partir de sustancias simples inorgnicas y polimerizan para formar macromolculas (nivel 2). Las macromolculas se ensamblan entonces para formar estructuras supramolevularcs (nivel 3) que forman parte de los orgnulos y otras cstruauras celulares ( nivel 4) y por ltimo de la clula (nivel 5). (Las estructura supramoleculares mostradas en el nivel 3 son ms complejas en cuanto a su composicin qumica que lo que sugiere esta figura. Por ejemplo, los cromosomas contienen protenas adems de DNA de hecho aproximadamente en la misma proporcin . De forma similar, las membranas contienen no slo protenas sino tambin una amplia variedad de lpidos y las paredes celulares contienen no slo celulosa, sino tambin otros carbohidratos y protenas.)

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Captulo 2

La qumica de la clula

electrnica reacciona aparentemente con las cabezas hidroflicas de las molculas de fosfolpidos en ambas super ficies de la m em brana, pero no con las colas hidrofbicas en el interior de la mem brana, lo que da a la mem brana su apariencia trilam inar (tres capas). En la Figura 2.13b se ilustra la estructura de las m em branas biolgicas. Diversas protenas de mem brana se en cuentran embebidas dentro o asociadas a la m em brana li pidica. Estas protenas son casi siempre anfipticas y se orientan en la bicapa lipidica de acuerdo con esto: las re giones hidrofbicas de la protena se asocian con el interior de la mem brana, mientras que las regiones hidrofilicas so bresalen hacia el medio acuoso en cualquiera de las super ficies de la mem brana. Algunas protenas de la membrana plasmtica tienen cadenas laterales de carbohidratos uni das a sus superficies externas. Dependiendo de la mem brana en particular, las prote nas de mem brana pueden desempear una o varias fun ciones. Algunas stin p rofan as transportadoras, responsa bles del movim iento de sustancias especficas a travs de membranas impermeables. O tras son enzimas que catali zan reacciones asociadas con la membrana especfica. O tras son receptores de la superficie externa de la m em brana celular, intermediarios del transporte de electrones de la membrana m itocondrial, o protenas de unin a la clo rofila en los cloroplastos. En captulos sucesivos nos en contrarem os con cada uno de esos tipos de protenas de membrana, comenzando en el Captulo 4 (v?ecialmente im portante de una molcula muy pequea, que aunque sea polar, difunde rpidamente a travs de las membranas. Por el contrario, incluso los iones ms pequeos son excluidos eficazmente del interior hidrofbico de la m em brana. Por ejem plo, una bicapa lipidica es al menos 10 ve ces m enos permeable a pequeos cationes com o el Na^ o el que al agua. Esta diferencia llamativa se debe tanto a la carga de los iones com o a la esfera de hidratacin que los rodea.

Las macromolculas son responsables de la forma en la funcin de los sistemas vivientesLa im portancia las macrom olculas en biologa celular est enfatizada por la jerarqua celular que se muestra en la Fi gura 2.14. Los compuestos de los q