2. Gerald Karp | Quinta edicinTraduccin: Juan Roberto Palacios MartnezMXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALALISBOA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SAO PAULOAUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHISAN FRANCISCO SIDNEY SINGAPUR ST. LOUIS TORONTO 3. Director editorial: Javier de Len FragaEditor sponsor: Camilo HerasCorreccin de estilo: Armando Ruiz CaldernSupervisora de edicin: Norma Garca CarbajalDiseo de portada: Eleazar MaldonadoComposicin y formacin: Arturo Rocha HernndezSupervisora de produccin: ngela Salas Caada NOTA La medicina es una ciencia en constante desarrollo. Conforme surjan nuevos conocimientos, se requerirn cambios de la teraputica. El (los) autor(es) y los editores se han esforzado para que los cuadros de dosificacin medicamentosa sean precisos y acordes con lo establecido en la fecha de publicacin. Sin embargo, ante los posibles errores humanos y cambios en la medicina, ni los editores ni cualquier otra persona que haya participado en la preparacin de la obra garan- tizan que la informacin contenida en ella sea precisa o completa, tampoco son responsables de errores u omisiones, ni de los resultados que con dicha informacin se obtengan. Convendra recurrir a otras fuentes de datos, por ejemplo, y de manera particular, habr que consultar la hoja informativa que se adjunta con cada medicamento, para tener certeza de que la informacin de esta obra es precisa y no se han introducido cambios en la dosis recomendada o en las contrain- dicaciones para su administracin. Esto es de particular importancia con respecto a frmacos nuevos o de uso no frecuente. Tambin deber consultarse a los laboratorios para recabar infor- macin sobre los valores normales.BIOLOGA CELULAR Y MOLECULARConceptos y experimentosProhibida la reproduccin total o parcial de esta obra,por cualquier medio, sin autorizacin escrita del editor.DERECHOS RESERVADOS 2009, 2005, 1998 respecto a la tercera edicin en espaol por,McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C.V.A subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Col. Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C. P. 01376, Mxico, D.F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. No. 736ISBN 13: 978-970-10-6925-7ISBN edicin anterior: 970-10-5376-1Translated from the fifth English edition of:Cell and Molecular Biology. Concepts and ExperimentsCopyright 2008 John Wiley & Sons, Inc.All Rights ReservedISBN 13: 978-0-470-04217-5ISBN 10: 0-470-04217-6123456789008765432109Impreso en Mxico Printed in Mexico 4. Prefacio a la quinta edicinAntes de comenzar a trabajar en la primera edicin deeste texto, elabor varios lineamientos bsicos para eltipo de libro que planeaba escribir.Deseaba un texto adecuado para un curso introductorio debrimiento cientco y muestran cmo el resultado de unestudio genera preguntas que proporcionan la base para estu-dios subsecuentes.Deseaba un texto interesante y uido. Con el n de que ellibro fuera ms relevante para los estudiantes que todava nobiologa celular y molecular que pudiera cubrirse en un concluyen sus cursos, en particular para los mdicos an sinsemestre o uno o dos trimestres. Resolv elaborar un texto de graduarse, inclu Perspectiva humana. Estas secciones mues-unas 800 pginas que no abrumara o desalentara a los estu-tran que, casi sin excepcin, todos los trastornos humanosdiantes de este nivel.pueden seguirse hasta la alteracin de las actividades celula- Deseaba un libro basado en conceptos fundamentales, comores y moleculares. Ms an, evidencian la relevancia de lala relacin entre estructura y funcin moleculares, el carcter investigacin bsica como la va para comprender y, nal-dinmico de los organelos celulares, el uso de energa qumi- mente, tratar la mayora de los trastornos. Por ejemplo, en elca para llevar a cabo las actividades celulares y asegurar la captulo 11, Perspectiva humana describe cmo los siRNAbiosntesis macromolecular precisa, la unidad y diversidad apequeos y sintticos pueden ser una herramienta nueva ylos niveles macromolecular y celular, y los mecanismos quevaliosa en la teraputica del cncer y enfermedades virales,regulan las actividades celulares.incluido el sida. En el mismo captulo, el lector conocer Pretenda un volumen que se basara en la conducta experi- cmo se descubri la accin de estos RNA en estudios demental. La biologa celular y molecular es una ciencia experi-nematodos. Resulta obvio que nunca es posible predecir lamental y, al igual que la mayora de los instructores, pensimportancia prctica de la investigacin bsica en biologaque los estudiantes deban adquirir cierta informacin sobrecelular y molecular. Asimismo, durante todo el texto intentla manera en que obtenemos el conocimiento. Con esta idea incluir informacin relevante sobre biologa humana y apli-en mente, decid abordar la naturaleza experimental de este caciones clnicas.tema en dos formas. A medida que escrib cada captulo, Deseaba un programa de ilustraciones de alta calidad queinclu sucientes pruebas experimentales para justicar llevara a los estudiantes a visualizar procesos celulares ymuchas de las conclusiones que se han inferido. En el trans-moleculares complejos. Para satisfacer este objetivo, muchascurso de la elaboracin del texto describ las caractersticasde las guras se escalonaron de tal manera que la informa-sobresalientes de las tcnicas experimentales y las metodolo- cin pudiera descomponerse con mayor facilidad en partesgas de investigacin fundamentales. Por ejemplo, los captu- manejables. En las guras o el texto correspondiente se des-los 8 y 9 incluyen secciones de introduccin sobre tcnicas criben los acontecimientos que ocurren en cada paso. Asi-que han resultado muy importantes en el anlisis de las cito- mismo, busqu incluir un gran nmero de micrografas de talmembranas y el citoesqueleto, respectivamente. Inclu en el modo que los estudiantes pudieran ver las representacionescuerpo de los captulos comentarios breves sobre experimen- actuales de la mayor parte de los temas que se discuten. Entretos seleccionados de gran importancia para reforzar la base las ilustraciones se incluyen muchas micrografas de uores-experimental de nuestros conocimientos. Coment los aspec-cencia para mostrar las propiedades dinmicas de las clulastos ms detallados de las metodologas en el captulo nalo proporcionar un medio para localizar una protena o unaporque: a) no deseaba interrumpir el ujo del comentario de secuencia de cido nucleico especca. Siempre que fue posi-un tema con una seccin tangencial extensa sobre tecnologa ble, intent relacionar los dibujos de lnea con las microgra-y b) me di cuenta que los diferentes instructores preerenfas para ayudar a los estudiantes a comparar versionescomentar una tecnologa particular en relacin con diferentes esquematizadas y reales de una estructura.temas.Los cambios ms importantes en la quinta edicin puedenPara los estudiantes e instructores que desearan conocerdelinearse como sigue:la metodologa experimental con mayor profundidad, inclula seccin Vas experimentales al nal de cada captulo. Cada El cmulo de informacin sobre biologa celular y molecularuno de estos recuadros describe algunos de los hallazgoscambia de manera constante, lo que representa buena parteexperimentales clave que condujeron a la comprensin actual del entusiasmo que sentimos por nuestro campo de estudio.de un tema particular cuya importancia es relevante para el Aunque slo han transcurrido algunos aos desde la publica-captulo en cuestin. Debido a que su objetivo es limitado, cin de la cuarta edicin, se han modicado en mayor opuede considerarse con cierto detalle el diseo de los experi-menor grado casi todos los comentarios en el texto. Esto sementos. Las guras y los cuadros que se proporcionan en llev a cabo sin incrementar el volumen de los captulos.estas secciones son con frecuencia los que se publicaron en el Se revis cada ilustracin de la cuarta edicin, y varias de lasartculo de investigacin original, lo cual brinda al lector la que se utilizaron de nueva cuenta en la quinta edicin seoportunidad de examinar los datos originales y reconocer quemodicaron en cierto grado. Muchos de los dibujos de lasu anlisis no va ms all de su signicado. Las Vas experi- cuarta edicin se suprimieron a n de disponer de ms espa-mentales ilustran asimismo la naturaleza gradual del descu- cio para otros nuevos. Los instructores han mostrado unav 5. vi AG R A D E C I M I E N TO S aprobacin particular por las guras que yuxtaponen el dibu- edicin contiene ms de 60 micrografas e imgenes genera- jo de lnea y las micrografas y en la quinta edicin se amplidas por computadora nuevas, todas proporcionadas por la el uso de este estilo de ilustracin. En conjunto, la quinta fuente original.AGRADECIMIENTOSEn primer lugar me gustara agradecer a Peter van der Geer perseverante, y tengo toda la conanza en su capacidad paradel Department of Chemistry and Biochemistry de la Californiaobtener cualquier imagen que se le solicite. Tambin tuve unUniversity en San Diego y a Helen Kreuzer Martin del Pacicgran placer en trabajar con Anna por tercera ocasin. El libroNorthwest National Laboratory. Peter fue el principal responsa-tiene un programa de ilustraciones complejo y Anna llev a caboble de revisar el captulo 15 en la cuarta y la quinta ediciones.una soberbia labor en la coordinacin de las muchas facetasHelen se encarg de reorganizar y actualizar las secciones 12 anecesarias para guiarlo hasta su terminacin. El elegante diseo18 del captulo 18.del libro se debe a los esfuerzos de Madelyn Lesure, cuyos talen-Hay muchas personas en John Wiley & Sons que hicierontos son evidentes. Tambin me gustara agradecer a los artistasaportaciones valiosas a este libro. Agradezco especialmente ade Imagineering por crear todas las nuevas ilustraciones, y aGeraldine Osnato, notable editora del proyecto. Siempre queHeidi Bertignoll por su importante cometido de coordinar elnecesit consejo, sent la urgencia de gritar y quejarme airada yprograma de arte. Gracias asimismo a los profesores David Asailargamente o tuve la ocasin de pedir ayuda a Wiley, recurr a y Ken Robinson de la Purdue University por formular variasella. Gracias, Geraldine, por tu sabio consejo y aliento. Graciasinteresantes preguntas analticas de los captulos 2 a 5. Gracias atambin por dirigir el desarrollo de los diversos suplementos queStephen Reiss, quien manej la mayor parte de las comunicacio-ahora se ofrecen con este libro. Los suplementos impresos escri- nes editoriales y en forma generosa me ayud de muchas mane-tos por Nancy Pruitt y Joel Piperberg, antes descritos, siempreras durante el transcurso del proyecto. Gracias a Patrickhan sido excelentes recursos para estudiantes e instructores y,Fitzgerald, quien fue el editor de biologa al principio de estabajo la direccin de Geraldine, los suplementos en Internet tam- revisin, y a Kevin Witt, quien le sucedi. Ambos dieron un granbin se han convertido en un recurso invaluable. De manera apoyo a este proyecto. Un agradecimiento especial a Lauraespecial, estoy en deuda con el personal de produccin de Wiley, Ierardi y Gloria Hamilton, tan destacadas en sus profesiones.que son lo mejor. Barbara Russiello, editora de produccin, ha Laura distribuy hbilmente las pginas de cada captulo, ysido el sistema nervioso central de las tres ltimas ediciones.Gloria hizo un ndice indentado. Estoy agradecido, en especialBarbara es responsable de coordinar la informacin que llega decon Gloria por destinar tanto tiempo y esfuerzo adicionales paracapturistas, correctores, lectores de pruebas, ilustradores, edito-mejorar de manera notable la calidad del manuscrito.res grcos, diseadores y diagramadores, as como la oleada Estoy agradecido de modo especial con los bilogos queconstante de cambios de texto ordenados por el autor. Siempresuministraron las micrografas utilizadas en este libro; msserena, organizada y meticulosa, se asegur de que todo se hicie-que cualquier otro elemento, estas imgenes dan vida al estudiora correctamente. Hilary Newman y Anna Melhorn se encarga- de la biologa celular en la pgina impresa. Por ltimo, deseoron de los programas de fotografas y dibujos de lnea,disculparme, por adelantado, por cualquier error del libro, yrespectivamente. He tenido una gran fortuna al poder trabajarexpreso mi sincero pesar. Agradezco la crtica constructiva y elcon Hilary en las cinco ediciones de esta obra. Hilary es hbil yconsejo sano de los siguientes revisores:Revisores de la quinta edicin:Karl Aufderheide Arri Eisen Charles MalleryTexas A&M University Emory University University of MiamiAshok Bidwai Reginald HalabyAlan NighornWest Virginia University Montclair State University University of ArizonaDennis O. CleggRebecca HealdJames PattonUniversity of CaliforniaSanta Barbara University of CaliforniaBerkeleyVanderbilt UniversityRonald H. Cooper Marie JanickeDebra PiresUniversity of CaliforniaLos Angeles University at BualoSUNYUniversity of CaliforniaLos AngelesSusan DeSimone Jeannette M. Loutsch Donna RitchMiddlebury College Arkansas State UniversityUniversity of WisconsinGreen BayDavid DoeMargaret Lynch Harriett E. Smith-SomervilleWesteld State College Tufts University University of Alabama 6. AG R A D E C I M I E N TO S viiAdriana StoicaRoger W. DavenportMike ODonnellGeorgetown University University of MarylandRockefeller UniversityColleen TalbotBarry J. DicksonHugh R. B. PelhamCalifornia State Univerity, San Research Institute of Molecular Pathology MRC Laboratory of Molecular BiologyBernardinoJennifer A. DoudnaJonathan PinesPaul TwiggYale University Wellcome/CRC InstituteUniversity of NebraskaKearneyMichael EdidinJoel L. RosenbaumJose VazquezJohns Hopkins UniversityYale UniversityNew York University Evan E. Eichler Wolfram SaengerGary M. WesselUniversity of WashingtonFreie Universitat BerlinBrown UniversityRobert Fillingame Randy SchekmanEric V. WongUniversity of Wisconsin Medical SchoolUniversity of CaliforniaBerkeleyUniversity of LouisvilleJacek Gaertig Sandra SchmidUniversity of Georgia The Scripps Research InstituteTambin debo seguir agradeciendoRobert HellingTrina Schroera los siguientes revisores de las dos University of MichiganJohns Hopkins Universityediciones previas:Arthur HorwichDavid SchultzLinda AmosYale University School of MedicineUniversity of LouisvilleMRC Laboratory of Molecular Biology Joel A. HubermanJennifer W. SchulerGerald T. Babcock Roswell Park Cancer Institute Wake Forest UniversityMichigan State University Gregory D. D. Hurst Rod ScottWilliam E. BalchUniversity College London Wheaton CollegeThe Scripps Research InstituteKen JacobsonKatie ShannonJames BarberUniversity of North CarolinaUniversity of North CarolinaChapelImperial College of ScienceHaig H. Kazazian, Jr. HillWolfson LaboratoriesUniversity of PennsylvaniaJoel B. SheffieldJohn D. BellLaura R. Keller Temple UniversityBrigham Young UniversityFlorida State UniversityDennis ShevlinWendy A. Bickmore Nemat O. KeyhaniCollege of New JerseyMedical Research Council, UnitedUniversity of Florida Bruce StillmanKingdom Cold Springs Harbor LaboratoryNancy KlecknerDaniel BrantonHarvard UniversityGiselle ThibaudeauHarvard UniversityMississippi State UniversityWerner KhlbrandtThomas R. Breen Max-Planck-Institut fr Biophysik Jeffrey L.TravisSouthern Illinois UniversityUniversity at AlbanySUNYJames LakeSharon K. Bullock University of CaliforniaLos AngelesNigel UnwinVirginia Commonwealth UniversityMRC Laboratory of Molecular BiologyRobert C. LiddingtonRoderick A. Capaldi Burnham Institute Ajit VarkiUniversity of OregonUniversity of CaliforniaSan DiegoVishwanath R. LingappaGordon G. CarmichaelUniversity of CaliforniaSan FranciscoChris WattersUniversity of Connecticut Health Center Middlebury CollegeArdythe A. McCrackenRatna Chakrabarti University of NevadaReno Andrew WebberUniversity of Central Florida Arizona State UniversityThomas McKnightK. H. Andy Choo Texas A&M UniversityBeverly WendlandRoyal Childrens Hospitals Johns Hopkins UniversityThe Murdoch Institute Michelle MoritzUniversity of CaliforniaSan FranciscoGary YellenOrna Cohen-fixHarvard Medical SchoolNational Institute of Health, Laboratory of Andrew NewmanMolecular and Cellular BiologyCambridge UniversityMasasuke YoshidaJonathan Nugent Tokyo Institute of TechnologyPhilippa D. DarbreUniversity of Reading University of LondonRobert A. ZimmermanUniversity of Massachusetts 7. Para el estudianteE n la poca en que inici la licenciatura, la biologa gura-ba en una lista de posibles materias relevantes. Me ins-crib en un curso de antropologa fsica para satisfacer elrequerimiento acadmico por el camino ms fcil posible.Durante ese curso conoc por primera vez los cromosomas, la electrnico antes descrito, el investigador se aparta fsicamente del tema que estudia. En ms de un sentido, las clulas son como pequeas cajas negras. Hemos desarrollado muchas formas para investigar las cajas, pero siempre andamos a tientas en un rea que no es posible iluminar del todo. Se realiza un descubrimientomitosis y la recombinacin gentica y qued fascinado por laso se desarrolla una nueva tcnica y penetra un nuevo haz de luzintrincadas actividades que podan llevarse a cabo en el contornopequeo en la caja. Con un trabajo ms profundo, se ampla latan pequeo del espacio celular. El semestre siguiente curs una comprensin de la estructura o el proceso, pero siempre quedanintroduccin a la biologa y comenc a considerar con seriedad preguntas adicionales. Se crean construcciones ms completas yconvertirme en un bilogo celular. Lo estoy abrumando concomplejas, pero nunca podemos estar seguros de cunto seestas trivialidades personales a n de que comprenda por qu aproximan las imgenes a la realidad. A este respecto, el estudioescrib este libro y advertirle sobre las posibles repercusiones.de la biologa celular y molecular puede compararse con el estu-Aunque han transcurrido muchos aos, todava encuentro dio del elefante que llevan a cabo seis hombres ciegos en unala biologa celular como el tema ms fascinante de explorar y anantigua fbula india. Los seis viajan hacia un palacio cercano parapaso el da leyendo sobre los ltimos hallazgos realizados por conocer la naturaleza de los elefantes. Cuando llegan, cada uno secolegas de la especialidad. Por estas razones, escribir un texto acerca al elefante y comienza a tocarlo. El primer hombre toca unsobre biologa celular representa para m una razn y una opor-costado del animal y concluye que un elefante es tan liso comotunidad para mantenerme al tanto de lo que sucede en todo el una pared. El segundo toca el tronco y deduce que un elefante escampo. Mi objetivo principal al escribir este texto es ayudar acilndrico como una serpiente. Los dems tocan el colmillo, lacrear en los estudiantes una apreciacin de las actividades en las pierna, la oreja y la cola y cada uno se forma una impresin delque intervienen las molculas gigantes y las estructuras mins-animal a partir de sus experiencias personales limitadas. Los bi-culas que habitan el mundo celular de la vida. Otro objetivo eslogos celulares estn limitados en una forma similar cuando apli-proporcionar al lector una informacin sobre los tipos de pre- can una tcnica o un mtodo experimental particulares, aunqueguntas que formulan los bilogos celulares y moleculares y las cada nueva pieza de informacin se aade a un cuerpo de cono-conductas experimentales que utilizan para hallar respuestas. Acimientos preexistentes para delinear un concepto mejor de lamedida que lea el texto, piense como investigador, considere laactividad bajo estudio, el cuadro total no deja de ser incierto.prueba que se presenta, imagine explicaciones alternativas, pla-Antes de concluir estos comentarios introductorios, perm-nee experimentos que conduzcan a nuevas hiptesis. tame tomarme la libertad de ofrecer al lector cierto consejo: noPodra comenzar con una de las diversas micrografas elec- acepte como cierto todo lo que lea. Existen varias razones paratrnicas que llenan las pginas de este texto. Para tomar esta recomendar tal escepticismo. Sin duda alguna, hay errores en elfotografa, imagnese sentado en una habitacin pequea, oscuratexto que reejan la ignorancia e interpretacin errnea del autorcomo la boca de un lobo, enfrente de un gran instrumento met- sobre ciertos aspectos de la bibliografa cientca. Pero todavalico cuya columna se eleva varios metros sobre su cabeza. Observams importante es considerar la naturaleza de la investigacina travs de binoculares en una pantalla verde brillante y vvida.biolgica. La biologa es una ciencia emprica; nada se ha com-Las partes de la clula que examina aparecen oscuras e incoloras probado alguna vez. Reunimos datos sobre un organelo particu-contra el fondo verde brillante. Son oscuras porque se tieron lar de la clula, una reaccin metablica, el movimientocon tomos de metales pesados que desvan una fraccin de losintracelular, etc., y hacemos cierto tipo de conclusiones. Algunaselectrones dentro de un haz que se enfoca en la pantalla dede ellas se apoyan en una prueba ms slida que otra. Incluso siobservacin mediante grandes lentes electromagnticas en laexiste un consenso sobre los hechos en cuanto a un fenmenopared de la columna. Los electrones que chocan con la pantalla particular, con frecuencia se perlan varias interpretaciones de losse aceleran a travs del espacio evacuado de la columna por unadatos. Se plantean hiptesis y casi siempre estimulan una investi-fuerza de decenas de miles de voltios. Una de sus manos puedegacin ms amplia, lo que lleva a una revaloracin de la propues-tomar quiz la perilla que controla la potencia de amplicacinta original. Casi todas las hiptesis que mantienen su validez sede las lentes. Un giro simple de esta perilla puede cambiar la someten a cierta evolucin y, cuando se presentan en el texto, noimagen, de un campo completo de clulas a una parte muydeben considerarse absolutamente correctas o incorrectas.pequea de ellas, como los ribosomas o una porcin diminuta deLa biologa celular es un campo que se mueve con rapidezuna membrana aislada. Al girar otras perillas pueden observarsey algunas de las mejores hiptesis suscitan en ocasiones una grandiferentes reas del espcimen al pasar por la pantalla, lo quecontroversia. Aunque es un texto en el que se espera encontrarproporciona la sensacin de conducir dentro de una clula. Una material bien estudiado, hay muchas partes en las que se presen-vez que se encuentra una estructura de inters, puede girarse la tan ideas nuevas, que a menudo se describen como modelos. Semanivela que aparta la pantalla fuera de la vista, lo que hace han incluido estos modelos porque transmiten el pensamientoposible que el haz de electrones golpee una pieza de la placa yactual en el campo, incluso si se trata de modelos hipotticos.produzca una imagen fotogrca del espcimen.Ms an, refuerzan la idea de que los bilogos celulares operanDebido a que el estudio de la funcin celular requiere elen la frontera de la ciencia, un rea entre lo desconocido y loempleo de una instrumentacin compleja, como el microscopioconocido (o que se cree conocido). Permanezca escptico.ix 8. Sinopsis del contenido 1. Introduccin al estudio de la biologa celular y molecular 1 2. Las bases qumicas de la vida 31 3. Bioenergtica, enzimas y metabolismo 85 4. La estructura y funcin de la membrana plasmtica 120 5. La respiracin aerbica y la mitocondria 179 6. La fotosntesis y el cloroplasto 214 7. Interacciones entre las clulas y su ambiente 239 8. Sistemas de membrana citoplsmica: estructura, funcin y trnsito en la membrana 274 9. El citoesqueleto y la motilidad celular 32810. Naturaleza del gen y el genoma 38811. Expresin del material gentico: de la transcripcin a la traduccin 42912. El ncleo celular y el control de la expresin gnica 48513. Replicacin y reparacin del DNA 54214. Reproduccin celular 57015. Sealizacin celular y transduccin de seales: comunicacin entre las clulas 61616. Cncer 66217. La reaccin inmunitaria 69318. Tcnicas en biologa celular y molecular 727Apndice A-1Glosario G-1ndice alfabtico I-1x 9. Contenido1.Introduccin al estudio2.3 cidos, bases y amortiguadores 38de la biologa celular y molecular 1 2.4 La naturaleza de las molculas biolgicas 40 Grupos funcionales 401.1 El descubrimiento de las clulas 2 Clasicacin de las molculas biolgicas de acuerdo1.2 Propiedades bsicas de las clulas 3con su funcin 41Las clulas son muy complejas y organizadas 3 2.5 Cuatro tipos de molculas biolgicas 42Las clulas poseen un programa gentico y los medios Carbohidratos 42 para usarlo 5 Lpidos 47Las clulas son capaces de reproducirse 5 Protenas 49Las clulas obtienen y utilizan energa 5Las clulas llevan a cabo diferentes reacciones qumicas 6 PERSPECTIVA HUMANA: El plegamiento de las protenaspuede tener consecuencias fatales 65Las clulas se ocupan de numerosas actividades cidos nucleicos 75 mecnicas 6Las clulas son capaces de reaccionar a estmulos 62.6 La formacin de estructuras macromolecularesLas clulas son capaces de autorregularse 6complejas 77Las clulas evolucionan 7Ensamblado de partculas del virus del mosaico del tabaco y sus subunidades ribosmicas 771.3 Dos clases de clulas fundamentalmente diferentes 7 VAS EXPERIMENTALES: Chaperonas: protenas colaboradoras queCaractersticas que diferencian a las clulas procariotaspermiten un apropiado estado de plegamiento 78 de las eucariotas 9Tipos de clulas procariotas 13Tipos de clulas eucariotas: especializacin celular 153.Bioenergtica, enzimas PERSPECTIVA HUMANA: La posibilidad de una terapia de y metabolismo 85 remplazo celular 18 3.1 Bioenergtica 86El tamao de las clulas y sus componentes 20 Las leyes de la termodinmica y el concepto de1.4 Virus 21entropa 86Viroides 24Energa libre 88 VAS EXPERIMENTALES: Origen de las clulas eucariotas 25 3.2 Enzimas como catalizadores biolgicos 94 Las propiedades de las enzimas 942.Las bases qumicas de la vida 31 Superacin de la barrera de la energa de activacin 95 El sitio activo 962.1 Enlaces covalentes 32 Mecanismos de catlisis enzimtica 99Molculas polares y no polares 33 Cintica enzimtica 101Ionizacin 33 PERSPECTIVA HUMANA: El problema creciente de la2.2 Enlaces no covalentes 33resistencia a los antibiticos 105PERSPECTIVA HUMANA: Radicales libres como causa de 3.3 Metabolismo 107 envejecimiento 34 Una revisin del metabolismo 107Enlaces inicos: atraccin entre tomos cargados 35 Oxidacin y reduccin: una cuestin de electrones 108Puentes de hidrgeno 35 La captura y utilizacin de energa 108Interacciones hidrfobas y fuerzas de van der Waals 35 Regulacin metablica 114Las propiedades del agua mantienen la vida 37xi 10. xiiCONTENIDO4.La estructura y funcin Membranas mitocondriales 182de la membrana plasmtica120La matriz mitocondrial 1825.2 Metabolismo oxidativo en la mitocondria 1834.1 Una revisin de las funciones de la membrana 121El ciclo del cido tricarboxlico (ATC) 1854.2 Una breve historia de los estudios sobre la estructuraLa importancia de las coenzimas reducidasde la membrana plasmtica 123en la formacin de ATP 1874.3 La composicin qumica de las membranas 125 PERSPECTIVA HUMANA: La funcin de los metabolismosLpidos de membrana 125anaerbico y aerbico en el ejercicio 188Carbohidratos de la membrana 1295.3 La funcin de la mitocondria en la formacin4.4 La estructura y funciones de las protenasde ATP 188de la membrana 130Potenciales de oxidacin-reduccin 189Protenas integrales de membrana 130Transporte de electrones 191Estudio de la estructura y propiedades de las protenas Tipos de portadores de electrones 191 integrales de la membrana 1325.4 Translocacin de protones y establecimientoProtenas perifricas de membrana 136 de una fuerza motriz para protones 198Protenas de membrana jadas a lpidos 1365.5 Los mecanismos para la formacin de ATP 1994.5 Lpidos de membrana y fluidez de la membrana 136La estructura de la sintetasa de ATP 200La importancia de la uidez de la membrana 137La base de la formacin de ATPMantenimiento de la uidez de la membrana 138de acuerdo con el mecanismoLa asimetra de los lpidos de membrana 138de cambio de unin 202Balsas lipdicas 138Otras funciones para la fuerza motriz de protones4.6 La naturaleza dinmica de la membrana plasmtica 139 adems de la sntesis de ATP 206La difusin de las protenas de membrana despus de la5.6 Peroxisomas 207 fusin celular 140 PERSPECTIVA HUMANA: Enfermedades consecutivasRestricciones de la movilidad de las protenasa la funcin anormal de mitocondrias o peroxisomas 208 y lpidos 141El eritrocito: un ejemplo de estructura de la membrana6.La fotosntesis plasmtica 144y el cloroplasto 2144.7 El movimiento de sustancias a travsde las membranas celulares 1476.1 Estructura y funcin del cloroplasto 216La energtica del movimiento de solutos 147 6.2 Una revisin del metabolismo fotosinttico 217Difusin de sustancias a travs de las membranas 1486.3 La absorcin de luz 219Difusin facilitada 156 Pigmentos fotosintticos 219Transporte activo 157 6.4 Unidades fotosintticas y centros PERSPECTIVA HUMANA: Defectos en los canales y transportadores de reaccin 221 inicos como causa de la enfermedad hereditaria 160Formacin de oxgeno: coordinacin de la actividad4.8 Potenciales de membrana e impulsos nerviosos 163 de dos sistemas fotosintticos diferentes 222El potencial de reposo 164Destruccin de hierbas mediante inhibicinEl potencial de accin 165 del transporte de electrones 228Propagacin de los potenciales de accin6.5 Fotofosforilacin 228 como un impulso 166Fotofosforilacin no cclica o cclica 229Neurotransmisin: salto de la hendidura sinptica 168 6.6 Fijacin del dixido de carbono y la sntesis VAS EXPERIMENTALES: El receptor de acetilcolina 171de carbohidratos 229Sntesis de carbohidrato en las plantas C3 2305.La respiracin aerbica Sntesis de carbohidratos en las plantas C4 234y la mitocondria 179Sntesis de carbohidratos en las plantas CAM 2365.1 Estructura y funcin de la mitocondria 180 11. CONTENIDOxiii7.Interacciones entre las clulas8.4 El aparato de Golgi 293y su ambiente 239Glucosilacin en el aparato de Golgi 296 El movimiento de materiales a travs del aparato de7.1 El espacio extracelular 240 Golgi 296La matriz extracelular 240 8.5 Tipos de transporte en vesculas y sus funciones 2987.2 Interacciones de las clulas con los materialesVesculas cubiertas con COP-II: transporte de cargamentoextracelulares 248del retculo endoplsmico al aparato de Golgi 299Integrinas 248 Vesculas cubiertas con COP-I: transporte de protenasAdhesiones focales y hemidesmosomas:escapadas de regreso al retculo endoplsmico 300 jacin de las clulasMs all del aparato de Golgi: ordenamiento de protenas a su sustrato 252en el TGN 3027.3 Interacciones de las clulas entre s 254Direccionamiento de las vesculas a un compartimientoSelectinas 255particular 304Inmunoglobulinas 256 8.6 Lisosomas 307Caderinas 257 PERSPECTIVA HUMANA: Trastornos secundarios a defectos de la PERSPECTIVA HUMANA: El papel de la adhesin celularfuncin lisosmica 309 en la inflamacin y la metstasis 259 8.7 Vacuolas de las clulas vegetales 310Uniones adherentes y desmosomas: jacin de unas 8.8 La va endoctica: movimiento de membrana clulas con otras 260 y materiales dentro de la clula 311El papel de los receptores de adhesin celular en la Endocitosis 311 sealizacin transmembranosa 262 Fagocitosis 3177.4 Zonas de oclusin: sellado del espacio extracelular 264 8.9 Captacin de protenas por peroxisomas, mitocondrias7.5 Uniones comunicantes y plasmodesmas: mediacin y cloroplastos despus de la traduccin 318de la comunicacin intercelular 266 Captacin de protenas en los peroxisomas 318Plasmodesmas 268 Captacin de protenas en las mitocondrias 3187.6 Paredes celulares 268Captacin de protenas en los cloroplastos 320 VAS EXPERIMENTALES: Endocitosis mediada por receptor 3218.Sistemas de membrana citoplsmica:estructura, funcin y trnsito 9.El citoesqueleto y la motilidaden la membrana 274 celular 3288.1 Revisin del sistema endomembranoso 2759.1 Revisin de las principales funciones8.2 Algunas aproximaciones al estudiodel citoesqueleto 329de las endomembranas 277 9.2 El estudio del citoesqueleto 330Informacin obtenida de la autorradiografa 277El uso de la microscopia con uorescencia en clulasInformacin obtenida a partir de la protena verdevivas 330 uorescente 277 Uso de ensayos de motilidad de una sola molculaInformacin obtenida del anlisis bioqumico de las in vitro 332 fracciones subcelulares 279 El uso de clulas con expresin gentica alterada 332Informacin obtenida a partir de sistemas libres de 9.3 Microtbulos 333 clulas 280 Estructura y composicin 333Informacin obtenida del estudio de mutantes genticos 281 Protenas relacionadas con los microtbulos 334 Microtbulos como soportes y organizadores8.3 El retculo endoplsmico 282estructurales 335El retculo endoplsmico liso 284 Microtbulos como agentes de movilidadFunciones del retculo endoplsmico rugoso 284intracelular 336Del retculo endoplsmico al aparato de Golgi: primer paso Protenas motoras que cruzan el citoesqueleto en el transporte vesicular 293 microtubular 338 12. xiv CONTENIDOCentros organizadores de microtbulos 342 Variacin gentica dentro de la poblacinLas propiedades dinmicas de los microtbulos 345humana 418Cilios y agelos: estructura y funcin 349 PERSPECTIVA HUMANA: Aplicacin de anlisis genmicos PERSPECTIVA HUMANA: La funcin de los cilios en el desarrolloa la medicina 419 y la enfermedad 350 VAS EXPERIMENTALES: La naturaleza qumica del gen 4229.4 Filamentos intermedios 357Ensamble y desensamble de lamentos intermedios 358 11. Expresin del material gentico:Tipos y funciones de los lamentos intermedios 359de la transcripcin a la9.5 Microfilamentos 360 traduccin 429Ensamble y desensamble de microlamentos 36111.1 Relacin entre genes y protenas 430Miosina: el motor molecular de los lamentos deRevisin del trnsito de la informacin dentroactina 363de las clulas 4319.6 Contractilidad muscular 368 11.2 Sinopsis de la transcripcin en clulas procariotasEl modelo de lamento deslizante de la contraccin muscular 369 y eucariotas 432Transcripcin en bacterias 4359.7 Movilidad extramuscular 374Transcripcin y procesamiento del RNA en clulasProtenas de unin con la actina 374 eucariotas 436Ejemplos de movilidad y contractilidad extramuscular 37711.3 Sntesis y procesamiento de los RNA ribosomal y de transferencia 437Sntesis del precursor de rRNA 43810. Naturaleza del gen y el genoma 388Procesamiento del rRNA precursor 44010.1 El concepto de gen como unidad de la herencia 389Sntesis y procesamiento del rRNA 5S 44210.2 Cromosomas: portadores fsicos de los genes 390RNA de transferencia 443El descubrimiento de los cromosomas 390 11.4 Sntesis y procesamiento de RNA mensajeros 444Cromosomas como portadores de la informacinLa maquinaria para la transcripcin del mRNA 445 gentica 391 Procesamiento de genes: un hallazgo inesperado 447Anlisis gentico en Drosophila 392 El procesamiento de los mRNAEntrecruzamiento y recombinacin 392 eucariotas 450Mutagnesis y cromosomas gigantes 394 Implicaciones evolutivas de la rotura de genes y el splicing del RNA 45710.3 La naturaleza qumica del gen 395Creacin de nuevas ribozimas en el laboratorio 458La estructura del DNA 395La propuesta de Watson y Crick 39711.5 RNA pequeos no codificantes y vasDNA superenrollado 400 de silenciamiento de RNA 459 PERSPECTIVA HUMANA: Aplicaciones clnicas10.4 La estructura del genoma 402 de la interferencia de RNA 461La complejidad del genoma 402MicroRNA: una red recin descubierta para la PERSPECTIVA HUMANA: Enfermedades consecutivas a laregulacin gnica 462 expansin de repeticiones de trinucletidos 40511.6 Codificacin de la informacin gentica 46410.5 La estabilidad del genoma 409Las propiedades del cdigo gentico 464Duplicacin completa del genoma (poliploidizacin) 40911.7 Decodificacin de los codones: la funcinDuplicacin y modicacin de secuencias del DNA 409Genes saltarines y la naturaleza dinmica del de los RNA de transferencia 467genoma 411La estructura de los tRNA 46710.6 Secuenciacin de genomas: la base gentica 11.8 Traduccin de la informacin gentica 470 del ser humano 415 Inicio 470Genmica comparativa: si est conservado, entonces Elongacin 473debe ser importante 416Terminacin 475 13. CONTENIDOxvVigilancia del mRNA: no se permiten codones sin Reparacin de la rotura de doble cadena 565 sentido 475 PERSPECTIVA HUMANA: Las consecuencias de las deficienciasPolirribosomas 476del sistema de reparacin del DNA 566 VAS EXPERIMENTALES: La funcin del RNA en la catlisis 478 13.3 Entre la replicacin y la reparacin 56712. El ncleo celular y el control14. Reproduccin celular 570de la expresin gnica 48514.1 El ciclo celular 57112.1 El ncleo de una clula eucariota 486Ciclos celulares in vivo 572La envoltura nuclear 486Control del ciclo celular 572Cromosomas y cromatina 49114.2 Fase M: mitosis y citocinesis 579 PERSPECTIVA HUMANA: Aberraciones cromosmicas Profase 581 y enfermedades humanas 501Prometafase 58612.2 Control de la expresin gnica en bacterias 509Metafase 588El opern bacteriano 510Anafase 590Ribointerruptores 513 Telofase 59412.3 Control de la expresin gnica en eucariotas 513 Fuerzas necesarias para los movimientos mitticos 59512.4 Control a nivel transcripcional 515Citocinesis 596La funcin de los factores de transcripcin 14.3 Meiosis 599en la regulacin de la expresin gnica 518 Las etapas de la meiosis 602La estructura de los factores transcripcionales 518 PERSPECTIVA HUMANA: Falta de disyuncin meiticaSitios de DNA que participan en la regulaciny sus consecuencias 606de la transcripcin 522 VAS EXPERIMENTALES: Descubrimiento y caracterizacin delActivacin transcripcional: funcin de los aumentadores, factor promotor de maduracin (MPF) 609promotores y coactivadores 525Represin de la transcripcin 52815. Sealizacin celular y transduccin12.5 Control a nivel del procesamiento 531de seales: comunicacin entre12.6 Control a nivel traduccional 532 las clulas 616Localizacin citoplsmica de los mRNA 532El control de la traduccin del mRNA 53315.1 Los elementos bsicos de los sistemasEl control de la estabilidad del mRNA 535de sealizacin celular 61712.7 Control postraduccional: determinacin de la 15.2 Estudio de los mensajeros extracelulares estabilidad de la protena 537y sus receptores 61915.3 Receptores unidos con protena G13. Replicacin y reparacin y sus segundos mensajeros 620Transduccin de la seal por receptores unidosdel DNA 542con protena G 62013.1 Replicacin del DNA 543 PERSPECTIVA HUMANA: Trastornos relacionadosReplicacin semiconservadora 543 con los receptores unidos con protena G 623Replicacin en clulas bacterianas 546Segundos mensajeros 624Estructura y funciones de las polimerasas Especicidad de las reacciones relacionadas de DNA 552con la protena G 628La replicacin en las clulas eucariotas 556Regulacin de los niveles de glucosa sangunea 62913.2 Reparacin del DNA 562 La funcin de los GPCR en la percepcin sensorial 632Escisin de nucletidos y reparacin 56315.4 Fosforilacin de protena-tirosina como mecanismoReparacin de la escisin de bases 563 para la transduccin de seal 634Reparacin de la unin deciente 564La va de cinasa de Ras-MAP 638 14. xvi CONTENIDOSealizacin del receptor para insulina 641 Los linfocitos se activan por seales en la supercieVas de sealizacin en las plantas 645de las clulas 71615.5 La funcin del calcio como mensajero intracelular 645Vas de transduccin de seales en la activacin de linfocitos 717Regulacin de las concentraciones de calcio en las clulasvegetales 648 PERSPECTIVA HUMANA: Enfermedades autoinmunitarias 718 VAS EXPERIMENTALES: El papel del complejo mayor15.6 Convergencia, divergencia y comunicacin cruzada entrede histocompatibilidad en la presentacin de antgenos 720 diferentes vas de sealizacin 649Ejemplos de convergencia, divergencia y comunicacin cruzada entre vas de sealizacin 650 18. Tcnicas en biologa celular15.7 La funcin del xido ntrico como mensajeroy molecular 727 intercelular 652 18.1 El microscopio ptico 72815.8 Apoptosis (muerte celular programada) 653Resolucin 728La va extrnseca de la apoptosis 654 Visibilidad 729La va intrnseca de la apoptosis 655 Preparacin de especmenes para microscopia ptica 730Microscopia con contraste de fase 73016. Cncer662Microscopia de uorescencia (y tcnicas relacionadas16.1 Propiedades bsicas de una clula cancerosa 663 basadas en la uorescencia) 73116.2 Las causas del cncer 665Microscopia con video y procesamiento de16.3 La gentica del cncer 666imgenes 733Microscopia confocal de barrido lser 733Genes supresores de tumor y oncogenes: frenosy aceleradores 67018.2 Microscopia electrnica de transmisin 73416.4 Nuevas medidas para combatir el cncer 682 Preparacin del espcimen para la microscopiaInmunoterapia 683electrnica 736Inhibicin de la actividad de protenas promotoras18.3 Microscopia electrnica de barrido y microscopia de cncer 684 de fuerza atmica 740Inhibicin de la formacin de nuevos vasos sanguneos Microscopia de fuerza atmica 741 (angiognesis) 685 18.4 El uso de radioistopos 742 VAS EXPERIMENTALES: El descubrimiento de los oncogenes 686 18.5 Cultivo celular 74318.6 Fraccionamiento del contenido de una clula17. La reaccin inmunitaria693 mediante centrifugacin diferencial 74417.1 Revisin de la reaccin inmunitaria 69418.7 Aislamiento, purificacin y fraccionamientoReacciones inmunitarias innatas 694de protenas 746Reacciones inmunitarias adaptativas 696 Precipitacin selectiva 74617.2 La teora de la seleccin clonal aplicada aCromatografa lquida de columna 746 las clulas B 697Electroforesis en gel de poliacrilamida 749Vacunacin 700Medicin y anlisis de protenas 75117.3 Linfocitos T: activacin y mecanismo de accin 701 18.8 Identificacin de la estructura de protenas17.4 Algunos temas sobre las bases celularesy complejos multisubunitarios 752 y moleculares de la inmunidad 70318.9 Purificacin de cidos nucleicos 753La estructura molecular de los anticuerpos 70318.10 Fraccionamiento de cidos nucleicos 754Reajuste de DNA de los genes que codican los Separacin de DNA por electroforesis en gel 754 receptores de antgeno de las clulas B y T 706Separacin de cidos nucleicos porComplejos antgeno-receptor unidos a la membrana 709 ultracentrifugacin 754El complejo mayor de histocompatibilidad 70918.11 Hibridacin de cidos nucleicos 756Distincin entre lo propio y lo ajeno 715 18.12 Sntesis qumica de DNA 758 15. CONTENIDO xvii18.13 Tecnologa de DNA recombinante 758 Mutagnesis in vitro 772Endonucleasas de restriccin 758 Bloqueo gnico 772Formacin de DNA recombinante 760Interferencia de RNA 774Clonacin de DNA 76018.19 Uso de anticuerpos 77418.14 Amplificacin enzimtica de DNA por PCR 763Aplicaciones de la PCR 765Apndice A-118.15 Secuenciacin de DNA 765 Premios Nobel otorgados por investigacin en biologa18.16 Genotecas de DNA 767celular y molecular desde 1958Genotecas genmicas 767Temas de inters humanoGenotecas de cDNA 768 Glosario G-118.17 Transferencia de DNA en clulas eucariotasy embriones de mamfero 769 ndice alfabtico I-118.18 Determinacin de la funcin de genes eucariotaspor eliminacin gnica 772 16. 1 C A P T U L OIntroduccin al estudiode la biologa celular y molecular1.1 El descubrimiento de las clulas1.2 Propiedades bsicas de las clulas1.3 Dos clases de clulasfundamentalmente diferentes L as clulas y sus estructuras son demasiado pequeas para observarlas, escucharlas o tocarlas de manera directa. A pesar de esta enorme dicultad, las clulas son el tema de miles de publicaciones cada ao y casi sin excepcin cada aspecto de su minscula estructura se encuentra bajo investigacin. De muchas maneras, el estudio de la biologa celular y molecular permanece como tributo a la curiosidad humana por inves- tigar, descubrir, y a la inteligencia humana creativa para disear instrumentos complejos1.4 Virusas como tcnicas elaboradas gracias a las cuales se puedan realizar tales descubrimientos. Esto no implica que los bilogos celulares tengan el monopolio de estos nobles rasgos. EnPERSPECTIVA HUMANA: La posibilidad un extremo del espectro cientco, los astrnomos buscan en los lmites del universo agu-de una terapia de reemplazo celularjeros negros y cusares, cuyas propiedades parecen inimaginables cuando se comparan conVAS EXPERIMENTALES: El origen las que existen en la Tierra. En el otro extremo, los fsicos nucleares enfocan su atencinde las clulas eucariotasen partculas de dimensiones subatmicas que tambin poseen propiedades inconcebibles. Desde luego, el universo posee mundos dentro de otros mundos; todos estos aspectos hacen fascinante su estudio. Como se advierte a travs de todo el libro, la biologa celular y molecular es reduc- cionista, esto es, se basa en el razonamiento de que el conocimiento de las partes puede Un ejemplo de la funcin de la innovacin tecnolgica en el campo de la biologa celular. Esta micrografa de luz muestra una clula colocada sobre una supercie de postes sintticos. Los postes exibles sirven como sensores para medir la fuerza mecnica ejercida por la clula. Los elementos teidos de rojo son haces de lamentos de actina intracelulares que generan fuerzas cuando existe movilidad celular. Cuando la clula se mueve deforma los postes a los cuales est unida y ello hace posible cuanticar la tensin que experimenta. El ncleo de la clula est teido de verde. (Tomada de J. L. Tan, et al., Proc Natl Acad Sci USA 100(4), 2003; Cortesa de Christopher S. Chen, The Johns Hopkins University.) 1 17. 2Captulo 1INTRODUCCIN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGA CELULAR Y MOLECULARexplicar el carcter del todo. Visto de esta forma, la posicin res-pecto de las maravillas y misterios de la vida puede reemplazarsepor la necesidad de explicar todo en trminos de los trabajos dela maquinaria de los sistemas vivientes. En la medida en queesto ocurra, se espera que dicha prdida pueda sustituirse poruna apreciacin no menos importante de la belleza y compleji-dad de los mecanismos que encierra la actividad celular. 1.1 EL DESCUBRIMIENTO DE LAS CLULAS Debido a su tamao pequeo, las clulas slo puedenobservarse con la ayuda de un microscopio, un instrumento queaumenta la imagen de un objeto diminuto. No se sabe cundolos seres humanos descubrieron la capacidad de una superciecurva de vidrio para desviar la luz y formar imgenes. Los pri-meros espejuelos se produjeron en Europa en el siglo xiii y losprimeros microscopios pticos compuestos (de dos lentes) seconstruyeron a nales del siglo xvi. A mediados del siglo xvii,muchos cientcos pioneros utilizaron sus microscopios caserospara descubrir un mundo que nunca se haba revelado a simplevista. El descubrimiento de las clulas (g. 1-1a) se acredita porlo general a Robert Hooke, un microscopista ingls que a la edadde 27 aos le fue concedida la posicin de curador de la RoyalSociety of London, la primera academia cientca de Inglaterra.Una de las muchas preguntas que Hooke intent resolver fue (a)por qu los tapones de corcho (parte de la corteza de los rboles)eran tan adecuados para contener el aire en una botella. En 1665escribi lo siguiente: tom un buen pedazo de corcho limpioy con un cuchillo tan alado como una navaja de afeitar cortun pedazo y entonces lo examin con un microscopio y percibque tena una apariencia porosa muy semejante a un panal deabejas. Hooke llam a los poros clulas debido a que se aseme-jaban a las celdas habitadas por los monjes de un monasterio. En (b)la actualidad se sabe que Hooke observ las paredes celularesvacas que corresponden al tejido vegetal muerto, es decir, pare-des que en su origen elaboraron las clulas vivas circundantes.FIGURA 1-1 El descubrimiento de las clulas. a) Uno de los microscopios compuestos (con doble lente) ms vistosos de Robert Hooke. Inserto, dibu- Mientras tanto, Anton van Leeuwenhoek, un holandsjo realizado por Hooke de un corte delgado de corcho que muestra unaque se ganaba la vida con la venta de ropa y botones, dedicaba red de clulas parecida a un panal de abejas. b) Microscopio de una solasu tiempo libre a tallar lentes y construir microscopios de gran lente usado por Anton van Leeuwenhoek para observar bacterias y otroscalidad (g. 1-1b). Durante 50 aos, Leeuwenhoek envi cartasmicroorganismos. Las lentes biconvexas, capaces de aumentar el tamao dea la Royal Society of London en las que describi sus observacio-un objeto en cerca de 270 veces y proveer una resolucin cercana a 1.35 m,nes microscpicas, junto con una descripcin incoherente de susestaban sostenidas entre dos placas metlicas. (Tomada de The Grangerhbitos diarios y su estado de salud. Leeuwenhoek fue el prime-Collection; inserto y figura 1-1B, tomados de Corbis Bettmann.)ro en examinar una gota de agua estancada bajo el microscopioy para su asombro observ gran cantidad de animalculos en elcampo del microscopio que iban y venan ante sus ojos. Tambinfue el primero en describir diferentes formas de bacterias pre-sentes en el agua resultante de remojar pimienta y en el materialpesar de la diferencia en la estructura de varios tejidos, las plantasdel raspado de sus dientes. Sus cartas iniciales remitidas a laestaban hechas de clulas y que el embrin de la planta provieneRoyal Society, en las que describe este mundo todava no descu-de una sola clula. En 1839, Theodor Schwann, un zologo ale-bierto, se tomaron con tal escepticismo que la sociedad mandmn y colega de Schleiden, public un informe detallado sobrea su curador Robert Hooke para conrmar las observaciones. las bases celulares del mundo animal. Schwann concluy que lasHooke hizo lo indicado y Leeuwenhoek se convirti de inme- clulas de plantas y animales son estructuras similares y propusodiato en una celebridad mundial y recibi visitas en Holanda deestos dos principios de la teora celular:Pedro el Grande de Rusia y la reina de Inglaterra. No fue sino hasta la dcada de 1830 que se difundi la Todos los organismos estn compuestos de una o ms clu-importancia de las clulas. En 1838, Matthias Schleiden, unlas.abogado alemn que se convirti en botnico, concluy que a La clula es la unidad estructural de la vida. 18. 1.2 P R O P I E D A D E S B S I C A S D E L A S C L U L A S 3 Las ideas de Schleiden y Schwann sobre el origen de lasde estudiar que las que se hallan dentro del cuerpo, las clulasclulas son menos profundas; ambos estn de acuerdo en quecrecidas in vitro (p. ej., en un cultivo fuera del organismo) sestas podran originarse de materiales acelulares. Dada lahan convertido en una herramienta esencial para los bilogosimportancia que tuvieron estos dos investigadores en el mundo celulares y moleculares. De hecho, mucha de la informacin quecientco, fue necesario que pasaran muchos aos para que las se discute en este libro se obtuvo de clulas crecidas en cultivosobservaciones de otros bilogos, respecto de que las clulas no de laboratorio.se forman por generacin espontnea, se aceptaran. Para 1855,La micrografa mostrada en la gura 1-2 se tom con unel patlogo alemn Rudolf Virchow haba formulado un argu-microscopio de alto poder llamado microscopio electrnico demento convincente para el tercer postulado de la teora celular:barrido, que permite a los investigadores examinar los detallesde la supercie de las clulas. Como se analiza en el captulo 18, Las clulas slo pueden originarse por divisin de una clula los microscopios electrnicos emplean un haz enfocado de elec-preexistente. trones que provee una imagen muy detallada de la clula y suspartes. Otro tipo de microscopio electrnico, el microscopio elec-trnico de transmisin, se usa para revelar con detalle la estructura1.2 PROPIEDADES BSICAS DE LAS CLULASinterna de las clulas (como en la gura 1-10). Las micrografasdel microscopio electrnico de transmisin tomadas a principios Las clulas, as como las plantas y los animales, tienen de la dcada de 1950 mostraron a los investigadores un primervida. En realidad, la vida es la propiedad bsica de las clulas yvistazo de la intrincada estructura que permanece oculta en losstas son las unidades ms pequeas que poseen tal naturaleza.lmites de una pequea clula.A diferencia de las partes de una clula, las cuales se deterioran La exploracin de la clula comienza con el anlisis desi se encuentran aisladas, las clulas completas pueden obtenerse algunas de sus propiedades fundamentales.de una planta o animal y cultivarse en un laboratorio donde semultiplican y crecen durante periodos largos. Si no se las tratade modo adecuado pueden morir. La muerte puede considerarse Las clulas son muy complejas y organizadasuna de las propiedades bsicas de la vida porque slo una enti- La complejidad es una propiedad que es evidente pero difcil dedad viva enfrenta esta perspectiva. Resulta importante sealardescribir. En este momento es posible pensar sobre la compleji-que las clulas dentro del cuerpo mueren casi siempre por su dad en trminos de orden y consistencia. Cuanto ms complejapropia mano, es decir, son vctimas de un programa interno por sea una estructura, mayor es el nmero de partes que deben estarel cual las clulas innecesarias o aquellas que tienen el riesgo de en el lugar adecuado, menor la tolerancia a errores en la natura-tornarse malignas se eliminan a s mismas.leza e interacciones de las partes y mayor la regulacin o controlEn 1951, George Gey de la Johns Hopkins University rea- que se debe ejercer para mantener el sistema.liz el primer cultivo de clulas humanas. Las clulas se obtu- Las actividades celulares pueden ser extremadamente pre-vieron de un tumor maligno que provena de Henrietta Lacks y, cisas. Por ejemplo, la duplicacin del DNA (cido desoxirribo-por lo tanto, se denominaron clulas HeLa. Las clulas HeLa,nucleico) se realiza con una tasa de error inferior a un error pordescendientes por divisin celular de esta primera muestra de cada diez millones de nucletidos incorporados, y la mayora declulas, continan creciendo en la actualidad en diferentes labo- tales errores se corrigen con rapidez por un intrincado mecanis-ratorios del mundo (g. 1-2). Como estas clulas son ms fcilesmo de reparacin que reconoce el defecto.A lo largo de este libro se considera la complejidad de lavida en diferentes niveles. Se describen la organizacin de tomosdentro de molculas pequeas, la disposicin de estas molcu-las dentro de polmeros gigantes y el arreglo de molculas poli-mricas en complejos, los cuales a su vez estn dispuestos den-tro de organelos subcelulares y al nal en el interior de clulas.Como se observa, existe una gran consistencia en todos losniveles. Cada tipo celular posee una apariencia constante bajo elmicroscopio electrnico; esto es, los organelos tienen una formay localizacin particulares, en individuos de diferentes especies.De manera semejante, cada tipo de organelo muestra una com-posicin constante de macromolculas que estn ordenadas enun patrn predecible. Considrese a las clulas que se encuen-tran en el intestino y que se encargan de obtener los nutrimentosdel tubo digestivo (g. 1-3). Las clulas epiteliales que limitan el intestino estn unidasFIGURA 1-2 Las clulas HeLa, como las que se muestran, fueron las pri-estrechamente y semejan los ladrillos de una pared. Los extre-meras clulas humanas mantenidas en cultivo por largos periodos y an semos apicales de estas clulas, cuya cara da a la luz intestinal,utilizan. A diferencia de las clulas normales que en cultivo tienen un tiem- tienen elongaciones (microvellosidades) que facilitan la absorcinpo de vida nito, las clulas HeLa cancerosas pueden cultivarse de formade nutrimentos. Las microvellosidades son capaces de proyec-indenida si las condiciones son favorables para mantener el crecimiento ytarse fuera de la supercie celular apical debido a que contienendivisin celulares. Esta micrografa electrnica de barrido (seccin 18.1) secolore para resaltar el contraste. (Keith Porter/Photo Researchers.)un esqueleto interno formado por lamentos, los cuales a su vezestn compuestos de monmeros de protena (actina) polimeri- 19. 4 Captulo 1INTRODUCCIN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGA CELULAR Y MOLECULARRecuadro 7Microvellosidades Recuadro 6apicales50 Recuadro 2 Recuadro 5 25 nm Mitocondria Recuadro 3 Recuadro 1Recuadro 4FIGURA 1-3 Niveles de organizacin celular y molecular. La fotografa en porcin de la membrana interna de las mitocondrias, incluidas las partculascolores brillantes de una seccin teida muestra la estructura microscpi- pediculadas (echa superior) que se proyectan a partir de la membrana yca de una vellosidad de la mucosa del intestino delgado, como se observa corresponden a los sitios donde se sintetiza el ATP. Los recuadros 6 y 7a travs del microscopio ptico. El recuadro 1 representa una micrografamuestran los modelos moleculares de la maquinaria de sntesis de ATP, laelectrnica de la capa epitelial de clulas que limitan la pared interior delcual se describe por completo en el captulo 5. (Micrografa de luz, Cecilintestino. La supercie apical de cada clula que mira hacia la luz intestinal Fox/Photo Researchers; recuadro 1, cortesa de Shakti P. Kapur,tiene un gran nmero de microvellosidades que intervienen en la absorcinGeorgetown University Medical Center; recuadro 2, cortesade nutrimentos. La regin basal de cada clula contiene un gran nme-de Mark S. Mooseker y Lewis G. Tilney, J Cell Biol. 67:729, 1975,ro de mitocondrias en las que la energa se mantiene disponible para las con autorizacin de la Rockefeller University Press; recuadro 3,actividades celulares. El recuadro 2 muestra las microvellosidades apicales; cortesa de Kenneth C. Holmes; recuadro 4, cortesa de Keithcada microvellosidad contiene un haz de microlamentos. El recuadro 3R. Porter/Photo Researchers; recuadro 5, cortesa de Humbertorepresenta las subunidades de la protena actina que forman parte de cadaFernandez-Moran; recuadro 6, cortesa de Roderick A. Capaldi;lamento. En el recuadro 4 se distingue una mitocondria similar a la encon-recuadro 7, cortesa de Wolfgang Junge, Holger Lill y Siegfriedtrada en la regin basal de las clulas epiteliales. El recuadro 5 seala unaEngelbrecht, Universidad de Osnabrck, Alemania.) 20. 1.2 P R O P I E D A D E S B S I C A S D E L A S C L U L A S 5zados en una disposicin caracterstica. En su extremo basal, lasclulas intestinales poseen gran cantidad de mitocondrias queproveen la energa requerida para alimentar varios procesos detransporte de membrana. Cada mitocondria se compone de unpatrn denido de membranas internas, las cuales a su vez estncompuestas por un arreglo proteico, que incluye una fbrica deATP (trifosfato de adenosina) que funciona con electricidad,sta se proyecta desde la membrana interna y parece una pelotaen el extremo de una barra. Cada uno de estos niveles de organi-zacin se ilustra en los recuadros de la gura 1-3. Por fortuna para los bilogos celulares y moleculares, laevolucin avanza con lentitud en los niveles de la organiza-cin biolgica que les interesa. Por ejemplo, mientras que un FIGURA 1-4 Reproduccin celular. Este oocito de mamfero experimentser humano y un gato tienen caractersticas anatmicas muyde forma reciente una divisin celular muy desigual en la cual la mayordiferentes, las clulas que conforman sus tejidos y los organelos parte del citoplasma se retuvo dentro del gran oocito, que tiene el potencialque integran sus clulas son semejantes. El lamento de actinapara fecundarse y desarrollar un embrin. La otra clula es un remanenteel cual se representa en la gura 1-3, recuadro 3, y la enzimano funcional que consiste casi en su totalidad de material nuclear (se indicasintasa de ATP que se observa en el recuadro 6, son idnticos por los cromosomas teidos de azul, echa). (Cortesa de Jonathan vana las estructuras encontradas en diferentes organismos, comoBlerkom.)seres humanos, caracoles, levaduras y secuoyas. La informacinobtenida del estudio de las clulas de un tipo de organismo tienea menudo aplicaciones directas en otras formas de vida. MuchosLas clulas obtienen y utilizan energade los procesos ms elementales, como la sntesis de protenas, El desarrollo y mantenimiento de la complejidad exigen la cons-la conversin de energa qumica o la construccin de una mem-tante entrada de energa (g. 1-5). Virtualmente, toda la energabrana, son muy parecidos en todos los organismos. necesaria para la vida en la supercie de la Tierra proviene de laradiacin electromagntica del sol. Esta energa es captada porLas clulas poseen un programalos pigmentos que absorben luz presentes en las membranas degentico y los medios para usarlo las clulas fotosintticas. La energa luminosa se convierte porfotosntesis en energa qumica, que se almacena en carbohidra-Los organismos estn construidos de acuerdo con la informacintos ricos en energa, como almidn y sacarosa. Para la mayoracodicada en un grupo de genes. El programa gentico humano de las clulas animales, la energa llega a menudo preempacadacontiene suciente informacin para llenar millones de pginasen forma de glucosa. En las personas, la glucosa pasa a travs delde un texto, si se codicara en palabras. Resulta relevante que hgado hacia la sangre, que circula a travs del cuerpo y liberaesta gran cantidad de informacin est empaquetada dentro deenerga qumica en todas las clulas. Una vez dentro de la clu-un grupo de cromosomas que ocupan el espacio del ncleo celu- la, la glucosa se desensambla de tal manera que su contenidolar: cientos de veces ms pequeo que el punto de esta i. energtico se puede almacenar en forma de energa disponibleLos genes son ms que gavetas para almacenar informa- con rapidez (por lo general como ATP), que ms tarde se utilizacin: constituyen los planos para construir las estructuras celu- para el funcionamiento de las innumerables actividades celu-lares, las instrucciones para llevar a cabo las actividades celulares lares que requieren energa. Las clulas invierten una enormey el programa para duplicarse. La estructura molecular de los cantidad de energa simplemente en degradar y reconstruir lasgenes permite, mediante cambios en la informacin genti-ca (mutaciones), que exista variacin entre individuos, lo cualforma la base de la evolucin biolgica. El descubrimiento delos mecanismos por los cuales las clulas usan su informacingentica es uno de los logros ms grandes de la ciencia en lasltimas dcadas.Las clulas son capaces de reproducirseLas clulas, al igual que otros organismos, se generan por repro-duccin. Las clulas se reproducen por divisin, un proceso enel cual el contenido de una clula madre se distribuye dentrode dos clulas hijas. Antes de la divisin, el material genti-co se duplica con xito y cada clula hija comparte la mismainformacin gentica. En la mayora de los casos, las dos clulas FIGURA 1-5 Captacin de energa. Una clula viva del alga lamentosa Spi-hijas tienen el mismo volumen. Sin embargo, en algunos casos, rogyra. El cloroplasto es semejante a un listn, el cual se observa en zigzag acomo ocurre cuando un oocito humano sufre divisin, una de lastravs de la clula y es el sitio donde se captura la energa de la luz solar y seclulas retiene casi todo el citoplasma, aunque sta reciba slo la convierte en energa qumica durante la fotosntesis. (M.I. Walker/Photomitad del material gentico (g. 1-4).Researchers.) 21. 6Captulo 1INTRODUCCIN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGA CELULAR Y MOLECULARmacromolculas y los organelos de los que estn hechas. Estecontinuo recambio, como se le llama, mantiene la integridadde los componentes celulares en virtud de los inevitables pro-cesos de desgaste y rotura, y permite a la clula reaccionar conrapidez a las condiciones cambiantes.Las clulas llevan a cabo diferentesreacciones qumicasLa funcin celular se asemeja a plantas qumicas en miniatura.Aunque la clula bacteriana ms simple es capaz de realizar cien-tos de transformaciones qumicas diferentes, ninguna de ellasocurre a una velocidad signicativa en el mundo inanimado. Porlo general, todos los cambios qumicos que se efectan en las clu-las necesitan enzimas, molculas que incrementan el ritmo al quetiene lugar una reaccin qumica. La suma total de las reaccionesqumicas en una clula representa el metabolismo celular.Las clulas se ocupan de numerosasactividades mecnicasLas clulas son sitios de mucha actividad. Los materiales setransportan de un lugar a otro, las estructuras se acoplan y des-acoplan con rapidez y, en muchos casos, la clula entera se mue-ve por s misma de un punto a otro. Estos tipos de actividadesse basan en cambios mecnicos y dinmicos intracelulares, laFIGURA 1-6 Autorregulacin. El esquema de la izquierda muestra el desa-mayora de ellos iniciados por cambios en la estructura proteni- rrollo normal de un erizo de mar en el cual un huevo fecundado da lugarca motora. Las protenas motoras son slo uno de los muchos a un solo embrin. El esquema de la derecha seala un experimento en eltipos de mquinas moleculares empleadas por la clula paraque las clulas de un embrin se separan despus de la primera divisin y sellevar a cabo actividades mecnicas.permite que cada clula se desarrolle de manera aislada. En lugar de desa-rrollarse la mitad de un embrin, como ocurrira si no se alterara, cada clulaaislada reconoce la ausencia de su vecina y regula su desarrollo para formarLas clulas son capaces de reaccionar un embrin completo (aunque ms pequeo).a estmulosAlgunas clulas responden a estmulos de manera obvia; porcon la capacidad para destruir a todo el organismo. Poco a pocoejemplo, un protista unicelular se mueve lejos de un objeto que se conoce ms acerca de la forma en que la clula controla estasest en su camino o se dirige hacia una fuente de nutrimentos.actividades, pero falta mucho ms por descubrir.Las clulas que conforman una planta o animal multicelulares Considere el siguiente experimento que llev a cabo enno reaccionan a estmulos de modo tan obvio. La mayor parte de1891 Hans Driesch, un embrilogo alemn. Driesch encontrlas clulas est cubierta de receptores que interaccionan con sus-que poda separar por completo las primeras dos o cuatro clulastancias en el ambiente en una forma muy especca. Las clu-de un embrin de erizo de mar y que cada una de las clulas aisla-las poseen receptores para hormonas, factores de crecimiento, das desarrollaba un embrin normal (g. 1-6). Cmo puede unamateriales extracelulares, as como sustancias localizadas en laclula que por lo general est destinada a formar slo una partesupercie de otras clulas. Los receptores de las clulas proveen del embrin regular sus propias actividades y formar un embrinlas vas a travs de las cuales los agentes externos pueden iniciar entero?, de qu forma la clula aislada reconoce la ausencia dereacciones especcas en la clula blanco. Las clulas pueden sus vecinas y reorienta el curso de su desarrollo celular?, cmoresponder a estmulos especcos por medio de la alteracin depuede una parte del embrin tener un sentido del todo? Hasta elsus actividades metablicas, al prepararse para la divisin celular,momento no es posible mejorar las respuestas que se dieron hacemoverse de un lugar a otro o aniquilndose a s mismas. ms de 100 aos, cuando se efectu este experimento. En este libro se describen procesos que requieren diversosLas clulas son capaces de autorregularse pasos ordenados, muchos de los cuales son parecidos a las lneasde ensamble en el armado de un automvil, donde los trabaja-Adems de requerir energa, el mantenimiento de un estado dores acoplan, remueven o hacen ajustes especcos conformecomplejo y ordenado exige regulacin constante. La importanciael armado del auto avanza. En la clula, la informacin para elde los mecanismos de regulacin celular es ms evidente cuandodiseo de productos reside en los cidos nucleicos y los trabaja-las clulas se daan. Por ejemplo, la falla de una clula para corre- dores de la construccin son sobre todo las protenas. Ms quegir un error cuando duplica su DNA puede crear una mutacin ningn otro factor, la presencia de estos dos tipos de macro-que la debilita, o una alteracin en el control de crecimiento de lamolculas aparta a la qumica celular del mundo inerte. En laclula, que puede transformar a la clula en una clula cancerosa clula, los trabajadores tienen que actuar sin el benecio de 22. 1.3 D O S C L A S E S D E C L U L A S F U N D A M E N TA L M E N T E D I F E R E N T E S 7Mquina para obtener jugo de naranja El profesor Butts cay por el foso abierto de un ltimo abre el pico por el dolor y suelta la ciruela elevador y cuando toc tierra slo encontr unay permite que el zapato (M) caiga sobre la cabe- mquina para exprimir naranjas. El lechero tomaza de un pulpo dormido (N). El pulpo despierta la botella de leche vaca (A) y jala de la cuerda (B), molesto y observa la cara del buzo dibujada sobreFIGURA 1-7 Las actividades celulares con frecuen- lo que provoca que la espada (C) corte la cuerda la naranja y la oprime; de esa manera el jugo de cia son anlogas a esta mquina de Rube Goldberg (D). Esto permite que la navaja de la guillotina (E) naranja cae al vaso (O). caiga y corte la cuerda (F), que a su vez libera el Despus puede utilizarse el tronco para en la cual un suceso activa de manera automtica a ariete (G). El ariete empuja la puerta abierta (H) y construir una cabaa en la que puede crecer su otro posterior, en una secuencia de reacciones. (Rube la cierra. La hoz (I) corta la naranja (J) y, al mismo hijo, que llegar a ser presidente como AbrahamGoldberg y de Rube Goldberg, Inc.) tiempo, la espina (K) lastima al halcn (L). EsteLincoln.la direccin consciente. Cada paso de un proceso debe ocurrirsu membrana celular y los ribosomas, debieron estar en la clu-de modo espontneo, de tal forma que el siguiente se active de la ancestral. Se examinan algunos sucesos ocurridos durante lamanera automtica. En muchos sentidos, la clula opera de un evolucin de las clulas en la seccin Vas experimentales al nalmodo anlogo al artilugio para exprimir una naranja, descubier-del captulo. Es preciso tener en mente que la evolucin no esto por el profesor y que se muestra en la gura 1-7. Cada tipo tan slo un hecho del pasado, sino un proceso dinmico que ande actividad celular necesita un grupo nico de herramientas modica las propiedades de las clulas de los organismos quemoleculares muy complejas y mquinas: los productos de los todava no han aparecido.periodos de la seleccin natural y su evolucin. El objetivo msimportante de los bilogos celulares y moleculares es entenderla estructura molecular y la funcin de cada uno de los com- REVISIN?ponentes que intervienen en una actividad particular, as como1. Liste las propiedades fundamentales que compartenlos medios por los cuales estos componentes interactan y lostodas las clulas. Describa la importancia de cada unamecanismos que regulan dichas interacciones. de estas propiedades.2. Describa algunas de las caractersticas celulares queLas clulas evolucionansugieran que todos los organismos vivos derivan de un ancestro comn.Cmo surgieron las clulas? De todas las preguntas trascenden-tes formuladas por los bilogos, sta es la que menos respuestas3. Cul es la fuente de energa que mantiene la vida en latiene. Se piensa que las clulas proceden de algunas formas de Tierra?, cmo se transere esta energa de un organis-vida precelular, las cuales a su vez se originaron de materiales mo a otro?orgnicos sin vida que estuvieron presentes en los ocanos pri-mordiales. Sin embargo, el origen de las clulas est envuelto enun misterio total; la evolucin de las clulas puede estudiarse pormedio del anlisis de los organismos vivos de la actualidad. Si seobservan las caractersticas de las clulas bacterianas que viven1.3 DOS CLASES DE CLULASen el tubo digestivo de los seres humanos (vase g. 1-18a) yuna clula que forma parte de la pared del intestino (g. 1-3); FUNDAMENTALMENTE DIFERENTESson notorias las diferencias que existen entre estas dos clulas. Una vez que el microscopio electrnico estuvo disponi-No obstante, proceden de una clula ancestral comn que vivible, los bilogos fueron capaces de examinar la estructura inter-hace ms de tres mil millones de aos. Estas estructuras que na de una gran variedad de clulas. A partir de estos estudios secomparten las dos clulas relacionadas de forma distante, como encontr que existen dos tipos bsicos de clulas (procariotas y 23. 8 Captulo 1INTRODUCCIN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGA CELULAR Y MOLECULAR FIGURA 1-8 La estructura celu- lar. Esquemas generalizados deuna clula de bacteria a), vegetal b) y animalEnvolturac). Nota: los organelos no estn dibujados anuclearNcleoCloroplastoescala.Neoplasma NucleoloRetculoRetculoendoplsmico endoplsmico liso rugoso Flagelo bacterianoPared celular Membrana Peroxisoma plasmtica Aparato de Golgi Plasmodesma Ribosomas MitocondriaVacuola DNA del nucleoide RibosomasMembrana plasmtica VesculaPared celularCitosolMicrotbulosCpsula (a)(b)Envoltura nuclearRibosomas NucleoplasmaNcleo MitocondriaNucleoloAparato de Golgi Lisosoma Retculo Retculoendoplsmicoendoplsmicolisorugoso MicrolamentosPeroxisomaMembrana plasmtica CentrioloCitosolMicrotbuloVescula (c)eucariotas) que se diferencian por su tamao y tipos de estruc- de que la vida procariota existe desde hace unos 2 700 millo-turas internas u organelos (g. 1-8). La existencia de dos clases nes de aos. Estas rocas no contienen tan slo microbios fosi-distintas de clulas sin ningn intermediario conocido represen-lizados, sino tambin molculas orgnicas complejas que sonta una de las divisiones evolutivas ms importantes en el mun-caractersticas de tipos particulares de organismos procariotas,do biolgico. Las clulas procariotas, que en su estructura son incluidas las cianobacterias. Es improbable que tales molculasms simples, incluyen a las bacterias, mientras que las clulas se sintetizaran de manera abitica, esto es, sin la participacin deeucariotas tienen una estructura ms compleja e incluyen a losclulas vivas. El comienzo de las clulas eucariotas tambin estprotistas, hongos, plantas y animales.1 rodeado de incertidumbre. Los animales complejos aparecieron No se sabe con certeza cundo aparecieron las clulas porde forma ms repentina en los registros fsiles hace unos 600primera vez en la Tierra. Hay evidencias, obtenidas de fsilesmillones de aos, pero hay muchas evidencias de que los orga-nismos eucariotas ms simples estuvieron presentes en la Tierra1 Ellector interesado en examinar una propuesta para acabar con el concepto anta-desde ms de 1 000 millones de aos antes. El tiempo estima-gnico de organismos procariotas y eucariotas puede leer un breve ensayo de N. R. do de la aparicin sobre la Tierra de algunos de los principalesPace en Nature 441:289, 2006. grupos de organismos se consigna en la gura 1-9. Una vista 24. 1.3 D O S C L A S E S D E C L U L A S F U N D A M E N TA L M E N T E D I F E R E N T E S 9 Comparacin entre clulasCuadro 1-1Miles de millones de aosprocariotas y eucariotas MamferosCaractersticas comunes:PlantasSeres humanos vasculares Membrana plasmtica de estructura similarInvertebradosOrigen de Informacin gentica codicada en el DNA mediante cdigos con la Tierragenticos idnticos exoesqueleto Mecanismos similares para la transcripcin y traduccin de la Cenozoicoinformacin gentica, incluidos ribosomas semejantesMesoReino de Pa Rutas metablicas compartidas (p. ej., gluclisis y ciclo de los leo zoicolas algascidos tricarboxlicos [TCA]) zo ico Aparato similar para la conservacin de la energa qumica en 14forma de ATP (localizado en la membrana plasmtica deprocariotas y en la membrana mitocondrial de eucariotas)Inicia Mecanismos semejantes para la fotosntesis (entre Precmbrico la vidacianobacterias y plantas verdes) Mecanismos parecidos para sintetizar e insertar las protenas 23 de membrana ? Estructura similar (entre arqueobacterias y eucariotas) deEucariotas macroscpicosBacterias proteosomas (estructuras para la digestin de protenas)fotosintticasCaractersticas de las clulas eucariotas que no se encuentran Cianobacterias en procariotas: Divisin de la clula en ncleo y citoplasma, separados por unaFIGURA 1-9 Reloj biogeolgico de la Tierra. Esquema de los cinco milenvoltura nuclear que contiene estructuras complejas de porosmillones de aos de la historia del planeta que muestra el tiempo de apa- Los cromosomas son complejos y estn compuestos por DNAricin de los principales grupos de organismos. Los animales complejosy protenas relacionadas capaces de compactarse en estructuras(invertebrados) y las plantas vasculares aparecieron relativamente en perio-mitticasdos recientes. El tiempo indicado para el origen de la vida est sujeto a Organelos citoplsmicos membranosos complejos (incluidos elconjetura. Adems, las bacterias fotosintticas pudieron aparecer de maneraretculo endoplsmico, aparato de Golgi, lisosomas, endosomas,ms temprana y por tanto permanece la interrogante. Las eras geolgicas seperoxisomas y glioxisomas)indican en el centro de la ilustracin. (Reimpresa con autorizacin de Organelos citoplsmicos especializados para la respiracinD. J. Des Marais, Science 289:1704, 2001. Copyright 2001 Ameri-aerobia (mitocondrias) y fotosntesis (cloroplastos)can Association for the Advancement of Science.) Un sistema complejo de citoesqueleto (incluidosmicrolamentos, lamentos intermedios y microtbulos) Cilios y agelos complejos Son capaces de ingerir materiales lquidos y slidos y atraparlosdentro de vesculas membranosas plasmticas (endocitosis ysupercial de esta gura revela la manera en que la vida apareci fagocitosis)pronto despus de la formacin de la Tierra y el enfriamiento Paredes celulares (en plantas) que contienen celulosa La divisin celular utiliza un huso mittico que contienede su supercie, as como el tiempo que tom la subsecuentemicrotbulos para separar cromosomasevolucin de los animales complejos y plantas. Presencia de dos copias de genes por clula (diploida), un genque proviene de cada padre Presencia de tres enzimas diferentes para sintetizar RNACaractersticas que diferencian(polimerasas de RNA)a las clulas procariotas Reproduccin sexual que requiere meiosis y fecundacinde las eucariotasLa siguiente es una breve comparacin entre clulas procariotasy eucariotas que hace evidentes muchas diferencias bsicas entrevida de su interior. Aunque las paredes celulares de procariotaslos dos tipos, as como bastantes similitudes (vase g. 1-8). Lasy eucariotas pueden tener funciones semejantes, su composicinsemejanzas y diferencias entre los dos tipos de clulas se mues-qumica es muy diferente.tran en el cuadro 1-1. Las propiedades que comparten reejan En su interior, las clulas eucariotas son mucho ms com-que las clulas eucariotas casi con certeza evolucionaron a partirplejas (en estructura y funcin) que las clulas procariotas (g.de ancestros procariotas. A causa de su ancestro comn, ambos 1-8). La diferencia en complejidad estructural es evidente entipos de clulas poseen un lenguaje gentico idntico, un grupo las micrografas electrnicas de una clula bacteriana y una ani-comn de vas metablicas y muchas propiedades estructura-mal que se muestran en las guras 1-18a y 1-10, de manerales anes. Por ejemplo, los dos tipos celulares estn limitados respectiva. Ambas contienen una regin nuclear, la cual poseepor membranas plasmticas de estructura semejante que sirvenel material gentico de la clula rodeado por citoplasma. Elcomo una barrera de permeabilidad selectiva entre los mundosmaterial gentico de la clula procariota est presente en unvivo e inerte. Ambos tipos de clulas pueden estar recubiertosnucleoide: una regin de la clula no bien denida, sin mem-por una pared celular rgida y sin vida que protege la delicada brana, que lo separa del citoplasma circundante. En cambio, las 25. 10 Captulo 1INTRODUCCIN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGA CELULAR Y MOLECULAR Filamentos de citoesqueletoRibosoma LisosomaCitosol Membrana plasmtica Aparato de GolgiNcleoRetculoendoplsmicoliso Mitocondria Cromatina Nucleolo Retculo endoplsmicorugosoFIGURA 1-10 La estructura de una clula eucariota. Esta clula epitelial limita el conducto reproductivo en la rata macho. En los diagramas esquemticos,alrededor de la gura principal, se indican y muestran algunos organelos diferentes. (David Phillips/Visuals Unlimited.) 26. 1.3 D O S C L A S E S D E C L U L A S F U N D A M E N TA L M E N T E D I F E R E N T E S 11clulas eucariotas poseen un ncleo: una regin separada por Las clulas eucariotas tambin contienen numerosas estruc-una estructura membranosa compleja llamada envoltura nuclear.turas sin membrana celular que las limite. Los tbulos alargadosEsta diferencia de la estructura nuclear es la base de los trminosy lamentos del citoesqueleto estn incluidos en este grupo yprocariota (pro, antes; karyon, ncleo) y eucariota (eu, verdadero;participan en la contractilidad celular, movimiento y soporte.karyon, ncleo). Las clulas procariotas contienen relativamente Hasta hace poco tiempo se pens que las clulas procariotaspequeas cantidades de DNA; el contenido del DNA de unacarecan de un citoesqueleto, pero se encontraron en algunasbacteria se encuentra en los lmites de 600 000 a ocho millonesbacterias lamentos de citoesqueleto primitivo. Por el momen-de pares de bases, lo cual es suciente para codicar entre unas to es posible armar que el citoesqueleto de los procariotas es500 y varios miles de protenas.2 Aunque una simple levadura mucho ms simple en sentidos estructural y funcional en com-de panadera tiene slo un poco ms DNA (12 millones deparacin con los eucariotas. Las clulas eucariotas y procariotaspares de bases que codican alrededor de 6 200 protenas) quetienen ribosomas que son partculas no membranosas y funcio-los eucariotas ms complejos, la mayora de las clulas eucariotas nan como mesas de trabajo sobre las cuales las protenas deposee mucha ms informacin gentica. Las clulas procario-las clulas se elaboran. No obstante que los ribosomas de lastas y las eucariotas poseen cromosomas que contienen DNA.clulas procariotas y eucariotas poseen dimensiones considera-Las clulas eucariotas muestran un nmero determinado de cro-bles (los procariotas son ms pequeos e incluyen muchos menosmosomas separados, cada uno de los cuales posee una sola mol- componentes), estas estructuras participan en el ensamblaje decula lineal de DNA. En cambio, casi todos los procariotas que se protenas con un mecanismo similar en ambos tipos de clulas.han estudiado contienen un cromosoma circular nico. Lo msLa gura 1-11 muestra una micrografa electrnica con seudo-importante es que el DNA cromosmico de los eucariotas, acolor de una porcin del extremo citoplsmico de un organismodiferencia del de los procariotas, se relaciona estrechamente coneucariota unicelular. sta es una regin de la clula en la queprotenas para formar un material nucleoprotenico complejolos organelos limitados por membrana tienden a estar ausentes.que se conoce como cromatina.El citoplasma de los dos tipos de clulas tambin es muydiferente. El de una clula eucariota se conforma con una grandiversidad de estructuras, como es evidente por el anlisis demicrografas electrnicas de cualquier clula vegetal o animal (g.1-10). Incluso las levaduras, las clulas eucariotas ms simples,son mucho ms complejas desde el punto de vista estructuralque una bacteria promedio (comprese la g. 1-18a y b), aunqueestos dos organismos poseen un nmero de genes similar.Las clulas eucariotas tienen una disposicin de organe-los limitados por membrana. Los organelos eucariotas incluyenmitocondria, donde la energa qumica est disponible para ali-mentar las actividades celulares; un retculo endoplsmico, endonde se elaboran muchas de las protenas y lpidos de la clula;el aparato de Golgi, es el lugar en el que los materiales se cla-sican, modican y transportan a destinos celulares especcos,adems de diferentes vesculas simples, limitadas por membra-nas de tamaos diferentes. Las clulas vegetales muestran orga-nelos membranosos adicionales, incluidos los cloroplastos, loscuales son los sitios en los que se realiza la fotosntesis, y muchasveces una gran vacuola nica que puede ocupar la mayor partedel volumen celular. Tomadas como un grupo, las membranascelulares eucariotas sirven para dividir el citoplasma en com-partimientos, dentro de los cuales se llevan a cabo actividadesespecializadas. En cambio, el citoplasma de las clulas procario-tas est libre en esencia de estructuras membranosas. Las mem-branas fotosintticas complejas de la cianobacteria son una granexcepcin a esta generalizacin (vase g. 1-15).FIGURA 1-11 El citoplasma de una clula eucariota es un com-Las membranas citoplsmicas de las clulas eucariotas for-partimiento saturado. Esta micrografa electrnica coloreadaman un sistema de canales interconectados y vesculas que traba- muestra una pequea regin cercana al borde de un organismo eucariotajan en el transporte de sustancias de una parte a otra de la clulaunicelular que se congel de manera instantnea para su anlisis micros-y entre su interior y el ambiente. A causa de su tamao pequeo, cpico. La apariencia tridimensional que se observa fue posible por mediola comunicacin directa intracitoplsmica es menos importantede la captura de imgenes digitalizadas bidimensionales del espcimen en diferentes ngulos y la sobreposicin de ellas con una computadora. Losen las clulas procariotas, en las que el ujo de materiales puede lamentos del citoesqueleto se muestran en rojo, los complejos macromole-efectuarse por difusin simple.culares (sobre todo ribosomas) en verde y las membranas celulares en azul. (Reimpresa con autorizacin de Ohad Medalia, et al., Science 298:1211, 2002, cortesa de Wolfgang Baumeister, Copyright 2 Ochomillones de pares de bases equivalen a una molcula de DNA de alrededor2002 American Association for the Advancement of Science.)de 3 mm de largo. 27. 12 Captulo 1INTRODUCCIN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGA CELULAR Y MOLECULARLa micrografa muestra lamentos individuales de citoesqueleto los eucariotas, lo cual ha tenido considerable impacto en la evo-(rojo) y otros complejos macromoleculares grandes del citoplas-lucin microbiana (pg. 28).ma (verde). Casi todos estos complejos son ribosomas. Este tipoLas clulas de tipo eucariota poseen diversos mecanismosde imagen hace evidente que el citoplasma de una clula euca-de locomocin compleja, mientras que los de los procariotas sonriota est lleno, lo cual deja poco espacio para la fase soluble del relativamente sencillos. El movimiento de una clula procariotacitoplasma, el citosol.se lleva a cabo mediante un lamento delgado de protena lla-Otras diferencias relevantes pueden reconocerse entre lasmado agelo, el cual sobresale de una clula y es capaz de girarclulas eucariotas y procariotas. Las primeras se dividen por un (g. 1-14a). La rotacin del agelo ejerce presin contra el lqui-proceso complejo de mitosis, en el cual los cromosomas dupli-do circundante y da lugar a que la clula se impulse a travs delcados se condensan en estructuras compactas separadas por un medio.sistema que contiene microtbulos (g. 1-12). Este aparato, queAlgunas clulas eucariotas, incluidos muchos protistas yse conoce como huso mittico, permite a cada clula hija recibir clulas germinales, tambin poseen agelos, pero las versionesuna cantidad equivalente de material gentico. En los procario-eucariotas son mucho ms complejas que los lamentos pro-tas no hay compactacin de los cromosomas ni huso mittico.teicos simples de las bacterias (g. 1-14b), y el movimiento loEl DNA se duplica y las dos copias se separan de manera sen- genera un mecanismo diferente.cilla y precisa por el desarrollo de una membrana celular entreEn los prrafos anteriores se mencionaron varias de las dife-las dos. rencias ms relevantes entre los niveles de organizacin celularLa mayor parte de los procariotas corresponde a organis- procariota y eucariota. Se revisan muchos de estos puntos enmos asexuados, ya que slo contienen una copia de su nico captulos posteriores. Antes de asegurar que los procariotas soncromosoma y carecen de procesos comparables a la meiosis,inferiores, se debe considerar que estos organismos han perma-formacin de gametos o fecundacin verdadera. Aunque en losprocariotas no hay una reproduccin sexual verdadera, algunosson capaces de tener conjugacin, en la cual un fragmento deDNA se transere de una clula a otra (g. 1-13). Sin embargo,la clula receptora casi nunca recibe un cromosoma completode la clula donadora y el estado en el cual la clula receptoracontiene su DNA y el de su compaera es transitorio, ya que Bacteriala clula regresa pronto a su condicin de un solo cromosoma.receptoraAunque los procariotas no suelen ser tan ecientes como loseucariotas en el intercambio de DNA con otros miembros desu propia especie, captan e incorporan cido desoxirribonucleicoajeno que se encuentra en el ambiente con ms frecuencia que Pilo F Bacteria donadoraFIGURA 1-12 La divisin celular en eucariotas requiere el ensamble de unaparato muy elaborado llamado huso mittico, que separa cromosomas yest construido sobre todo por microtbulos. En esta micrografa, los micro-tbulos aparecen en verde porque estn enlazados de manera especca por FIGURA 1-13 Conjugacin bacteriana. Micrografa electrnica que muestraun anticuerpo unido a un colorante verde uorescente. Los cromosomas,un par de bacterias en conjugacin unido por una estructura de la clulaque casi se haban separado en dos clulas hijas cuando se j dicha clula, donadora conocida como pilo F, a travs de la cual se transere el DNA.estn teidos de azul. (Cortesa de Conly L. Rieder.)(Cortesa de Charles C. Brinton, Jr.
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