1. FIINiN GEINESER Sobre basesbiomoleculares Tercera edicin BLlENosAIREs- noccrr - cARAcAS- MADRID- lvrnoco - poRToALEGRE e-mail: info@medicapanamencarur.com www.medicapanamericana-com EDITORIAL MEDICA a pananreficana 2. Indice L Introduccin Quesla histologa? Quesuna clula? Forma y tamao de las clulas Caractersticasfisiolgicas de las clulas Componentesqumicos de las clulas 2 Mtodoshistolgicos Anlisis microscpico Microscopioptico Microscopio de campooscuro Microscopio de contrastede fase Microscopio de interferencia Microscopio de luz polarizada Microscopio de fluorescencia Microscopio de barrido confocal Microscopio de luz ultravioleta Microscopioelectrnico Microscopio electrnicodebarrido Microscopio de tnel de barrido Difracci de rayosX Mtodosde observacindirecta de clulasy tejidosvivos Cultivo de tejidos Manipulacin experimental de clulasvivas Mtodosde fraccionamientocelular Preparacine investigacinde teiidosmuertos Preparacinde tejidospara microscopiaptica Preparacinde tejidospara microscopiaelectrnica Mtodos histoqumicos Acidofilia y basofilia Metacromasia Mtodosbasadosen la reaccin de Schiff para grupos aldehdo Determinacinhistoqumica de lpidos Determinacinhistoqumica de enzimas Mtodosinmunohistoqumicos Histoqumicacon lectinas Hibridacin in situ Radioautografa Problemas en la interpretacin de cortesde teiido 5 1 5 2 '1, 1 z J 3 Citoplasma Organelascitoplasmticas Membranacelular (plasmalema) Retculoendoplasmtico granular(rugoso) Retculoendoplasmticoagra- nular (liso) Aparato de Golgi Lisosomasy endocitosis Peroxisomas Proteasomas Mitocondrias Laminillas anulares Centrosomay centrolos Citoesqueleto Filamentosde actina Microtbulos Filamentosintermedios Inclusionescitoplasmticas Depsitosde nutrientes Pigmentos 19 19 20 21, 2 1 22 Z 2 2 23 24 2 4 25 26 o 26 2 7 29 3 1 J Z J Z 35 60 6B 69 B 1 B3 B3 BB BB 90 91 94 9B 99 99 100 4 Ncleo celular 103 Morfologa generaldel ncleo 103 Organelasnucleares 1'O4 Nucleolema 1'O4 Cromatina 105 Nuclolo 113 Ciclo vital celular 116 Ciclo celular L19 Regulacindel ciclo celular 12o Replicacinde cromosomas 1'25 Divisin celular 1'28 Mitosis 125 Meiosis 133 Cromosomashumanos 138 Anomalascromosmicas 143 Cromosomassexualesy croma- tina sexual 1'46 40 41, J'J a o 40 42 42 45 45 46 5 De clulas a teiido Histognesis Diferenciacincelular 6 Epitelio 1 5 7 Clasificacin de epitelios 1'57 Epitelio plano simple 158 Epiteliocbicosimple 158 Epitelio cilndrico simple 158 Eoitelio cilndrico seudoestra- tificado 159 '1,49 145 I J l ffi 4 7 x 3. Epitelio plano estratificado Epitelio cbico estratificado Epitelio cilndrico estratifi- caoo Epitelio de transicin Caractersticascitolgicas especializadasde los epitelios Especializacionesde la super- ficie lateral Especializacionesde la super- ficie basal Especializacionesde la super- ficie libre Renovaciny regeneracinde epitelios Linfocitos Clulasplasmticas Granulocitoseosinfilos Granulocitosneutrfilos Mastocitos Inflamacin Tipos de teiido conectivo Tejido conectivolaxo Teiido conectivodenscr Tejido conectivomucoide Teiido conectivoreticular Tejidoadiposo 1 5 9 160 160 1 6 0 160 1 6 1 169 't 70 1,75 214 21,5 2't5 21,6 2 L 7 21,9 222 222 222 224 224 224 7 Glndulas y secrecin Glndulas exocrinas Mecanismosde secrecin Clasificacinde las glndulas exocrinas Caractersticashistolgicasde lasglndulasexocrinas Regulacinde la secrecin exocrina Glndulas endocrinas Caractersticashistolgicasde las glndulasendocrinas 185 Clulasglandularesendocrinaspro- ductorasde protenasy polipptidos 185 Clulasglandularesendocrinas secretorasde esteroides 1,Bz Regulacinde Ia secrecin endocrina 1,87 Efectode las molculasseal sobrelas clulasblanco 1 8 9 Efectode las molculasseal por medio de receptores intracelulares 1Bg Efectode las molculasseal por medio de receptoresde superficiecelular 1.52 Terminacinde la respuesta a Ia seal 19b I Teiido adiposo Histologadel teiido adiposo Tejido adiposocomn (unilocular) Tejidoadiposomarrn (multilocular) Histognesisdel tejido adiposo Histofisiologadel teiido adiposo Produccinde calor en el tejido adiposomarrn 1.77 L7B 1,79 't 79 182 1 8 3 1 8 3 227 2 2 7 2 2 7 228 229 232 '1,97 198 198 201, 202 203 205 206 207 207 208 208 209 209 2'12 239 t A a 242 ' A ' 243 243 243 243 243 245 245 245 249 250 25't- 2 5 2 254 254 2 5 4 L0 Sangre 235 Elementosfigurados de la sangre ZB5 Clulassanguneasvivas 236 Morfologade las clulassan- guneasen extendidos teidos 236 Ultraestructurade las clulas sanguneas Funcionesde la sangre Eritrocitos Plaquetas Granulocitosneutrfilos Granulocitosbasfilos Granulocitoseosinfilos Monocitos Linfocitos CICLO VITAL DE LAS CLULAS SANGUNEAS 244 Origen y desarrollo de las clulas sanguneas Hemopoyesisen el feto Clulasmadre hemopoyticas Regulacinde Ia hemopoyesis Ciclo vital de los eritrocitos Reticulocitos Ciclo vital de los granulocitos Ciclo vital de los monocitos Ciclo vital de los linfocitos Ciclo vital de los trombocitos L1 Mdula sea 2 5 7 Aspectomacroscpicode la mdulasea 257 Caractersticashistolgicasde Ia mdulasea 257 STejido conectivo Matriz extracelular (MEC) Fibrasde colgeno Fibrasreticulares Fibraselsticas Matriz amorfa Glucoprotenasadhesivas Biognesisde los componentes extracelulares Clulas Fibroblastos Clulasreticulares Clulasmesenquimticas Adipocitos Monocitos y macrfagos Clulasdendrticas X 1/ D 4. L2 Teiido esqueltico CARTILAGO Cartlago hialino Histognesis Condrocitos Matriz cartilaginosa Cartlagoelstico Cartlago fibroso Variaciones etarias del cartlago Regeneracinde cartlago Histofisiologa TEJTDOSEO Organizacinmacroscpicadel teiido seo Caractersticashistolgicasdel teiido seo Matriz sea Sustanciafundamental Colgeno Salesminerales Clulasseas Clulasosteoprogenitoras Osteoblastos Osteocitos Clulasde recubrimiento seo (osteocitosde superficie) Osteoclastos Histognesis Osificacinintramembranosa Osificacinendocondral Desanollode los huesoscortos Modelacinde los huesos Irrigacin e inervacin de los nuesos Histofisiologa ARTICULACIONES Sinartrosis (articulaciones fibrosas y cartilaginosas) Sindesmosis Sincondrosis Sinostosis Snfisis Diartrosis (articulaciones sinoviales) Cartlago articular Cosulaarticular fibrosa Membranasinovial Lquido sinovial 263 263 263 263 264 265 266 266 267 267 267 268 268 269 2 7 L 2 7 1 2 7 1 272 273 273 274 2 7 5 2 7 5 275 278 278 2BO 285 285 288 290 292 292 292 252 253 293 254 294 295 295 296 Msculo esqueltico 305 Caractersticasdel msculo estriadocon el microscopio otico 306 Ultraestructurade la muscu- latura esqueltica 309 Contactoneuromuscular 318 Fibrasmuscularesrojas,inter- mediasy blancas 319 Histognesis 32L Crecimientoy regeneracin 32'1. Msculo cardaco 32'1. Caractersticasdel msculo cardacocon el microscopio otico 322 Ultraestructurade la muscula- tura cardaca 322 Histognesis 325 Crecimientoy regeneracin 325 L3 Tejido muscular Msculo liso Caractersticasdel msculo liso con el microscopio ptico Ultraestructurade la muscu- latura lisa Inervacinde Ia musculatura lisa Histognesisde Ia musculatura lisa 299 300 300 301 304 305 3 2 7 3m 329 329 348 349 350 3 5 3 354 354 356 357 359 360 360 360 365 365 365 366 367 368 369 373 XI 1a Teiido nervioso Neuronas Ncleo Pericarion Prolongacionesde Ia neurona (dendritasy axn) 332 Tipos de neuronasy distribucin 334 Terminalesaxnicasy sinapsis 336 Neuroglia o glia 344 Clulasde la neuroglia 345 Epndimo 348 Revestimiento de las fibras nerviosas Fibrasnerviosasperifricas amielnicas Fibrasnerviosasperifricas mielnicas Fibrasnerviosascentrales mielnicas Sustanciagris y sustancia blanca Nervios oerifricos GanglioJ El sistema nervioso autnomo Neurotransmisoresen el sistemanerviosoautnomo Terminales nerviosas perifricas Terminalesnerviosaseferentes (motoras) Terminalesnetviosasaferentes (sensitivas) Meninges,vasossanguneosy cavidadesdel sistemanervioso central Duramadre Aracnoides Piamadre Ventrculoscerebralesy plexos coroideos Barrerahematoenceflica Histognesisdel sistema nervioso Degeneraciny regeneracin de neuronas ffi 5. 15 Aparato circulatorio 3zT Estructura de los vasossanguneos377 Arterias 378 Arterias elsticas 375 Arterias musculares 375 Sistemamicrovascular 381 Arteriolas 381 Capilares 381 Vnulas 384 Endotelio e intercambiode sustancias 385 Venas 3BB Venaspequeasy medianas 3BB Grandesvenas 3Bg Valvasvenosas 3Bg "ganosy estructurasvasculares especiales 390 Sistemasde vasosporta 390 Anastomosisarteri-ovenosa 390 Glomo carotdeoy glomo artico Corazn Endocardio Miocardio Epicardio Eitructuras de teiido conectivo en eI corazon Sistemade conduccinde la excitacincardaca Irrigacin sangunea,vasoslinf- ticos y nervios del corazn Sistema de vas linfticas Estructurade las vas linfticas Histognesisdel aparato circula- torio Histofisiologa Filtracin y fagocitosis Funcionesinmunolqicas BAZO Caractersticas histolgicas del bazo Circulacin del bazo Pulpa blanca Pulpa roja Circulacin intermedia del Histognesis Histofisiologa Funcin filtrante Funcionesinmunolgicas 4 3 2 4 3 2 432 434 435 4 3 6 4 3 6 4 3 8 bazo 438 4 3 9 440 440 440 TEJIDO LINFOIDE ASOCIADO A MUCOSAS (MALT) 441 TEJIDO LINFOIDE ASOCIADO CON LA PIEL (SALT) 442 SISTEMA INMUNOLOGICO Inmunidad Tipos de linfocitos Vigitanciainmunolgicay recirculacin de linfocitos Respuestasinmunolgicas primaria y secundaria TIMO Caractersticashistolgicas del timo Inigacin e inervacin Histognesis Involucin Histofisiologa GANGLIOS LINFTICOS Caractersticashistolgicasde los ganglios linfticos Senoslinfticos Irrigacin sangunea Xil 401, 402 405 18 Aparato digestivo 17Piel Epidermis Queratinocitos Melanocitos Clulasde Langerhansy linfo- citos Clulasde Merkel Dermis Pelo Crecimientodel pelo Uas Glndulas cutneas Glndulassebceas Glndulassudorparasapocrinas Glndulassudorparasecrinas Irrigacin sangunea Vas linfticas Nervios Histognesis Estructura general del tracto digestivo BOCA Cavidad oral Labiosy mejillas Encas Paladar Lengua Glndulas salivales Caractersticashistolgicasde Iasglndulassalivales Grardesglndulas salivalespares Dientes Histognesisy caractersticas histolgicasde los dientes Faringe Amgdalas Amgdalaspalatinas 390 391 392 392 392 393 394 395 395 396 397 445 445 4 4 7 451, 4 5 3 4 5 5 4 5 5 455 4 5 7 4 5 8 460 460 46L 4 6 1 463 463 464 464 16 Sistemainmunolgico, y tejidosy rganos linfoides 401, 4't't 41,3 421, 42'1, 4 2 3 424 425 4 2 5 4 2 7 4 2 7 A a 1 431, 465 466 466 466 466 4 6 7 467 468 4 7 2 4 7 3 475 475 4 7 7 482 4 8 3 483 lND) 6. Amgdala lingual Amgdala farngea Funcin TRACTO ESOFAGOGASTRO. INTESTINAL Esfago Caractersticashistolgicas Histofisiologa Estmago Tnica mucosa Tnica submucosa,tnica muscular y tnica serosa Sistema enteroendocrino Intestino delgado Tnica mucosa Tnica submucosa Intestino grueso Apndice vermiforme Irrigacin sangunea,vas linf- ticas e inervacin del tracto esofagogastrointestinal Irrigacin sangunea Vas linfticas Nervios GLNDULAS DIGESTTVAS ANEXAS Pncreas Pncreasexoctino Pncreasendocrino Regeneracin Hgado Caractersticashistolgicasdel hgado Vasbiliares Vesculabiliar Regeneracin Funcionesdel hgado Tuboscolectores Aparato yuxtaglomerular Tejido intersticial Irrigacin sangunea Vas linfticas Inervacin Vas urinarias Caractersticashistolgicasde las vas urinarias excretoras 575 Uretra 577 21 Sistemaendocnno Hipfisis Histognesis Parsdistalis Parsintermedia Parstuberalis Irrigacin sanguneade la hipfisis Neurohipfisis Glndula pineal Caractersticashistolgicasde la glndula pineal Inervacin Histofisiologa Glndula tiroides Caractersticashistoleicasde Ia glndulatiroides 5S6 Glndulas paratiroides 600 Caractersticashistolgicas de las glndulasparatiroides 600 Glndulas suprarrenales 602 Caractersticashistolgicasde la cortezasuprarrenal 602 Caractersticashistolgicasde la mdula suprarrenal 606 Irrigacin sangunea 609 Inervacin 609 Histognesis Sistemaneuroendocrino difuso 22 rgarrosde la reproduccin 6 1 3 ncaNos REPRoDUCToRES FEMENINOS 61.4 Ovarios 615 Folculosovricos 615 Ovulacin 623 Atresia 623 Formacindel cuerpolteo 625 Clulasintersticialei Y clulas del hilio Trompas uterinas Utero Endometrio Modificacionescclicasdel endometrio Miometrio Perimetrio V.agina Organossexualesexternosfemeninos 484 484 485 485 486 486 486 4BB 489 496 496 498 499 504 5 0 5 507 508 508 508 509 5 1 0 5 1 0 5 1 1 J I I 51,7 5 1 8 5 1 8 524 526 528 529 570 5 7 2 5 7 2 573 575 575 5 7 5 5 8 1 5 8 1 582 5 8 3 5 8 6 587 587 5 BB 590 590 592 5 9 3 595 L9 Aparato respiratorio Fosasnasalesy senosparanasales Reginrespiratoria Reeinolfatoria Seosparanasales Nasofarige Laringe Caractersticashistolsicas de la laringe Trquea Caractersticashistolsicas de la trquea Bronquios principales Pulmones rbol bronouial Reginrespiratoria Caractersticashistolgicas de la pared alveolar Pleura - 609 6095 3 5 5 3 5 5 3 5 5 3 6 537 537 s3 B 5 3 8 5 3 9 5 3 9 541 542 543 546 547 552 626 6 2 7 629 630 632 20 Aparato urinario Riones Nefrn 5 5 5 5 5 5 5 5 6 634 6 3 5 6 3 5 637 ffi ilil 7. ORGANOS REPRODUCTORES MASCT]LINOS Testculos Tbulos seminferos Duracin de la espermatognesis Tejido intersticial Sistema de conductos excretores testiculares Tbulos rectos y rete testis Conductillos eferentes Conducto del epiddimo Conducto deferente Conducto eyaculador Glndulas sexualesmasculinas accesorias Vesculasseminales Prstata Glndulas bulbouretrales Pene Irrigacin sangunea PLACENIA Desarrollo de la placenta Fertilizacin, escisin y forma- cin del blastocisto Implantaciny desarrollo temprano de la placenta Caractersticas histolgicas de la placenta Membrana placentaria Circulacinplacentaria Funciones de la placenta Metabolismo placentario Intercambio de sustanciasen la placenta Produccinhormonal de la placenta Histognesis Papila y arola mamaria Caractersticas histolgicas 24El oio Caractersticasgeneralesdel ojo Trnicafibrosa del oio Crnea Esclertica Limbo Tnica vascular del oio Coroides Cuerpociliar Iris Trnica interna del ojo Medios pticos de difraccin Cristalino Cuerpo vtreo Anexos del oio Prrpados Conjuntiva Aparato lagrimal 638 639 640 647 647 652 652 652 653 655 655 687 687 689 689 692 693 696 696 698 70L 704 71,9 71,9 72L 722 722 724 725 656 656 657 659 660 662 663 663 663 729 729 730 730 730 730 730 731, 731 665 669 67L 672 672 672 672 674 25 El odo Caractesticasgeneralesdel odo Odo externo Pabelln auricular Conducto auditivo externo Odo medio Cavidad timpnica Membrana del tmpano Huesecillosdel odo Antro mastoideoy celdas mastoideas Trompa de Eustaquio Odo interno Laberintoseo Laberinto membranoso Laberinto vestibular Laberintococlear Inervacin del odo interno Irrigacin sanguneadel odo interno publicaciones hrce analtico 732 732 732 732 735 735 740 752 752 755 23 Gkndulas mamarias 6ze Referenciasde ilushaciones reproducidas de obas 679 679 680 761 XN 1N D 1 8. Introduccin ,,cuandoseesmuy joven y sesabeun poco, lasmontaas sonmontaas,el agua es aguay losrbole on rboles. Cuand seha estudiado y se esLedo,lasmontaas y" i" t" montaas,eI aguaya no es agua y los tboles_yo no son tboles. Cuando 'se es sabio, nuevamentelas montaas ion montaas, el agua esagua y los rboles son tboles" Antiguo refrn del budismo Zen. Ques la histologa? De acuerdo con la haduccin literal, la palabra histologa significa "el estudio del iejido" y serefiere al anlisisde la compo- sicin microscpicay la respectivafuncin del material biolgico. Las primeras inves- tigaciones histolgicas fueron posibles a partir del ao 1600,cuando seincorpor el iecientementeinventado microscopio a los estudios anatmicos.La anatoma, que es el estudiode Ia forma y Ia esttuctura de los organismosvivos,comienzaentoncesa di- vidirse demaneragradualen anatomama' croscpica,que comprendelas estructuras observablesa simple vista, y anatoma mi- croscpica,que requiereel uso de auxilia- respticos. Marcello Mafpighi es el fundador de la histologay su nombrean estligado ava- riasestructurashistolgicas.En 1665,Hoo- ke descubreque el telido vegetalestcom- puestopor pequeascmaras,a las que de- nomina clulas (lat. ce11o,pequeahabita- cin o cimara),mientras que el ncleo ce- lular o ncleo (lat. original nuculeus,semi- lla de una nuez pequea,la ncula; gr.ka!- yon) recin sedscubrepoco despusde la introduccin de microscopios compuestos mejorados,alrededor del ao 1830. Este adelantotcnico pronto conducea la gene- ralizacin msbsicade Ia cienciabiolgi- ca, la teora celular, desarrolladaen 1B3B por SchleidenpIrael reino vegetal,y en ress po. Schwann parael reino animal' Es el recnocimientode quela clula esel ele- mento fundamental del organismo,al que, en ltima instancia, se deben trasladarto- doslos procesosvitales,y que las plantasy Ios animalessonagrupacionesde estasuni- dades vivas potencialmente independien- tes.En consecuencia,apartir de entoncesel estudiodela clula o citologa (gr.,k4os,es- otra clulaJ.Casien la misma pocasearri- b a la importante conclusin, an actual, de que slo existen 4 tejidosfundamenta- 1es,s decir tejido epitelial, tejido conec- vo, teiido muscular y teiido nervioso' De acuerdo con lo expuesto, gradual- mente qued claro que la clula es el ele- mento fundamental de los organismosvi- vos.El teiido seforma por la agrupacinde clulas con la misma funcin. Los rganos son unidades funcionales mayores, com- puestaspor distintos tipos de tejido, por iemplo,el hgadoy el bazo.Los sistemas de rganoscomprendenvariosrganoscon funciones relacionadas,por eiemplo, el aparatorespiratorio,formadopor Ia nariz, l laringe. la hquea,los bronquiosy los oulmones. Por Imo, los sistemasdifusos efinen grupos celularescon funcionesre- lacionadas, Iocalizadas en varios rganos distitos, por eiemplo, el sistemainmune. Si bien por su etimologala palabrahistolo- ga significaestudiode Ios tejidos.la asig- aturhistologo incluye,adems,Ia esuc- tura de las clulasy de los rganos,es de- cir, el estudio de las clulas o citologa, el estudio de los teiidos o histologa propia- mentedicha y el estudio de la estructurade los rganoso histologaespecializada. Distintos adelantostcnicoshan permi- do un desarrollocasiexplosivo de la inves- tigacinhistolgica.En el prximocaptulo se ver algunosde ellos, por ejemplo,la microscopia electrnica,la radioautograffa, el fraccionamientocelular,la inmunohisto- qumica y la reciente tecnologa gentica cbn hibridacin rn sifu. Aqu slo sedesta- car que su aplicacin ha revolucionado por completo los conocimidgt y la com- prensin de la estructuray la funcin ms minuciosas. a nivel molecular. Mientras quesepuedeconsiderarquela palabracito- loga serefiere con preferenciaa la estruc- tura celular, las muchas tcnicasrecientes, y en especiallas aplicacionescombinadas' creanuna nuevaasignaturainterdisciplina- ria, la biologa celular, que integran la es- tructura, la bioqumica, la fi.siologay la ge- ntica a nivel celular. En gran parte debido a estereciente de- sarrollb a nivel de investigacin,la histolo- qaocupaun lugarcentralen la educacin ! la investigacinmdicas.Al explicar las cAPruto INTRODUCCION 1 9. Plasmalema Citoplasma Nucleolema Ncleo Fig.l-1. Dibujoesquemticode una clula. interrelacionesentrelasclulas.los teiidos y la estructuray la composicinmolecular de los rganos,la histologarepresentael nexo deunin entrela bioqumica,la fisio- Iogay la gentica,por un-lado,y los pro- cesospatolgicosy la clnica,por el otro. Qu es una clula? A continuacin se intentan explicar brevementeIaspropiedadesbiolgicaiy es- tructurales generalesde las clulas, ates de analizalascon mayor detalleen los pr- ximoscaptulos. La sustanciaviva presenteen los vegeta- les y los animales se denomina protoplas- ma (gr. protos, primero; plasma lo forma- do),por lo tato, la clula eslamnima por- cin de protoplasma que posee existencia independiente. Los organismos animales ms simples,Ios protozoos(gr.zoon, an- Mitocondrias Cromatina a 2 INTRODUCCIN mal), estrnformadospor una nica clula, pero todoslos animalessuperiorespertene- cenalos organismosmulticelulares o meta- zoos (gr.mefa, posterior;los metazoosapa- recieron con posterioridad a los protozoos, en la evolucin), que sepueden considerar comoun "estado"de clulasindividuales. La sustanciaviva de la clula o proto- plasma incluye el ncleo. compuestopor nucleoplasma,y el protoplasmacircundan- te o citoplasma(fig.1-1).Todala clulaes- t rodeadapor una membranamuy delgada de protoplasma especializado,la membra- na celular o plasmalema (gr.lemmo, mem- brana),quedeterminalos lmites de la clu- la comounidad estructural.Del mismo mo- do, el nucleoplasmasemantiene separado del citoplasmapor medio de una mmbra- na de protoplasmaespecializado,la mem- braranuclear o nucleolema. El ncleo y el citoplasmacontienenva- rias estructurasidentificablescon el mi- croscopioptico,denominadasorganelase inclusiones.Se consideraa las organelas como los rganosintemos pequeosde la clula.Sonunidadesde protoplasmaespe- cializado,con funcionescelulaesespecfi- cas.Algunosejemplosde organelaicito- plasmticasson las mitocondrias(produc- cin de energa),el ergastoplasma(sntesis de protenas)y el aparatode Golgi(depsi- to de sustanciasde secrecin),mientras queel nuclolo(cuerponuclear)esuna or- ganela nuclear (hg. t-z). Las inclusiones son prescindiblesy a menudo componen- tes celularestemporarios,que sintetizala mismaclulao soncaptadosdel medio cir- cundante,por ejemplo, depsitosde nu- trientesy pigmentos. El resto del citoplasma,que rodea las organelasy las inclusiones,aparecepoco Fig. 1-2. Ejemplosde or- ganelas e inclusiones. a es un fibroblasto(clula de tejidoconectivo)y b es unaclulasecretoraoan- cretica.(SegnGiese.) Nuclolo Ergastoplasma Gotasde grasal, I !t $ I Grnulode secrecin Aparatode Golgi : " -t- C A P I T U 10. Clulas procariotas Si bien los temastratadosen el resto del libro se refieren a clulas nucleadas o eucariotas (gr. eu, bueno, verdadero; karyon, semilla), cabe destacarque las clulas anucleadas o procariotas (gr. protos, primero) han desempeado un papel muy importante en la investiga- cin dela biologamolecularcelular.Las clulas procariotas incluyen las bacte- rias y cianobacterias (antes denomina- das algasverdeazuladas),que son clu- estructuradocon el microscopio ptico y sedenominacitosol. Forma y tamao de las clulas Losmamferosestnformadospor Sran cantidadde distintostipos celulares,cada uno con funciones especficas.La espe- cializacinfuncional causalas correspon- dientesdiferenciasde aspecto,quepermi- ten identificar los distintostipos celulares medianteel microscopio,segn se ver ms adelante.Aqu slo se presentanlas variacionesde forma y de tamao. Forma. La relacin entre forma y fun- cin seobservacon mayor claridad en las clulas nerviosas,que poseenlargaspro- longaciones(en algunoscasos,con longi- las pequeas,ms primitivas, que care- cen de ncleo celular.El DNA estcom- puestopor una nica molcula circular, sin protena histona asociada. Se en- cuentra en contactodirecto con el resto del protoplasma,quecIrecede organelas limitadas por membrana,tales como mi- tocondrial o aparatode Golgi.El nombre procariotasedebea que estetipo celular apareci antes que las eucariotas en la historia de la evolucin. tud superiora un metro)con las cualeslo- granhacercontactocon clulasmuy aleia- das,a lasqueafectana pesardela aprecia- ble distanciaque las separa.Otro eiemplo sonlasclulasmusculares,muy alargadas, que cuandosecontraenpermitenun nota- ble acortamientolongitudinal (fig. 1,-3J. Sin emborgo,la forma de las clulas no estcondicionadaslopor sufuncin. En un medio lquido, muchasclulasadoptan una forma redondeadao esfrica.Cuando las clulas se encuentranen masascom- pactas,por ejemplo,enlosepitelioso el te- jido adiposo,suformaapareceafectadapor la presin ejercidapor las clulascircun- dantes,igual que en lasburbuiasde iabn. En consecuencia,adoptanla forma poli- drica,esdecir,con muchascaras.Algunas clulasno presentanuna formaconstante, sino que lJ modifican con ftecuencia,por ejemplo,algunosde los leucocitos. Tamao.Tambinel tamaode las dis- tintas clulasesmuy variable(fig. 1-3).E1 tamao promedio de la mayora de las c- lulos varo entrc 10-60 ltm (t tm = 1/1.000mm, vansecuadro 1'-1y fig. 1"a), si bien las ms pequeas(eucariotas)tie- nen un dimetrode 4 pm. Algunosgrupos animalesposeenclulasde mayor tamao que otros, por ejemplo, los anfibios pre- sentanclulas grandes,mientras que los mamferos tienen clulas relativamente pequeas. No existe relacin entre el ta' mao de un animal.y el tamao de las c- )ulosque lo componen. Fig.1-3. Dibujoesquemticoque ilustrala va- riacin de las clulasen cuanto a forma y ta- mao.Todaslasclulasestndibuiadascon el mismoaumento(x900) La circunferenciaexte- riorcorrespondeal tamaode un oocitohumano maduro.Dentrodelcrculose distinguen:a, un espermatozoide;b, un adipocito;c, unfibroblas- to;d, un eritrocito;e, un leucocito;f, unaclula de msculoliso;g, unaneurona;h, unaclula de sostndeltejidoconectivo.(SegnWindle.) C A P I T U L O INTBODUCCION 3 11. Caractersticas fisiolgicas de las clulas Las clulas poseen propiedades funda- mentales,denominadasvitales (lat. ra,vi- da),porque precisamenteson expresinde quelas clulassoncosasvivas,no inanima- das.A continuacin severn algunasgene- ralidadessobreestaspropiedadesfisiolgi- cas (esdecir, funcionales normales)o "ex- presionesvitales".En un organismoanimal pluricelular (se considera que el hombre, por ejemplo,estcompuestopor alrededor de 101aclulas)la considerableespecializa- cin de los distintostiposcelularesimplica que no todasestaspropiedadesestnpre- sentesen Ia totalidadde las clulas.Por lo tanto, el elevadonivel de desarrollode una funcin en un determinado tipo celula-ra menudoseproduceen detrimentode olras propiedadeJ. Absorcin.RepresentaIa capacidadce- lular decapta-rsustanciasdel medio circun- dante. Secrecin.Ciertasclulasestcapacita- dasparatransformalasmolculasabsorbi- dasenun productoespecfico,queluegoes eliminadobajola formade secrecin. Excrecin.Lasclulaspuedendescarta Iosproductosde desechoiormadospor sus procesosmetablicos. Respiracin. Las clulasproducen ener- gamediantela utilizacin del oxgenoab- sorbidoen Ia oxidacin de los nutrientes. Estadegradacindelosalimentos,quecon- sumeoxgeno,sedenominarespiracince- lular. Irritabilidad. EsIa caracidadde la clu- la de reacciona ante un estimulo, oor eiemploIa luz, o una accinmecnico qumica. Todaslas clulas son irritables, peroestapropiedadestmsexacerbadaen Iasclulasnerviosas. Conductividad.Una de Iasposiblesreac- cionesanteun estmuloirritante es la for- macinde una ondaexcitatoriao impulso, queseextiendedesdeel punto deirritacin haciatoda la superficiede la clula.La co- pacidad de tranimitir un impulsosedeno- mina conductividad. La irritabilidad y la conductividad son las principalespropie- dadesfisiolgicasde lasclulasnerviosas. Contractilidad. Se designaasIa capa- cidad de la clula de acortarseen una di- reccin determinada,como reaccinante un estmulo.La contractilidad es una ca- x1 x 1 0 l c m 1 m m 1 0 0p r'--t 4u[ri t l tf 1ou 1 p t l ll tt o , 1 p Fig. 1-4. Este quemticoorie tor sobrela rel l-llPoTlsls los tamaos e (SegnGarve Vellosidad intestinal Oocitox100 x1.000 x10.000 x100000 x1000.000 x10.000.000 Eritrocito V Longitudes de onda rQrvisibtes Virus Protenas globularesy filamentosas Anillode oenceno 0,0001F(1A) x100000.000 Atomode caroono racterstica especial de las clulas muscu- lares. Reproduccin. Las clulas poseen la ca- pacidad de renovarse por crecimiento y divisin. El crecimiento celular est limi- tado por Ia sntesis de una mayor cantidad 0,001r 10-3mm = 10{ mm = 10_3Um= 10-7mm = 10r pm = 10-1nm _ l m m 1 u m 1 n m 1A = 1O3Um= 106nm= 10?A = 1 0 3 n m = 1 0 a = 1 0 lm = micrmetro nm = nanmetro = Angstrsm Cuadro1-1.Un histolgicasde C A P T U4 INTRODUCCION 12. de sustanciacelular, mientras quemedian- te la divisin celular se generan clulas nuevas,por particin de las ya existentes. Componentesqumicos de las clulas En Itima instancia, las propiedades de las clulasvivas estnlimitadas por las ca- ractersticasde las molculas que las com- ponen. Por lo tanto, como conclusin de este captulo de introduccin, se analiza- rn brevemente las propiedades qumicas bsicasde la clula,paralograrla necesa- ria comprensin de ls relaionesbiolgi- cascelularesy molecularesmscomplejas, que severn ms adelante. Los componentesqumicos de la clula se pueden dividir en inorginicos (aguay sales)y orgnicos (protenas,hidratos de carbono, lpidos y cidos nucleicos).La mayor parte de la clula est compuesta por agua(7o-Boo/o),mientrasquecasila to- talidad del resto est formado por com- puestosorginicos(slo alrededordel 1% esmaterial inorgrinico). Agua. Como ya se mencion,la mayor parte de la clula es agua.Es indispensa- ble, dadoquecasitodaslasreaccionesqu- micas v, en consecuencia,las actividades celulas,se producen en medio acuoso. Estosedebea una de las propiedadesms importantesy bsicasdel agua,la capaci- dad oara actuarcomo solventede sustan- ciason cargay polares,lo cual, a su vez, se relacionacon el pequeotamaode la molcula de aguay su fuerte polaridad. La polaridaddela molculadeaguaper- mite que penetre entre los iones u otras molculaspolaresde las sustaciasslidas y seforme una cubierta en la superficie de las demsmolculaso iones,por Io que se produce una fuerte disminucin de la atraccin entre estosltimos. De estama- nera se separIy se disuelven. La polari- dad de las molculas de agua contribuye tambin a que seformen mltiples enlaces dehidrgeno con lasmolculasde aguave- cinas (entre los tomos de oxgeno, con cargarelativamente negativa,y los tomos de hidrgeno,relativamentepositivos, de las molculasadyacentes).De estemodo, en todo momento,cadamolcula de agua forma 3 enlacesde hidrgeno con lasmol- culasvecinasde aguaen estadolquido, lo oue crea un reticulado tridimensional de molculas de agua,con uniones muy fuer- tes.En consecuencia,las sustanciasno po- lares.quecarecende sitioscon cIrRa,no se nuedenadosaral reticuladode las"molcu- las de agua,por lo que no sedisuelven. Si, por el contrario, lasmolculasqueintentan penetrar en el reticulado de molculas de aguaposeensitospolareso con carga,com- netirinen atraccin con las molculas de gua,por ende,el reticulado sepuede abrir y formar un espacioalrededor de la mol- culapolar.Loscompuestoscon enlacesso- Iubles en agua,como por ejemplo las sus- tanciaspolares,tambin se denominan hi- drfilos (gr. hydro, agra; filein, amor), mientras que las sustanciasno polares,no solublesen agua,sedenominan hidrfobas (gr.fobos, temor). Si gran cantidad de sus- tanciasno polares,hidrfobas,se colocan en agua,lasmolculaspresionadasintenta- rn unirse y formar esferaspara disminuir Ia superficieque est en contactocon el agua. Este fenmeno se denomina ahac- cin hidrfoba o no polar. Seobservacon facilidad si se intenta mezclar, por ejem- plo, aceitecon aguapor agitacinen una botella.El aceiteno essolubleen aguay se agrupa en gotas redondas.Este tipo de mezclainestablede doslquidos no misci- bles,tambinsedenominaemulsin.Si se dejaenreposola botella,despusde Ia agi- tacin, se unen las gotasy muy pronto se separael agua del aceite,para formar dos capas,la superiordeaceitedebidoa sume- nor densidad. Tambin contribuye con fuerzaa laspropiedadesdel aguacomosol- vente la capacidad de las molculas de aguapara formar con facilidad enlaceshi- drgenocon otrassustancias.Como seve- r ms adelante, est-asrelaciones entre aguay molculaspolaresy no polarestie- nen gran importancia para Ia estructurade las cIulas, en especid para laspropieda- desde la membrana. La gran fuerzade atraccinentrelas mo- lculasde aguaescausalde la grancapaci- dad de acumular calor que tiene el agua, dado que el calor entregadoprimero debe romperlos enlaceshidrgeno,antesdeque aumente la temperatura. Este proceso es muy importanteparala estabilizcinde la temperaturade las clulas.La gran tensin superficial del aguatambin se debe a Ia unin entrelas molculas.Por ltimo, no se debe olvidar que las molculas de agua intervienen directamente como reactantes en numerosasreaccionesenzimticas. Sales.Los iones de las salesminerales tienen gran importancia en el manteni- miento de la presin osmtica dentro de la clula.Lasconcentracionesintracelula- resdifieren de las del lquido extracelular. Es especialmentecaractersticoque la c- lula ooseeuna elevadaconcentracinde K* y Mg**, mientras que Na*, 6*t y Cl aparecensobretodo en el Iquido extrace- lular. La mayor concentracinde aniones celulares correspondeal fosfato. Ciertos iones inorgnicosson cofactoresimpres- cindibles de procesos enzimticos, por ejemplo,los ionesde calcio. Protenas. Las protenas (gr. proteios, de primer ordenJtienen importancia fun- damental en la estructura y la funcin de las clulasy del organismocomo unidad. C A P I T U L O INTRODUCCION 5 13. Enlacesqumicosy polaridad Se denomina enlace qumico a las fuerzas que mantienen unidos los to- mos de las molculas. Las uniones electrostticas {tambin denominadasenlacesiongenos)sepro- ducen cuando un ion o un grupo de io- nes son atradospor un ion o un grupo de iones con cargaopuesta.Seforma un ion cuandoun tomolibera o captaelec- tronesy seforma as una cargaelctrica. Si el tomo libera uno o ms electrones se forma tn catin con carga positiva, por ejemplo Na*, debido al exceso de protonescon cargapositiva en el ncleo respectoa la cantidad de electronescon carganegativaque rodeanel ncleo. Por el contrario,si un tomocaptauno o ms electrones,se forma w anin con cr-rga negativa,por ejemplo, Cl-, en este caso debido al excesode electronesnesativos respectoa Ios protonespositivois.Por ejemplo, en condiciones adecuadas,un ion sodio cede con facilidad un nico electrn a un tomo de cloro, para for- mar los ionesNa*y Cl-. La cargaopuesta de los dos iones produce una atraccin, un enlaceelectrostticoo iongeno,que los mantieneunidos paradar NaCl en es- tado slido. Las unibnes electrostticas son los enlacesqumicosms fuertes.Se requierenalrededorde 320kilojoule (kJ) por mol para romper el enlaceentre los iones formados en sustanciasslidas o cristales.Si hay otras molculas carga- das presentes,stasson atradaspor las cargasopuestasy se forma una cubierta protectora alrededor de los iones. La atraccinentrelos ionessedebilita debi- do a estacubierta,Io cual facilita la sepa- racin.Esteprocesoes muy notableen las molculasde agua,debido a suspro- piedadespolares(vasems adelante),y slo se requierenalrededorde B kJ/mol para romper los enlaceselectrostticos cuando los iones estn recubiertospor una capa superficial de molculas de agua.Estoexplicapor qulos ionessese- paran con facilidad en un medio acuoso y se disuelven para formar iones fibes, Enlacescovalentes.Comosevio antes, al formarselas uniones electrostticasse cedeny se captan electrones.Paracrear los enlacescovalentes,los tomos com- parten electrones.El ejemplomssimple Io representala formacindel hidrgeno molecular,H, a partir de dos tomosdel elemento.Si dos tomosde hidrgenose acercanlo suficiente,el resultadopuede ser que Ios dos electronesprovenientes de los tomosde hidrgenoen conjunto completenla rbita electrnica,que pasa 6 INTRODUCCION arodearambostomos.Cuandoestarbi- ta electrnicainterna se completa,sees- tabiliza,desdeel punto de viita energti- co, por lo que los tomosde hidrgeno quedan unidos, es decir, se produce un enlacecovalente.La fuerzade los enlaces covalenteses muy variable,pero, por lo general,sonrelativamenteestables(sere- quierenalrededorde 200-450k|/mol pa- ra romper un enlacecovalente).Loselec- trones siempre se comparten de a parcs en estetipo de enlace.Si secomparteun par de electronesse produce un enlace simple; si se comparten dos electrones, se forma un enlacedoble.Un enlaceco- valenteseindica con dospuntos (H:H) o con un guin entre los smbolos de los tomos (H-H). Desde el punto de vista biolgico tiene especialimportancia la capacidaddel tomo de carbonode for- mar distintos enlacescovalentes(como tiene 4 electronesno apareadosen la r- bita electrnicaexterna,puede comple- tarla hasta alcanzar un nivel de energa establey forma-rcuatro enlacescovalen- tesl.En consecuencia,Ios tomosde car- bono sepuedenunir en cadenaso en es- hucturasramificadas,que forman la "co- lumna vertebral" de infinidad de mol- culasbiolgicas.En estasmolculassue- len aparecertomosde hidrgeno,oxge- no, nitrgenoy azufre,con gran capaci- dad para fomar enlacescovalentes;as, estpico un compuestoque presentados enlacescon hidrgeno,tres con nitrge- no y doscon azufre. Se produce polaridad cuando los electrones de un enlace covalente no se comparten de modo equivalente entre los dos tomosinvolucrados.Estoimoli- caque,en su movimientoorbital,Iospa- res de electronescompartidosson atra- dos con mayor fuerzapor uno de los n- cleosatmicosy, por lo tanto, permane- cenmstiempo cercade ste.Estehecho produce una carganegativasobreel to- mo en cuestin, mientras que, en con- taste,el tomo que debe piescindir de los electronesduranteperodosmspro- longadosadquiereuna cargaIigeramente positiva.En consecuencia,toda la mol- cula compuestapor los tomospresenta, de acuerdocon la posicin de stos,ex- tremoscon positividad y negatividadre- lativas. Estetipo de molculas se deno- minan polares,mientrasque las molcu- las sin cargasrelativaspositiva y negati- va sedenominanno polareso apolarcs. Como se ver ms adelante,la apari- cin de enlacespolaresy no polaresjue- ga un papel esencialen el contextobio- C A P I T I ) 14. lgico.Por ejemplo,las importantespro- piedades del aguo se deben a que sus molculassonmuy polares.En todo mo- mento, Ios electronescompartidosde la molcula de agua se encontrarn ms cercadel ncleo de oxgeno,por lo que steadquiere una cargarelativa negativa zadohacia un lado de esteltimo, la to- talidad de Ia molcula de aguapresenta un exttemo positivo y uno negativo. Tambinse observaun desequilibrio en Ios pares de electronescompartidos en los enlacescovalentesentre tomos de hidrgenoy tomosde oxgeno,nitrge- no y azufre. Las zonas que rodean una molcula de mayor tamao,en Ia que se encuentrangrupos-OH, -NH o -SH,con- tribuyen a Ia aparicinde polaridad.Por el contrario,laszonascon enlacesC-H se caracterizanpor serno polares,debido a que los tomos de carbono e hidrgeno comparten equilibradamente los pares de electronescuandoforman enlacesco- valentes.Esto se observacon frecuencia en las largas cadenashidrocarbonadas de los cidosBrasos.Losgruposcaboni- Io (C=O)tienen slo una leve polaridad, dadoque los electronesdel doble enlace covalente entre el carbono y el oxgeno secompartende modo apenasdesigual. Los enlacesde hidrgenoseproducen cuando tomos de hidrgeno con positi- vidad relativa (como consecuenciade compartir electronesen forma no equita- tiva y serpolaresen un enlacecovalente con oxgeno, nitrgeno o azufre) son atrados por ofuostomos, con negativi- dad relativa como consecuenciade otra desigualdad al compartir electrones.Es- to semuestraen lasfrmulasde los com- puestosmedianteuna lnea de puntos: H + - o - - H - . . . ' N - - I Ntese que Ia formacin de un enlace de hidrgenono implica intercambio de electrones (como en las uniones elec- trostticas)ni que se compartan pares de electrones(como en los enlacesco- valentes). Los enlacesde hidrgeno son dbiles (serequierensIo B-20k|/mol pIrarom- perlos), pero a menudo se forman mu- chosenlacesde hidrgenodentro de una nica molcula o entremolculasdistin- tas y, as,la fuerzaconiunta de los enla- cesde hidrgeno es capazde estabilizar la estructuratridimensional de compli- cadasmolculas como protenas y ci- dos nucleicos.Los enlacesde hidrgeno se rompen con mayor facilidad que los enlaces covalentes,debido a su fuerza mucho menor, en especial cuando hay aumento de la temperatura.A tan slo 50-60.Cseseparanlos enlaceshidrgeno de la mayor partede lasmolculasbiol- gicas,y desaparecencasipor completoa 100oC.La principal causade la desnatu- ralizacin de las protenascon el calen- tamiento y la consiguiente prdida de sus propiedadesbiolgicas (p. ej., la inactivacin de las enzimas)es precisa- mentela ruptura de los enlacesde hidr- geno, al igal que la desnaturalizacin del DNA (es decir, la separacinde la molculabicatenariade DNA en doshe- brasindividuales). Las fuerzas de van der Waals pueden ser de atraccino de repulsin y se de- ben a que se crean desequilibrios transi' toriosy a]eatooscuando se comparten los electrones de un enlace covalente (estoesindependientede la distribucin equitativa o no del par de electronesen el enlacecovalente).En consecuencia,se producen variaciones muy rpidas en sentido positivo o negativo en los to- mos ubicadosen los extremosdel enlace covalente y, a continuacin, modifica- cionesopuestasen las cargasde los enla- cescovalentescercanos.Por lo tanto, se creauna leve atraccinentrelos tomos, que crecegradualmenteen intensidad a medida que se acercanlos tomosentre s. La atraccin se transforma en repul- sin cuandola distanciadisminuye has- ta producir la superposicinde las rbi- tas electrnicasexternas.Estarepulsin entrelos tomosesrelativamentefuerte. EI resultado conjunto de las fuerzasde van der Waals(atracciny repulsinJse manifiesta en una tendencia a que los tomosde una molcula,o de molculas diferentes,adopten posicionesque per- mitan el mximo acercamientoposible, debido a la atraccin, pero, al mismo tiempo, mantengan los requerimientos mnimos de espaciopara cadatomo in- dividual, comoconsecuenciade lasfuer- zasde repulsin. Si bien la atraccinde van der Waals, con distancia ptima entre dos tomos, esdbil (slo serequieren4 kJ/mol para romperla),de todosmodosel efectocon- iunto de las fuerzasde van der Waalstie- " g.utr importancia, unido a las dems formas de unin, para Ia estabilizacin de Ia conformacin tridimensional de una molcula. C A P T U t O INTRODUCCION 7 15. Forman parte de las molculas estructura- les celulaes y contribuyen a Ia fuerza de traccin (como fibras de colgeno)en es- tructuras extracelulares,por ejemplo, del tejido conectivo y los huesos. Algunas protenassonsecretadascomoenzimasdi- gestivaso anticuerpos,otrasactancomo sustanciasseal,por ejemplo, como hor- monas.Las protenastienen especialim- portancia en el metabolismo celular (gr. metabole,transformacin)compuestopor todaslasreaccionesqumicasde la clula. Algunasreaccionesmetablicassondegra- dativas,por ejemplo,la degradacinde las protenas,y sedenominan catablicas (gr. kofo, hacia abajo;balein, arrojar).En otras se produce la formacin o sntesis de membranas,por ejemplo,y se denominan anablicas(gr. ana,haciaarriba).El espe- cial papel que desempeanlas protenas en el metabolismocelular se debe a oue casitodaslasreaccionesqumicasinvoiu- cradassoncatalizadaspofenzimas (gr.en, en;zyme, fermento o levadura) y a que ca- si todas]as enzimas conocidasson prote- nas.Lasenzimaspuedenapa.receren solu- cin (en el citosol o dentro de las orsane- las) o estarlocalizadassobrelas -"ribr"- nas,donde catalizanlas reaccionesque se producen en Ia superficieImite entre las membranasy el medio circundante. Las protenasse presentancomo mol- culas de gran tamao, o macromolculas, con pesosmolecularesentreOkd (kilodal- ton; una protenade pesomolecular6.000 poseeuna masade 6.000dalton,o 6 kd) y muchos millones. Todaslas protenas,dL todas las especies,desde lai bacterianas hasta el hombre, estn formadas por los mismos 20 aminocidos diferentes. Las plantassoncapacesdesintetizaraminoci- dos a partir de agua,dixido de carbonoy nitrgeno inorgnico. Por el contrario, los organismosalimales no pueden sintetizar todos los aminocidosa partir de las sus- tancias fundamentales,por lo que necesi- tan ingresarlosa travs de la alimentacin, comoprotenas.Estassondegradadasen el tracto digestivo a aminocidos libres, que seabsorbeny llegana lasclulasdetodo el organismo por va hematgena.Entonces son utilizados en Ia sntesisde distintas protenas, segn el tipo celular. Los ami- nocidoslibres de Ia clula tambin pue- den provenir de la degradacinde protei nas celulares.En coniunto, los aminoci- dos libres forman el enominadopool de aminocidos, que suministra aminocidos para la sntesisde nuevasprotenas. Todos los aminocidos se caacterizan por contener un grupo amino (NHr) y un grupo carboxilo (COOH),por lo que las protenasposeennitrgeno(todaslas pro- tenascontienencarbono,hidrgeno,ox- genoy nitrgeno;algunosposeenadems 8 INTRODIJCCIN azufoe,fsforoy hierro).Cadaaminocido tambn presentauna cadena lateral de- signadaR (fig. f-5), que vara de un ami- nocido a otro y es especficopara cada uno. Los aminocidosen solucin a pH neutro se encuentran, sobre todo, como iones dipolares (zwitteriones), es decir, con protonesen el grupo amino y el gru- po carboxilo disociado (fig. 1-5).Sin em- bargo,el estadode ionizacin vara con el pH del medio (fig.1-6).El tomode carbo- no centralde las figuras1-5y 1-6tambin sedenominatomo de carbonoalfa. Los aminocidosde una protenaestn unidos formando largas cadenas,a travs de los denominados enlaces peptdicos quesecreanentreel grupoamino y el gru- po carboxilode dosaminocidos(fig.1-7). Si la molcula formadaslo contienedos aminocidos,se denomina dipptido, si contiene3,tripptido, y si poseemsde 3, polippdo. Una protena secomponede una o ms cadenaspolipeptdicas, cada una de las cuales puede contener desde unospocosaminocidoshastamiles dees- tos compuestos.Por lo general,una cade- na polipeptdicapresentaun grupo amino libre en un extremo,quesedesignatermi- nal amino o terminal N, y un grupoCOOH libre en el otro extremo,denominadoter- minal carboxiloo terminal C. Por conven- cin seestableciqueuna cadenapolipep- tdica comienzaen la terminal amino. oor lo que la secuenciade aminocidosse-es- cribe a partir de estepunto. Cabedestacar entoncesque el tripptido glicina-alanina- tirosina es diferente del tripptido tirosi- na-alanina-glicina.Las cadenaspolipepti dicas pueden contener cadenaslaterales de aminocidosaninicaso catinicas.va que algunosaminocidosposeenz grups carboxilo o amino. Dado que el estadode cargade un aminocido dependedel pH del medio, toda la molcula proteica se comportarcomo anin o catin,segnIa suma algebraicade las cargaspositivasy negativasa determinadopH. Se dice que la protenaesanfteray el pH en el cual Ia protenaesneutra,desdeel punto devista elctrico,sedenominapunto isoelctrico. La secuenciade aminocidosesespec- fica para cadaprotena y estdetermina- da genticamenfe,dado que dependedel cido desoxirribonucleico(DNA) del n- cleo celular (vasems adelante).La se- cuenciade aminocidostambin determi- na la estructura primaria de la protena y establecela forma tridimensional o con- formacin. Es caractersticoque las pro- tenas presenten una estructura tridimen- sional o conformacinbien definida, fun- damentalparala funcin. Por el contrario, una cadenapolipeptdica extendidao dis- puestaen forma aleatoriano poseeactivi- dad biolgica.Aunque la secuenciade C A P I T U 16. Fig. 1-5. Estructura ge- neralde un aminocido en su formano ionizaday comozwitterin. Fig. 1-6. El estado de io- nizacinde un amino- cido dependedel pH del medio. Fig.1-7. Formacin de un enlace peptdico H - NH, Ic _ cooH I R NH.* IH_c-coo- I R lon dipolar(Zwitterin) aminocidos o Ia estructura primaria esta- blecen Ia conformacin, en algunos casos pueden aparecer diferencias menores en Ia secuencia sin que se altere la funcin proteica de Ia protena. Un eiemplo carac- terstico Io constituye Ia molcula de in- sulina, cuya secuencia de aminocidos di- fiere en varios sitios para el ser humano. el buey, el perro y el ratn, pero todas es- tas molculas igual funcionan como insu- lina. Sin embargo, es muy importante sa- ber en cules localizaciones exactas se oroducen las sustituciones. Esto se ilustra n la patologa anemia de clulas falcifor' mes, donde slo un aminocido de una de Ias cadenas polipeptdicas de la molcula de hemoglobina (el pigmento rojo sangu- neo portador del oxgeno) difiere de la se- cuencia de aminocidos de Ia hemoglobi- na normal. Esto causa Ia forma falciforme de los eritrocitos, Io cual, a su vez, produ- ce la obstruccin de los pequeos vasos. Adems, se produce anemia (carencia de sangre) como consecuencia de la ruptura de los glbulos rojos anormales. La enfer- medad puede causar la muerte en Ia in- fancia. La estructura tridimensional o confor- macin se divide a su vez en estructutas secundoria. terciorio v cuolernario. slas NH, I H-C- COO- I R p H= 1 1 + Hro Enlaceoeotdico se producen debido al plegamiento de la cadena polipeptdica, segn caractersti- cas determinadas por la secuenciade ami- nocidos. La estructura secundaria puede pre- sentar forma espiralada, denominada h1i- ce alfa o de lmina, designada lmina be- fa (fig. 1-B).Ambas estructuras se produ- cen por la formacin de enlaces de hidr- geno. En Ia hlice alfa se estabiliza la forma espiralada por la creacin de enlaces de hidrgeno entre los grupos CO y NH de la cadena principal del polipptido. Todos los grupos CO y NH estn unidos Por puentes de hidrgeno, dado que el grupo CO de un aminocido se liga al grupo NH del aminocido ubicado cuatro sitios ms adelante en la secuencia lineal. Se puede considerar a la hlice alfa como una es- tructura en forma de bastn, donde la ca- dena principal espiralada representa Ia parte central del bastn, mientras que las cadenas laterales se orientan hacia afuera. En las lminas beta se forman enlaces de hidrgeno entre grupos CO y NH que se encuentran en dos sitios diferentes de la misma cadena polipeptdica (que se pliega sobre s misma) o de cadenas poli- peptdicas diferentes. En ambos casos, las No ionizado NH.* I H - C- COOH I R p H = 1 NH.* I H- C- COO- I R p H= 7 +H* +H* C A P I T U L O INTRODUCCIN 9 17. R Hlice alfa cadenas polipeptdicas involucradas se denominan fibras beta; en coniunto los hacesparalelos de fibras, unidos por enla- ces de hidrgeno, forman una estructura laminar de considerable rigidez. Si las fi- bras beta transcurren en l misma direc- cin (considerado desde el terminal N hasta el terminal C), Ia estructura se deno- mina lmina beta paralela, mientras que se emplea la designacin lmina beta an- tiparalela cuando las dos fibras transcu- rren en direccin opuesta (cuando una nica cadena polipeptdica se pliega so- bre s misma). Es frecuente que en las pro- tenas se encuentren cantidades variables de hlices alfa y de lminas beta, y en la actualidad se ha establecido por conven- cin que, para dibujar las moiculas pro- teicas, se indiquen las zonas de hlice al- fa con espirals o cilindros, las lminas beta como flechas planas con el extremo hacia el terminal C, mientras que, por l- timo, se sealen las uniones entre las h- lices alfa y las lminas beta mediante del- gados cordones (fig. 1-9). Se ha demostrado que ciertos motivos (ing. motifs) se repiten en distintas mol- culas proteicas, de los cuales los ms fre- cuentes son los denominados lazada en hebilla (ing. hairpin-Ioops), beta-alfa-beta y hlice-giro-hlice. A menudo estos mo- tivos tienen Ia misma funcin en las dis- tintas protenas en que aparecen. En casos aislados una protena se compone exclu- Fig.1-9. Dibujoesquemticode unamolcula proteica de acuerdo con la convencin aho- ra aceptada,dondelas hlicesalfase presen- tan comocilindrosy las lminasbetacomofle- chasplanascon la puntaorientadahaciala ter- minalC-Losenlacesse dibuiancomocordones delgados. 1O INTRODUCCIN Enlacedehidrgeno Lminabeta sivamentede hlices alfa o lminas beta. Esto ocurre,por ejemplo,en la protena alfa queratina,que seencuentraen Ia epi- dermis,el cabelloy las uas.Del mismo modo,la protenade la sedafibronaest compuestaslo por lminas beta.Estos dostipos de protenassonejemplosde Ias denominadas fibroprotenas, que se ca- racterizanpor formar largasfibras, en las que predomina un tipo determinado de estructurasecundaria. No obstante,la mayorade lasprotenas no son fibroprotenas,y presentanestruc- tura terciaria (fig. 1-10),debido a que la cadena polipeptdica sufre plegamientos y crea una estructuracompactaglobular Fig.1-8. Dibu mticode la er secundariadr tenas,que mr formacinde r alfay una lm medianteenla drgeno. Termina TerminalC C A P i T U 18. : C=O I HN I - CH O=C I NH HC -ifi, C=O I HN : Estructura pnmana Hlicealfa Lmina RNA -+ protena Composicinqumica. EI DNA y el RNA se componen de cadenasde cido fosfri- co y molculas de pentosa, a las cualesse adosanbasesnitrogenadas(fig. 1-17).La pentosa del DNA es la desoxirribosa, mientras que la del RNA es Ia ribosa. Las basesson las purinas adenina (A) y guani na (G),y las pirimidinas citosina (C) y ti mina (T), si bien en el RNA la timina es reemplazadapor uracilo (U). Las macromolculasde cido nucleico estnformadaspor nucletidos,cadauno compuesto por una base nitrogenda + pentosa+ cido fosfrico.Por ejemplo,el 14 INTRODUCCION cHroH N_ c_cH. H - Acetilgalactosamina Hexosas OH OH Ribosa Pentosas Fig.1-16. Laspentosasy hexosaspueden presentarforma lineal o cclica.Se muestra comoelemplola hexosaglucosa,que en su for- ma cclicapuedeaparecercomoalfaglucosao comobetaglucosa. H O 1// t^ ^rH ' Q - o H I - - H O I - C - H I H a c - o H I H C _ O H ^l cHroH Glucosa (formalineal) OH Galactosa cHroH N-Acetilglucosamina OH Desoxirribosa Fig.1-15. Dit muestralas e de algunos n dos importar Alfaglucosa (formacclica) Beta o (forma Glucosa C A P T I 22. H - l H--N.- Fig.1-17. Seccinde una hipottica cadena de cidos nucleicos.Se observan4 nucletidosy el encadenamientocarac- tersticomedianteenlaces fosfato-disterentre las molculasalternantesde fosfatoy pentosas.(Se- gn De Robertis,Saezy De Robertis.) nucletido monofosfato de adenosina (AMP) est formado por adenina + pento- sa + fosfato. En conjunto, Ia base + la pen- tosa componen una unidad denominada nuclesido, cuyo nombre depende de la base en cuestin. As, la adenosina contie- ne adenina y ribosa. Si adems se adosa una molcula de fosfato,se empleala de- signacin difosfato de adenosina (ADP); de modo similar,el trifosfatode adenosina (ATP)esun compuestoquecontiene3 mo- lculasde fosfatoen hilera. Denominacio- nessemejantesseaplican a los demsnu- clesidos,por ejemplo GTP.Si Ia pentosa que interviene es la desoxirribosa, se agregauna d minscula adelante,dATP. Los cidos nucleicos son polmeros li- neales de nucletidos, unidos mediante enlacesfosfato-dister(fig. 1-17)entre el grupo fosfatodel tomo de carbono5' de una molcula depentosay el grupohidro- xilo del tomo de carbono3' de una mol- cula de pentosaadyacente.As, la cadena de polinucletidos tiene wa direccin definida,dadoqueun extremode Ia cade- na sedenominaextremo5', con un grupo fosfatolibre adosadoal tomo de carbono 5', mientras que el otro extremode la ca- denasedenominaextremo3', con un Bru- oo OH libre adosadoal tomo de carbono a'. Se puede considerarque Ia molcula de cido nucleico tiene una columna ver- tebral de molculas de fosfatoy pentosa alternadas,en la que las basesnitrogena- dasse adosana las molculasde pentosa de la columna. Toda Ia informacin gentica del orga- nismo est codificada en la secuenciali- neal de las cuatro boses.Un alfabetode cuatroletras(A, T, C,G) codificala estruc- tura primaria detodaslasprotenas,esde- cir, la secuenciaen que se debenencade- nar los 21 aminocidosque Ia componen. EI esclarecimientode estecdigogentico comenzdespusde quesedescubrieraIa estructura del DNA. A continuacin se presenta someramenteIa estructura del DNA y la relacincon la sntesisproteica, si bien estoseanalizarcon mayor detalle en los caotulos3 v 4. Estruciura del lNA. El DNA secompo- ne demolculasmuy largas,por lo quetie- nen un peso molecular muy elevado.Las colibacteriasposeenuna nica molcula circular de la, de 1.,4mm de largo,con peso molecular aproximado de 2,6 x 10s. La cantidad de DNA en las clulas euca- riotas,puedeservariosmiles devecesma- yor y en una nica clulahumana,el con- tenido deDNA presentauna longitud total de alrededorde 1 m. En L953,Watsony Crick propusieron una hiptesispara la estructuradel DNA, que a la vez explicaba sus propiedades qumicas y biolgicas.En Ia actualidad, estemodelo de Watson-Crickesaceptado universalmentey presentala siguientees- tructura para el DNA (fig. 1-18):la mol- cula de DNA es una espiral bicatenaria, una doble hlice, como una escalerade caracol. Los parantesde la escalerason los dos cordones,cada uno formado por 5r I t - o lD - ^ I o I H,C o Adenina Citosina o Guanina I^ - E ' - ^ v l I o I H,C O X /o Timina H o Uracilo y = C H s O X l o-p-o lo I3', Ribosa X = O H Desoxirribosa X = H C A P I T U L O INTRODUCCION 15 23. una cadena de polinucletidos, eruolla- dos entre s en sentido dextrgiro.Los es- calonesde la escalerasecomponende las basesnitrogenadas,apareadasde manera tal, que una basepurnica siempre se una a una basepifimidnica, es decir, A-T o C-G. Las dos cadenasde nucletidos se mantienen entonces unidas mediante los paresdebasesque,a su vez,seunen a ta- vsde enlacesde hidrgeno,de los quese forman dos entre A y T y tres entre C y G. Un giro completo de Ia doble espiral co- rresponde a 10 monmeros de nucleti- dosy los 10paresdebasessedisponenen sentido perpendicular a la columna de pentosasy cido fosfrico, con una dis- tancia de 0,34nm entrecadapar de bases y un total de 3,4nm por cadagiro comple- to de la espiral.SobreIa basede los mode- los espacialesdel DNA se puede estable- cer que la doble espiral tiene un dimetro promedio de 2,0 nm. Adems, se forman dos surcos,uno mayor y msprofundo, y otro menor y ms aplanado. Es importante destacaque las dos do- bles hlices de DNA trarscrrrenen direc- ciones opuestas,son antiparalelas, es de- cir, una presentasentido 5'-3', mientras que Ia otra tiene sentido 3'-5'. La secuenciade basesde una de las ca- denas de nucletidos puede variar, pero en la cadenaopuestala secuenciadebeser complementaia, dado que, como se vio antes, el apareamiento de las bases es complementario (AT o CG). Esta complementariedad tiene gran im- portancia para el mecanismopor el cual la molculadeDNA seduplica o replica. Es- te procesoseproduceantesde la divisin celular, dado que las dos clulas creadas 16 INTRODUCCIN 3,4nm 2.0nm reciben exactamente el mismo contenido de DNA y, en consecuencia,de genes,que la clulamadre.En la replicacin sesepa- ran las dos hebras de DNA a lo largo, ya que se abren los enlaces de hidrgeno y cada hebra forma una nueva pareia (me- diante complejos procesos enzimticos que severn ms adelante)a partir de ba- sescomplementariaspresentesen el ma- terial circundante(fig. 1-19).Por lo tanto, la replicacin essemiconservadora,es de- cir, la mitad de la molcula original (una hebra)seconservaen cadamolcula hija. Estructura del RNA. A diferencia del DNA, las molculas de RNA sorTmonoca- tenailas,dadoque sloen casosexcepcio- nales (vase RNA de transferencia, ms adelante)seforman paresde enlacesdehi- drgeno entre las basesnitrogenadas, co- mo consecuenciade la creacinde asasen la hebra de nucletidos (paresAU o CG). Existen 3 tipos principales de RNA: el RNA mensaiero, o mRNA, eI RNA de transporte o de transferencia, o IRNA, y el RNA ribosmico o rRNA. Los tres in- tervienen en la sntesis de protenas en el citoplasmacelular;estosevercon mayor detalleen eI caotulo 3. Los tres tipoi de RNA se sintetizan en el ncleo celula-ra travs de un proceso denominado transcripcin, como se vio antes.De modo semejantea la replicacin del DNA se seprrnlas dos hebras de DNA y ahora se sintetiza, sobrela basede una hebra de DNA como molde. una ni- ca hebra larga de RNA, segn el principio de apareamiento de bases complementa- rias y, en consecuencia,la hebru sintetiza- da escomplementario a la hebra de DNA. En realidad estosignifica que la secuencia Fig.1-18. El r Watson y Crit tructura del E nina;C = ctos na;T = timina = desoxirribos per.) y's'-r:r C A P T T 24. Fig.1-19. Representa- cinesquemticadel mecanismo de replica- cin del DNA.Las dos cadenasrecinformadas de nucletidosse indican con lneagruesaen la parteinferiorde la figura. (SegnKornberg.) de nucletidosde la hebrade RNA sinte- tizada esidntica a Ia secuenciade Ia he- bra de DNA no transcripta (si se deja de lado que en la hebra de RNA apareceU en lugar de T, dado que el RNA contiene la baseuracilo en lugar de timina). Adems, el RNA transcripto y la hebra singular idntica de DNA no transcriptapresentan el mismo sentido 5'-3'. En consecuencia, por convencin,seha establecidodefinir Ia secuenciade nucletidosde un gen de una doble hebra de DNA como aquella que se encuentra en la hebra singular de DNA no transcripta.Por lo tanto, stase denomina hebra codificadora, mientras que la hebra transcripta se denomina he- bra patrn. El cdigo gentico.Como se vio antes, la informacin genticadel DNA estco- dificada de acuerdo con las variaciones de la secuenciade las 4 bases,bajo la for- ma de un alfabeto de cuatro letras (A, C, G, T). Estealfabetose emplea para escri- bir palabras de slo tres letas, dado que una seriede tresnucletidosa lo largo de la hebra de DNA, o grupo de tres bases, triplete (ing. "triplet") o codn, codifica un aminocido determinado para una protena (p. ej., GGA para el aminocido glicina). As, a lo largo de Ia hebra de DNA sesucedenlos grupos de tresbases, oue codifican aminocido tras aminoci- dos "n secuencia.Estecdigogenticose copia en el procesode transcripcin, da- do que la molcula de mRNA formada, que recibe Ia informacin sobre la se- cuencia de aminocidos,presentaruna secuenciacomplementariade grupos de tresbases,complementariaa la hebra pa- trn del DNA y ser,por lo tanto, idnti- ca a la hebracodificadora.En consecuen- cia, los gruposdetresbasesde la molcu- la de mRNA contendrn la misma se- cuenciade codonesque la hebracodifica- dora. Esta secuenciase "traduce" en eI procesode traduccin de la sntesispro- teica en el citoplasma,como sever en el caotulo 3.-De lo anterior secomprendeque un gen esuna parte de Ia molcula de DNA, que codifica una molcula funcional de RNA. La molcula de RNA puede codificar la C A P T U t O INTRODUCCION 17 25. sntesis de una determinada cadena ooli- peptdica(mRNA). en cuyo casoel gen se denomina gen estructural, o ser una mol- cula de IRNA, rRNA. snRNA o scRNA (snRNAy scRNAson pequeasmolculas de RNA que seestudianen el captulo4). Cuestionario sobre generalidades de la clula 1. Quexpresala teoracelular? 2. Cmose denominanlos cuatroteii- dos fundamentales? 3. Quseentiendepor organelas? 4. CulesIa principal diferenciaen- tre clulasprocariotasy eucariotas? 5. Dentrode qu intervalo (en pmJse ubica el tamaode la mayorade las clulas? 6. Lasclulassepueden caracterizar comoorganismosvivos,en gran parte,debido suspropiedadesfisio- Igicas.Porejemplo,cules? 7. Qupropiedadesde la molcula de aguale permiten serun solvente ptimo para distintassustancias biolgicas? B.Cmosedenominanlos cidosque componenlas protenas? 9. Culesson las caractersticasde los aminocidos? 10. Cmose denominael enlacequ- mico que une a los aminocidos para formar largascadenasprotei- cas? 11. Quse entiendepor estructurapri- maria de una protena? 12. Qudeterminala conformacinde una protena? 13. Quenlacesqumicos estabilizan la conformacinde una protena? 14. Culesla propiedad comn a to- doslos lpidos? 15. Qutipos de lpidos intervienen como componentesesencialesde las membranascelulares? 16. Qudos pentosastienen gran im- portanciabiolgica? 1,7.Cmosedenominanlas cuatroba- sesnitrogenadasque componenel DNA y el RNA? 18. Cmosedenominanlas dos hebras de una molcula de DNA oue se transcribenen la transcripiiOnf 19. Quseentiendepor codn? 20. Cmosepuede definir un gen? Lecturasadicionalessugeridas Alberts B, Bray D, Lewis |, RaffM, Ro- berts K, Watson lD. Molecular Bio- logy of the Cell, zaed. Garland Pu- blishing, Inc., NuevaYork y Londres, 1994, Alberts B, Bray D, JohnsonA, Lewis f, Raff M, RobertsK, Walter P.Essential Cell Biology.An Introduction to the Molecular Biology of the Cell, Gar land Publishing,Inc. NuevaYork y Londres,1998. Ford BJ.The earliestviews. Sci Amer. Abril 1998:42-45. GodtfredsenE. Medicinens Historie, 3a ed. Nyt Nordisk ForlagArnold Busk, Copenhague,1973. Norby S, Aminosyrer og nomenklatur- igen igen. UgeskrLaeger.1998;160: 4435. Rehfeld lF. Molekulaerbiologi. [Jgeskr Laeger.1994;156:5096-97. RennieJ.DNAs new twists. Sci Amer, Marzo 1993;88-96. RobertsonMfl Ellington AD. How to make a nucleotide. Naturc.1998:395: 223-225. Suhr-]essenP,RasmussenL. Basisbogi Cellebiologi, 2aed. Gad, Copenhague, 1995. Thomas PI, Qu B-H, PedersenPL. De- fective protein folding as a basis of human disease.TIBS. 1.595;20:456- 459. Welch GR:T.H. Huxley and the "Proto- plasmic theory of life": 100yearsla- ter TIBS.1995:20:481-85. 18 INTRODUCCION C A P I T I 26. Mtodoshistolgicos "El arte y la ciencia tienen su punto de encuentto en eI mtodo." Bulwer La totalidad del conocimiento actual re- ferido ala estructuray la funcin de los or- ganismosbiolgicostiene su fundamento en los mtodosnecesariospara Ia investi- gacinde lasclulasy los tejidos.En algu- nos casos,los grandesavancesen Ia com- prensinv el conocimientofueron conse-^cuencia directadel desarollode una nue- va tcnica.La creacinde la microscopia electrnica, los mtodos de fracciona- miento celular, la inmunohistoqumicay Iatecnologadel DNA soneiemplosclaros. Es necesariocontar con ciertos conoci- mientos respectode los principios funda- mentales de los mtodos aplicados con mayorfrecuencia,paraqueel estudiode la histologano seatan slo un aprendizaie de determinadoshechos,sino queadems permita adoptaruna posturacrtica frente ellos.En consecuencia,se comenzarel estudiode Ia histologacon un brevean- lisis de las generalidadesde los mtodos histolgicos,si bien a menudoserde gran utilidad revisaralgunosde estosmtodos, relacionadoscon el estudio especficode las clulasy los teiidos. En general,los mtodoshistolgicosse clasificanen dos grupos:los que sebasan en la observacindirectade clulasy teli- dos vivos, y los que analizan material muerto o inanimado. En un lugar interme- dio se ubican las tcnicasde aislamiento de los componentesde clulasvivas me- diante mtodos de cenfrifugacin. En to- dos los casosse comienzacon el anlisis microscpico,de importancia fundamen- tal paratodos Iosmtodoshistolgicos. Ocular Prisma Estativo Tornillo macromtrico Tornillo micromtrico oio Tubo Anlisis microscpico EI microscopio es el instrumento ms importante en la histologa, debido al pe- ouo tamao de las estructuras analiza- das.Cabedestacarque cuandoen estetexto sealude al trmino "microscopio" siempre se refiere al microscopioptico, a menos queseespecifiqueotracosa. Revlver Obetivo Platina Condensador Tornillode centrado Filtrode luzdiurna Brazodel condensador DiafragmaFig.2-1. Dibujoesque- mticoque muestraun microscopio ptico co- mn.(Dibujocedido gentilmentepor Fa.Carl ZeissAG.) C A P T U t O Lmpara Colector Espejo MTODOSHTSTOLOGTCOS1s 27. Cuandola luz atraviesaun materialbio- lgico,por ejemplo un preparadohistol- gico, cambian sus caractersticas,y estas modificacionessehacenvisiblesmedian- te los sistemasde lentes.El ojo puede di- ferenciarvariacionesde intensidad de la luz (contrasteentre luz y sombras)y de color (distintas longitudes de onda). En consecuencia,es necesariomodificar la luz, para que el preparadose observeco- mo formadopor elementosms oscurosy ms claroso de distintoscolores.Lasc- lulas y los tejidosno coloreadossesuelen captar con el microscopio como carentes de color y transparentes,porque no pre- sentansuficiente contraste.Con la ayuda de tincioneshistolgicasselograun ab- sorcindiferencialde la luz, de modo que sevisualizan las distintasestructuras. Poder de resolucin y aumento. Estos dos conceptosse empleanpara determi- nar la utilidad de un microscopiov sede- ben diferenciarcon claridad ntr s. Es Apertura numrica y poder de resolucin La capacidadderefraccino ndice de refraccin de un medio se define como Ia relacin entre la velocidad de Ia luz en el vacoy en el medio en cuestin.por lo tanto, el ndice de refraccin es una medida de la velocidad de dispersinde una onda luminosa a travs del medio, La luz se refractaal atravesarun obieto. El ngulo de refraccinsertanto myor cuantoms finos seanlos detalles. La aperfura numrica (NA) esuna me- dida de la capacidaddel microscopiode agrupar las refraccionesde la Iuz produ- cidaspor los detallesfinos del objeto,da- do que expresael tamaodel haz de luz queescaptadopor el objetivodespusde Fig.2-2.Estedibujoesquemticomuestrala mitaddelngulomximo(u)del hazde luz captadopor el objetivo. mucho ms importante el poder de reso- lucin d, que se define como 1odistancia mnima que debe existirentre dospuntos del objeto para que se visualicen separa- dos.La calidad de una imagen(claridady riquezade detalles)dependedel poder de resolucinde un microscoDio. El aumento se define como 1orclocin entre el tamao de Ia imagen y del objeto, en valoresLineales.El aumento no denen- de del poder de resolucin,pero setiene en cuenta estapropiedad al elegir el au- mento. En cuanto todos los detalles re- sueltos se visualizan con facilidad, todo aumentoulterior slo hacemsborrosala rmagen,porqueno seincrementael poder de resolucin.La imagenno adquierems detallesy sehabla de aumentovaco. Microscopio ptico El microscopioptico estcompuesto por partesmecnicasy pticas.Los com- haberatravesadoel objeto,Seexpresaco- mo N.A= n x sen u, donde n esel ndice de refraccindel medio queseparael cu- breobjeto del preparado de la lente fron- tal del objetivo,y u esla mitad del ngu- lo superiordel haz de luz (fig. 2-2). Como sevio antes,el poder de resolu- cin es funcin de Ia aperturanumrica y de la longitud de onda de la luz utili- zada,X"(lambda).El poder de resolucin (d) se puede expresarsegnla siguiente frmula: 0,61x l, /'l - NA donde d es la menor distanciaentre dos puntos quepermite visualizarlossepara- dos.Nteseque cuantomenor sead, tan- to mayor serel poder de resolucin.Da- do que u no puede superarg0o,el seno de u debeserinferior a i.. En consecuen- cia, el N mximo ser de alrededor de 1,4,puestoque eI ndice de refraccina lo sumo se puede acercar a 1,b si se reemplazael aire que separael cubreob- jeto y el objetivocon aceite(denominada tcnica con aceite de inmersin para la que se emplean objetivos de inmersin especiales).La longitud de onda de la Iuz empleadasuele ser de alrededor de 0,500pm, que correspondea la luz ama- rillo-verdosa,parala cual el ojo humano tiene especialsensibilidad.De estemo- do, seobtieneun poder de resolucinde aproximadamente0,25pm. 20 METODOSHISTOLOGICOS C A P T L 28. ponentes pticos constan de tres sistemas de lentes: condensador,obietivo y ocular retina del ojo del observador' El aurnento total resultante se determi- na mediante el producto del aumento del obietivo por el aumentodel ocular (even- tualmentese debemultiplicar por un fac- tor que dependedel tubo). E[ poder de resolucin depende de la longitud de onda de la luz utilizada y de las perturas numricas del objetivo y el condensador (el ocular slo acta aumen- tando la imagen del obietivo, no meiora el poder de resolucin). El mximo poder de resolucin que se puede obtener es de 0,2 Jm,pero con los preparadosderutina habifualesraravez ex- cedede 0,5pm. Como sevio antes,los detallesresueltos sedebenaumentarlo suficienteparapoder ser observadossin esfuerzo,lo cual se lo- gra con el aumento adicional del ocular. Paa obtener el mximopoder de resolu- cin, de alrededor de 0,2 pm, se requiere un aumentodeunas1.000-1.400veces'da- do que el poder de resolucindel ojo, a la distancianormal de observacin(25 cm)' esde aproximadamente0,2 mm. Como re- gla mnmotcnica vale que, pIraevitar el umento vaconunca sedebeempleor ma' Sobre la base del microscopio ptico comn sehan desarrollado varios micros- copios especiales,cadauno de los cuales prsenta ventaias y limitaciones especfi- cas,segnveremosa continuacin. Microscopio de campo oscuro El microscopio de campo oscuro seuti- liza para analizar partculas pequeas, que presentan muy escasocontraste con la microscopia ptica o que seencuentran de en estalente la luz desviada o esparci- da por las pequeaspartculas qu_ese_de- sea investigar. Estas se observan lumino- sassobreun fondo oscuro(delmismo mo- do que las partculas de polvo se visuali- zrnpor la dispersin que realizan de la luz de un rayo de sol). En histologa se utiliza a menudo el crmpooscuropara el anlisis de prepara- dos radioautogrficos (vasems adelan- te), mientras que esuna importante aplica- cin clnica la determnacin de la espito- queto de la sfilis, el Treponemopalldum. Microscopio de conhaste de fase Losteiidos no coloreadosproducen muy escaso contraste, dado que no absorben cantidadesimportantes de luz. Sin emba- go, producen cierfo retardo en las longitu- des de onda, de acuerdo con Ia "densidad ptica" variable de los teiidos, es decir, los distintos ndices de refraccin.Esteretraso variable de Ias ondas sinusales produce cierto desfasamientoentre ellas' Mediante el microscopio de contrastede faseesposi- ble transformo estas diferencias de fose, no visibles, en diferencias de amplitud, es decir, que las diferencias de refraccin en- tre los componentesdel tejido se transfor- man en diferenciasde intensidad, quepue- den sercaptadaspor el oio humano. De es- ta maneraesposibletransformarenvisibles componentesde las clulas wvos que,_de otra manera, slo se observan en tejidos muertosy teidos (fig. z-3). Fig.2-3. Se observandos fotomicrografas(A y B) de las mismas clulas vivas (fibroblastos de cultivode teiido),A obtenida con un mi- croscopio ptico comn y B captadacon un microscopiode contrastede fase.En la imagen de contrastede fase se observancon clardad el lmiteentre las clulas(flechas),el ncleo (A/),los nuclolos(Nu), mitocondriasalargadas (rVl),lisosomasredondos(L) y otros detalles que apenas se distinguencon el microscopio ptico comn.(SegnNovikoffy Holtzman.)cAPruto MToDosHtsroLctcos 21 29. Microscopio de interferencia El microscopio de interferencia est construido sobrela basede principios si- milares al microscopio de contrastede fa- se,dado que tambin en estecasoseutili- zan las diferencias de faseproducidas por la luz que atraviesael objeto.Mientras que eI microscopiode contrastede fasesloes un instrumento cualitativo, mediante el microscopio de interferencia es posible obtener datos cualtitativos. Esto se logra al dividir la luz de una nica fuente en dos hacesluminosos,de los cualesuno se en- va a travs del objeto y el otro no se alte- ra, por lo que acta como haz de referen- cia. Despussevuelven a unir ambosha- ces,que interfieren entre s del mismo mo- do que en el microscopiode contrastede fase.El haz que atravesel objeto sufre un retrasorespectoal haz de referencia,esde- cir, sufre una modificacin de fase.Dado que el retrasoes funcin del ndice de re- fraccin y del espesor,el valor del retaso sepuede emplear para determina la masa por unidad de superficie del preparado y, en consecuencia,Ia mosa de loselementos celularesindividuale s. _ Una variate especial del microscopio de interferencia es el microscopio de cn- traste por interferencia diferencial (tam- bin denominado microscopio de interfe- renciade Nomarski),en el cual los dosha- ces luminosos separadostienen polaridad opuesta,por lo que seaumenta el conhas- te y seobtieneuna imagende aspectofridi- mensional del objetoinvestigado (hg. 2-a), Microscopio de luz polarizada Los componentescristalinosy fibrosos del materialbiolgicoposeenuna orienta- cin caractersticade las molculas. En consecuencia,cuando se ilumina el obie- to con luz polarizadaplana (luz que slo vibra en un plano), stase divide en dos componentescon distinta velocidad, es decir, desfasadosentre s. Sehabla de es- tructuras birrefringentes o anistropas (gr. on, no; isos,igual; frope,movimiento).En contraste,sedenominaestructurasistro- pas a lasqueno dividen la luz polarizada, por lo que el ndice de refraccinesigual en todasdirecciones. Seobtienendatosreferidosa la anisotro- pa del objeto mediante el microscopio de luz polarizada, llue se diferencia al ml- croscopio ptico comn por tener dos fil- 22 MTODOSHISTOLGICOS ha las modificaciones de Ia polarizacin de la luz que ha atravesadoel preparado. I.a birrefringenciade un objeto depen- de de una estructura regular determinda. En las clulasy los tejidos puede seruna disposicinasimtricaregularde molcu- las o iones,por ejemplo,en cietasinclu- siones celulares, birrefringencia cristali- na, o una distribucin reqular de unida- des submicroscpicasaJimtricas,por ejemplo, en Ias fibras musculares,biire- fingenciade forma. En consecuencia,me- dianteel microscopiode luz polarizadaes posible obtenerinformacin respectoa la estructura a nivel molecular. Adems, el microscopio de luz polarizada se puede utilizar para el estudio de clulasvrvos. Microscopio de fluorescencia Determinadas sustanciasfluorescen, es decir, tienen la particularidad de irradiar luz de otra longilud de onda (color)al ser Fig.2-4. Fok de unaclula odointernoc microscopio rencia difere croscopio de cia de Noma vese el notab dimensiona> MorupJorgen C A P I T I , 30. Submicroscpico Por submicroscpico se entiende Io que "estpor debajode la resolucindel microscopio".La denominacinestmal definida y se aplica ocasionalmentecon respectoa las estructurasdemasiadope- queaspara serreconocidasincluso con iluminadas.La luz irradiada siemprepre- sentauna longitud de onda ms largaque la original. Algunos componentesbiolgi- cos (p. ej.,la vitamina A) tienen fluores- cencia natural y se denominan autofluo- rescentes,mientrasque otrosadquierenIa fluorescenciadespusde un tratamiento con determinadoscolorantesfluorescen- es,por ejemplo fluorescena,que emite una intensa fluorescenciaverdosa al ser irradiada con luz azul. En el microscopio de fluorescenciase ilumina el preparadocon intensaluz de Ia Iongitud de onda capazde activarel colo- rante fluorescenteempleado.Estoselleva a cabo mediante un filtro del color ade- cuado que se coloca por debajodel con- densador:as se filtra la luz antesde que incidaen el preparado.Adems,secoloca un filtro por encima del obietivo con un color correspondientea la longitud de on- da de la luz que emite el coloranteutiliza- do cuandofluoresce.De estamaneraselo- gra que la imagen se forme slo debido a la emisin de la luz fluorescente.Las es- tructurasfluorescentessedestacanenton- cesen color sobrefondo oscuro(vasefig. 2-14),comofuentes luminosas,por lo que es oosible visualizar estructuras de di- mesionesmucho ms pequeasque el poderde resolucindel microscopio. En los ltimos aosseha observadoun notableincrementoen el empleode la mi- croscopiade fluorescencia,debido funda- mentalmentea la aplicacinde colorantes fluorescentesque ie ligan a anticuerpos especficos,que reaccionancon determi- nados componentestisulares (vasems adelanteen estecaptulo). Fig.2-5.lmagendelasclulasproductorasde insulinaenlosislotesdeLangerhansdelpn- creas,captadaconmicroscopiodebarrido confocal.Sedistinguengrnuloscitoplasmticos quecontieneninsulinamediantereaccinconun aniicueroofluorescenteazulcontrainsulina,se determinalapresenciadeunamolculaligadaa lamembranacelular(denominadatransportado- radeglucosa)conunanticuerpofluorescentero- joy seobservaunamolculalocalizadasobreel ncleocelular(llamadafactordetranscripcin parainsulina)medianteunanticuerpofluores- centeverde.(CedidaporL.-1.Larsson.) el microscopioelectrnico.Sin embargo, su uso ms frecuentese aplica a estruc- turas demasiado pequeas para ser de- tectadas con el microscopio ptico (la oalabra comenz a utilizarse antes de la ra del microscopioelectrnico). Microscopio de barrido confocal Una limitacin de la microscopiade fluorescenciaradica en la necesidad de que todo el espesordel preparadoemita fluorescencia,pero sloesposibleenfocar el objetivo en un plano del corte a Ia vez. En consecuencia,la luz emitida por fluo- rescenciadesdezonasdel preparadoubi- cadaspor encima y por debaiodel plano focalpuederestarnitidez a Ia imagen.Me- diante el microscopio de barrido confocal seimpide estatendencia,dado que seex- cluye Ia Iuz no emitida por el plano focal. EI preparadoseilumina por un rayo lser quebarretodoslos puntos del plano focal, mientras que la luz emitida por el prepa- rado atraviesauna hendidura muy estre- cha que detiene la luz emitida por otros niveles,distintosdel plano focal,De esta manera se logra obtener la informacin necesariapara formar una imagen bidi- mensional (fig. z-5) que se registrasobre una pantallade televisin.AI recogercon una computadorauna serie de imgenes de distintosplanosfocaleses posiblere- construir una imagen tridimensional del obieto. C A P T U t O METODOSHISTOLOGICOS 23 31. Microscopio de luz ultravioleta Con el empleo de luz ultravioleta con Iongitud de onda de alrededorde 2b0nm, esdecir,casiIa mitad de la luz visible que se utiliza habitualmenteen el microso- pio ptico, en principio es posible dupli- car el poder de resolucin (disminuir d a la mitad). El microscopio de luz ultravio- leta,cuyo sistemaptico sueleestarcons- truido en cuarzo,permite el pasode la luz ultravioleta, que es invisible. En conse- cuencia,Ia formacin de la imagen sere- gistraen una pelcula fotogrfica. Aunque se logra tn )igero aumento del poder de resolucin mediante esta tcnica,la principal importanciadel mi- croscopiode luz ultravioleta es que los dcidos nucleicos absorben la luz ultra- violeta de determinada longitud de onda (260 nm), por lo que se pueden detectar con facilidad. Microscopio electrnico La construccindel microscopioelec- trnico representaun verdadero-logroen cuanto a incrementosdel aumento y del poderde resolucin.En principio sedebe a que sereemplazala luz visible,de lon- gitud de onda de alrededor de 500 nm, por un haz de electronesde longitud de onda del orden de 0,005nm. Dado que d (poder de resolucin) es directamente proporcional a l" (vasepg.20),en teora la aplicacinde un haz de electronesper- mite obtenerun poder de resolucinmuy elevado.Como los electronesno Dueden atravesarlas lentesde vidrio, esnecesario reemplazarlaspor bobinas electromagn- ticas (denominadaslenteselectromagnti- cas).en cuyoscamposelectromagnticot o electrostticosse modifica el trayecto del haz de electrones,de modo similar a como serefractael haz de la luz visible en una lente de cristal. El esquema de construccin del mi- croscopio electrnico de transmisin (MET) se presentaen la figura 2-6 (la pa- Iabratransmisinserefierea que los elec- tronesofrayiesanelobjeto).Secalientaun ctodo filamentoso del metal tungsteno (denominadofilamento)en una atmsfera de vaco, por Io que emite electronesque son aceleradoshacia el nodo debido a una diferencia de potencial de alrededor de 50-100kV. Et nodo tiene Ia forma de una placa metlicacon un orificio (deno- minado apertura)en el centro,a travsdel cual pasanalgunosde los electrones,para formarun flujo constanteo haz de electro- nes. El haz de electronesse enfoca me- diante Ia lente del condensadoren el pla- no del objeto,y la Ientedel objetivofoima la imagen del objeto.La imagenobtenida 24 MTODOSHISTOLGICOS Ctodo nodo Lentecondensadora Objeto Lenteobjetivo Lenteproyectora lmagen se aumentapor una lente proyectora,que correspondeal ocular del microscopiop- tico. Dado que el haz de electroneses in- visible, la imagenformadaseregistrapor proyeccinsobreuna pantallafluorescen- te o una pelcula fotogrfica.Debido a la escasamovilidad de los electronesen el aire,todo el sistemadebeestaren una at- msferade vaco. La formacin de Ia imagen en el mi- croscopioelectrnicose debe,principal- mente, a la dispersin de los electrones. As se dispersanlos electronesque coli- sionancon los ncleosatmicosy con sus electronesen el objeto,a menudo de ma- nera tal que inciden por fuera de la lente objetivo. En consecuencia,la imagen so- bre la pantallaseformapor la ausenciode estoselectrones,como "imagen en som- bra". La dispersin de los electronesde- pende del espesordel objetoy de su den- sidad molecular.En especialdependedel nmero atmicode loi tomospresentes en el objeto,dado que Ia dispersinobte- nida esmayor,cuantoms elevadoseael nmero atmico. La mayora de los to- mos de las estructurasbiolgicas tienen nmero atmicobastantebaio v contribu- yen muy poco a la formacin -de la ima- gen,por lo que seadicionantomospesa- dos al prepararlos materiales(vasems adelante). Comosevio antes,el valor del microsco- pio electrnico radica en el gran poder de resolucin que se puede obtener,de unos 0,2nm. No obstante,esimportante diferen- ciar entre el denominado poder de resolu- cin del instrumento, que es del orden mencionadoy se puedeiograr al analiza, por ejemplo,polvo metlico,y el denomi- nado poder de resolucin del objeto.Este ltimo es el poder de rcsolucin que se Fig.2-6. Dib mticode un pio electrni C A P i T L