De Robertis - Fundamentos de Biologia Celular y Molecular 4ed, Notas de estudo de Enfermagem

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EDUARDO DE ROBERTIS JOSÉ HIB [ q 1 1 DAMENTOS Fundamentos ha sido concebido como texto para estudiantes de bachilleratos especializados y para quienes desean ingresar a instituciones universitarias o realizan cursos superiores de biologia celular en el campo de las ciencias médicas, agronômicas, veterinarias, exactas y biotecnológicas. Su contenido ha sido organizado de manera didáctica e integrada, pasando de las cuestiones más simples a las más complejas. Brinda una cobertura completa de los componentes de la célula, abordados con un criterio funcional a fin de facilitar la conexión de sus temas con los de otras materias biológicas. En lo concerniente a fas ciencias médicas, el texto responde tanto a los programas tradicionales como a los basados en el autoaprendizaje y la resolución de problemas, ya que los contenidos de sus 23 capítulos son presentados de modo ta! que el estudiante puede localizarlos, incorporarlos e interrelacionarlos autónomamente. Fundamentos es un texto de biologia celular conciso, actualizado, muy comprensible y profusamente ilustrado con micrografias y figuras en colores, concordante con la orientación seguida por la enserianza de la materia en los principales centros en que se imparte. Eduardo M. F. De Robertis Es doctor en Medicina y se graduó con Medalla de Oro en la Facultad de Medicina de la República Oriental del Uruguay. Además es doctor en Bioquímica de la Facultad dg Ciencias Exactas de la Universidad de Buenos Aires. Después de completar su doctorado en la Fundación Campornar se trasladó a Cambridge, Inglaterra, para continuar su entrenamiento con Sir Gurdon en embriologia de anfibios. Desde 1985 es profesor titular de Bioquímica de la Facultad de Medicina de la Universidad de California, Los Angeles, donde ocupa la Norman Sprague Endowed Chair for Molecular Oncology. En 1994 recibió Ia distinción de ser nombrado Investigador del Howard Hughes Medical Institute. Ha sido elegido miembro de la European Molecular Biology (EMBO), de la Organización Iberoamericana de Biologia Molecular (IMBO) y es miembro correspondiente de la Société de Biologie de Paris. Ha recibido distinciones de la Fundación Konex, del Collêge de France de Paris y de otras entidades. Es miembro de Consejos Asesores de numerosas organizaciones internacionales. Recientemente ha sido elegido miembro de la American Academy of Arts and Sciences. José Hib Se graduó en la Facultad de Medicina de la Universidad de Buenos Aires. Es doctor en Medicina de esa universidad y doctor en Biologia de la Universidad del Salvador. Tempranamente se dedicó a la docencia y se trastadó —como becario de la Organización Mundial de la Salud— al Centro Latinoamericano de Perinatologia de Montevideo, dirigido por el profesor Roberto Caldeyro-Barcia. Ali realizó sus primeros trabajos de investigación, vinculados con la contractilidad de los órganos del sistema reproductor masculino y su regulación farmacológica y hormonal. Luego se radicó en Buenos Aires, donde como miembro del CONICET continuó con sus investigaciones, que fueron registradas en más de 30 publicaciones en revistas extranjeras, o comunicadas en congresos nacionales e internacionales de la especialidad. En 1986 fue nombrado profesor adjunto del Departamento de Biologia Celular, Histologia, Embriologia y Genética de la Facultad de Medicina de la Universidad de Buenos Aires y desde 1996 es profesor titular de esa asignatura en la Universidad Abierta Interamericana. Fue miembro del Comité Científico del Primer Congreso Panamericano de Andrologia y ha sido premiado por el Ministerio de Educación de la Nación por su trabajo Contractilidad de! epidídimo. Es autor de los libros Embriologla Médica « Histologia de Di Fiore —Texto y Atlas—; este último, al igual que Fundamentos, ha sido traducido al portugués. O (BEditorial El Atenco ot biológicas. Los veintitrés capítulos que componen esta nueva edición han sido revisados, ampliados y actualizados en consonancia con los espectaculares avances registrados en la mayor parte de los temas. Todos han sido presentados en forma concisa y didáctica, encabezados por códigos que agilizan la búsqueda de los contenidos y permiten su integración. Además se ha cambiado el formato del libro y se ha recreado su diseho mediante la incorporación de ilustraciones nuevas y el empleo de colores. En lo que atafie a los estudios médicos, el texto se adecua tanto a los programas tradicionales como al aprendizaje basado en la resolución de problemas, pues ha sido redactado de modo que el estudiante pueda comprender sus conceptos con razonable facilidad. o|m | alto) I/ 0 v| 4 “A oquynas Fundamentos de Biología Celular y Molecular de De Robertis Eduardo M. F. De Robertis José Hib De Robertis, Eduardo Fundamentos de Biologia Celular y Molecular de De Robertis De Robertis, Eduardo -Hib. José 4 ed. - Buenos Aires El Asenco, 2004 444 páginas. 16 x 23 em ISBN 950-02-0414-2 1. Biologia Cetutar - 2 Biolagia Molecular - |, José Hib [1 Tíuto COD 618.2 Tercera edicióa publicada en portugués con el título De Robestis - Bases da Biologia Celular e Molecular Guanabara-Koogan, Rio de Janeiro, 2001 Disciia Tapa: Claudia Solari Discho interior: Alejandro E. Demartini Cuarta edición de Editorial El Atenco O GRUPO ILHSA S.A. 2004 Patagones 2463 - (CIZB2ACA) Buenos Sires - Argentina Vet: (54 11) 4043 8200 - Pax: (54 11) 4308 4199 E-mail: editorial Gctatenso.com Derechos exclusivos de cdición en castellano reservadas para (do el mundo Queda hecha el depósito que establece la ley 11.723 Jinpreso en Talleres Vertap 5.4. Cormandame Spurr 653. Avellaneda Provincia de Buenos Aires en el mes de abril de 2004, Impreso en la Argentina Prólogo En primer término deseamos expresar nuestro reconocimiento por los numero- sos mensajes recibidos de colegas complacidos por ta aparición de la tercera edi- ción de Fundamentos, celebrando la posibilidad de que este texto clásico de biolo- gfa celular pueda continuar siendo consultado por los estudiantes. Es que en una época como la actual, en que importantes descubrimientos sobre la célula se publi- can casi cotidianamente, los libros que describen las estructuras y funciones celu- lares persisten en la consideración de los docentes sólo si se los actualiza con cier- ta periodicidad. Sin embargo, antes de sumar datos nuevos éstos deben seleccio- narse criteriosamente a fin de que io novedoso no prevalezca sobre lo esencial e in- vada el lugar de los conocimientos básicos que los estudiantes tienen que aprender al comienzo de sus carreras, ya que con frecuencia abordan el estudio de la célula con escasas nociones sobre su funcionamiento. Adadido a lo anterior, a lo largo del libro hemos tratado de orientar el interés de los estudiantes para que comprendan que en ei conocimiento de las estructuras y funciones celulares normales se hallan los cimientos de la magoría de tos temas que deberán aprender cuando cursen otras asignaturas. Todos los capítulos de esta cuarta edición han sido revisados y puestos al día, en especial las secciones correspondientes a la migración celular, las cubiertas de tas vesículas transportadoras de) sistema de endomembranas, la incorporación de proteínas a la mitocondria, la transmisión intracelular de seúales, cl pasaje de mo- léculas a través del complejo del poro, la importancia del ARNxist, las propieda- des de los microARN, la influencia del enrollamiento de la cromatina sobre la ac- tividad de Jos genes (código histónico), el ribosoma, la síntesis de la cadena retra- sada del ADN, los telômeros, el complejo sinaptonémico, la muerte celular, el aná- lisis de Ia función de los genes con la ayuda de ARN pequehos de interferencia, etc. Del mismo modo que en la edición anterior, hemos tratado de presentar los te- mas razonablemente abreviados a pesar de que, como se dijo, las publi rivadas de la investigación científica son cada día más numerosas. No obstante, cuidamos de no hacerlo a costa de la claridad didáctica, propósito que se vio enor- memente favorecido al contar esta edición con ilustraciones coloreadas. Al respec- to, el lector apreciará que a cada componente de la célula se le asignó un color que se mantuvo en tod iones de- las figuras donde el componente aparece. Asimismo, las sec- clones en que se dividen los capítulos han sido encabezadas por códigos sencillos X m FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 6. LA UNION DE LAS CELULAS ENTRE S1 Y CON LA MATRIZ EXTRACELULAR Matriz extracelular Uniones de las cétulas con la matriz extracelular n Uniones transitorias entre las células Uniones estables entre las células Las conexiones emre las células vesetales. 109 uz =. H3 «4 «9 7. EL SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS. - Digestióm y secreción Componentes Retículo endoplasmático . Complejo de Golgi..... Funciones del retículo endoplasmático y del compleo de Golei Secreción celular, Exocitosis rt Endosomas. Endocitosis Lisosomas. Digestión celula Vesículas transportadoras ..... El sistema de endumembranas e» la célula vegeias 8. LAS MITOCONDRIAS. Energia celular 1 Procesos bivenergéticos. Descripción general y estructura de fas mitocondirias.... Funciones de las mitocondrias Mitocondrias de las células de la grasa parda. Reproducción de tas mitocondrias ADN mitocondrial ee Probable origen de Tas mitocondrios 9. LOS CLOROPLASTOS. Energia celular II Tipos de plástido: «181 Estructura de os cloroplastos 183 Fatosíntesis.. ce 184 Biogénesis de os cloroplastos... 190 10. LOS PEROXISOMAS. Destoxificación celular Contenido do los peroxisomas cce Funciones. Reproducción 1.05 perexisomas en Je células tal 11. LA COMUNICACION INTERCELULAR Y LA TRANSMISION INTRACELULAR DE SENALES Formas de comunicación entre las células . 197 Inducciones celulares mediadas por receprores citosólicos. .200 Inducciones celulares mediadas por receptores localizados en la membrana plasmática. Receptotes mersbranosos que adquieren actividad enzimática o que activan enzimas 202 Receptores membranosos acoplados à proteinas G.. 207 12. EL NUCLEO Descripción general....... Envoltura noclear .. Cromosomas.... Eucromatina y heterocromatin: Cariotipo B. 14. Is. 16. 18. , LA REPLICACION DEL ADN, Mutación y repara: INDICE E XI LOS GENES Introdueción.. Código genstic Composiciên de los genes «237 239 2. 24] LA TRANSCRIPCION DEL ADN Definición... . 247 Transcripeiên de los genes de los ARN mensajeros. 250 Regulación de los genes que codifican ARN mensajeros .. 251 Transcripción del gen del ARN ribosómico 45S....... 261 Transcripeión del gen del ARN ribosómico 58.. ..261 Transeripeión de los genes de los ARN de transferenci 262 Transcripeión de los genes de los ARN pequeiios .262 Transeripción de [os genes del ARNxist, de) ARMto y de los miARN... .262 Transcripeión de los genes en las células procatiotas cms 263 EL PROCESAMIENTO DEL ARN Procesamiento de los ARN mensajeros.. Regulación del procesamiento de los ARN mensajeros Procesamiento del ARN ribosómico 458 .... Nucléolo Procesamiento de! ARN ribosómico 58 - Procesamiento de los ARN de transferencia Procesamiento de los ARN pequefos...... Procesamiento de) ARNxist, del ARNte y de los miARN LA TRADUCCION DEL ARNru. Síniesis de proteínas Descripeión general y código genético... eme 28) Tipos de ARN de transferencia 283 Aminoacil-ARNI sinterasa. 285 Ribosomas 286 Las etapas de la síntesis proteica. .288 Regulación de la traduceión de los ARN mensajeros y de la degradación de las proteínas Replicación del ADN. Descripción general Orígenes de replicaciá Repficación continua y d Replicación de] ADN en | Funciones de las fopoisomerasas Mutación del ADN....... Réparación del ADN ..... Transposición de secuencias de ADN..... LA MITOSIS. Control del ciclo celular Ciclo celular. Descripción general de Ja snitosi Fases de la mitosis.... Centrosomas . Cinetocoros.. Huso mitótico .. Citocinesi nam La mitosis en las células vegeta Control del cielo celular o ; Protooncogenes, oncopenes y genes supresores de tumores... XII = FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR Meiosis y reproducción sexual... Diferencias entre la mitosis y la meiosis. Descripeión general de la meiosis.... Pases de la meiosis . Consecuencias genéricas de la mejosis Fecundación | Fases de Ja fecundación. La imeiosis en las células vegetales y Ja reproducción de las plantas | | | 19. LA MEIOSIS. Fecundación | | 20. LAS BASES DE LA CITOGENETICA Leyes de la herencia mendeliana... Abertaciones eromosómicas Aberraciones cromosómicas en la especie humana Papel desempeiiado por tos cromosomas en la evotución... 2 . LA DIFERENCIACION CELUL, Características gencrales Interatciones nucleocitoplasmáticas Determinantes citoplasmáticos Valores posicionales de las célnlas embrionarias Establecimiento del plan corporal. Fenómenos inductivos EI establecimiento del plan corporal en la Drosophila Genes responsables de la formación del plan corporal R 5 8 . LA MUERTE CELULAR Definición y características generales Apoptosis por supresión de factores tróficos Apoplosis por aclivación de receptores específicos . Apoptosis debida a mutaciones en el ADN.... 23. LOS METODOS DE ESTUDIO EN BIOLOGIA CELULAR Microscopia óptica Microscopia electrónica. Estudio de las células viv: Citoquímica Inmunocitoquímica Radioautografia Fraccionamiemo celular y molecular Análisis molecular del ADN e ingeniería genética . Análisis de Ia función de los genes . INDICE ALFABETICO ...... 341 356 357 363 365 370 373 376 401 406 41 412 418 429 La célula INTRODUCCION -1. Las células son las unidades con que se construyen los organismos vivos El estudio del universo biológico nos muestra que la evolución produjo una inmensa diversidad de formas vivientes. Existen alrededor de cuatro mi- llones de especies de animales, vegetales, protozoos y bacterias, cuyos com- portamientos, morfolegías y funcíones difieren entre sí. Sin embargo, à nivel molecular y celular estas entidades vivientes presentan un plan maesiro de or- vanización único, El campo de la biologfa celular y molecular es, precisa- mente, el estudio de ese plan de organización unificado; en otras palabras, es el análisis de tas moléculas y de Jos componentes celulares con que se cons- truyen todas Jas formas de vida. La célula es Ja unidad estractural y funcional fundamental de Jos seres vi- vos, asf como el átomo es la unidad fundamental de las estructuras químicas Si por atgún medio se destruye la organización celular, la función de la célu- ln también se altera Los estudios bioquímicos demostraron que la materia viviente está com- puesta par los mismos elementos que constituyen e! mundo inorgánico, aun- que con diferencia cn su organización. En e] mundo inanimado existe una tendencia continua hacia cl equilibrio termodinámico, en e curso de la cual se producen transformaciones contingentes entre Ja energia y la materia. En cambio, en los organismos vivos existe un manifiesto ordenamiento en las transformaciones químicas, de modo que las estrueturas y las funciones bio- lógicas no se alteran En el capítulo 23 se describen ordenadamente los imétodos de estudio que proporcionaron los conocimientos esenciales sobre la estructura íntima de las células y permitieron descubrir la organización subcelular hasta un nivel molecular. El presente capítulo tiene como objetivos principales ofrecer ana infro- ducción para el estudio de la estructura y las funciones de la célula y presen- tar la nomenclatura de los componentes celulares. Después de mencionar los niveles de organización concemientes a la biologia, se describirá la organiza- clóm estructural de los procariotas y los encariotas —los dos tipos prineipa- ley de organismos vivientes— y se serialarán sus semejanzas y diferencias También introducirá al lector en los procesos generales de las divisiones mi tática y meiótica de las células. Mediante la atenta lestura de este capítulo se obtendrá una perspectiva global de la célula, que servirá de base para el aprendizaje del material pre- senado eg ol resto del ibro, 4 m FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR E RE 7 T getal y animal. Una de Jas clasificacio- Tabla 1-3. Clasificación de las células y los organismos Y : nés más usadas propone la división en Células! Reino Organismos representativos cinco reinos: móneras, protistas. hon- gos, vegetales y animales, con sus co- Procariotas Móneras RE rrespondientes subdivisiones (tabla 1-3). RR Este cuadro puede simplificarse si se ereto Vertigo Er examinan las distintas formas vivientes riso - N : e a nivel celular. Así, es posible clasificar Hongos Mohos a n ' a las células en dos categorías reconoci Hongos verdaderos. bi dot otas En | es: proc: ariotas. E eo aten s: procariotas y eucariotas. En la Ra tabla 1-3 se aprecia que únicamente las Algas pardas méneras (es decir, las bacterias y las al- Briofitas gas azules) son células procariotas, Traqueofitas mientras que todos los dermás reinos es- Aninuales Metazoos tán integrados por organismos com- puestos por células eucariotas La principal diferencia entre ambos tipos celulares es que los procariotas no poscen envoltura nuclear. El cromosoma de los procariotas ocupa un es- pácia dentro de la célula denominado nucleoide y se halla en contacto direc- to cor el resto de] protoplasma. En cambio, las células eucariotas poseen un núcleo verdadero con una complicada envoltura nuclear, à través de la cual tienen lugar los intercambios nucleocitoplasmáticos. En la tabla 1-d se esta- blece la comparación de la organización estructural en los procariotas y los excariotas, lo cual ilustra las diferencias y las semejanzas entre Jos dos tipos celulares. Desde el punto de vista evolutivo, se considera que Jos procariotas son an- tecesores de los eucariotas. Los fásiles que datan de tres mil millones de afos se manifiestan únicamente como procariotas, en tauto que los eucariotas apa- recieron probablemente hace mil milones de afios. À pesar de Jas diferencias entre los procariotas y los eucariotas, Tabla 1-4, Organiza ón celular en procariotas y eucariotas existen grandes semejanzas en su orga- nización molecular y en sus funciones Procariotas Encariotas Por ejemplo, ambos tipos de organis- 77 | mos utilizan un mismo código genético Envoltura nuclear Ausente Presente y una maquinaria similar para sintetizar ADN Desnudo Combinado proteínas. con proteinas Cromosomas Unicos Múltiples 1-4. Existen organismos autótrofos Nueléolos. Ausentes Presentes y organismos heterótrofos División Fisión binaria Mitosis o meiosis El sol constituye Ja fuente original Ribosomas 708* (508 + 308) 808 (608 4405) de energía para los organismos vivos. Endomembranas. Ausentes Presentes La energia incluida en los fotones es Mitocondrias Ausentes Presentes atrapada por el pigmento llamado cloro- Cloroplastos Ausentes Presentes en fila —que se encuentra en los eloroplas- células vegetales tos de los vegetales verdes — y se acu- Pared celular, ixocitosis y endositosis Citoesqueleio * 5 es Ia omidad Svedtonz de sedimentnci ya forma de Ta molécula, No celulósica Celulósica en mula en forma de energia química en células vegetales los diferentes alimentos consumidos Ausentes Presentes por otros organismos. Ausente Presente Las células y los organismos plurice- lulares pueden agruparse en dos clases principales según el mecanismo que nti lizan para extraer energla paca su propio que depende de iu densidad metabolismo. Los que pertenecen a la primera clase denominados autótrofos (por ejemplo, os vege- / tales verdesj— utilizan el proceso de fotosíntesis para transformar CO, y H;O en hidratos de carbono simples, à partir de fos cuales pueden producir mo- léculas más complejas. Los pertenecientes a la se- gunda clase —llamados heterótrofos (por ejemplo, Fotones |/ | LACELULA E 5 los animales)— obtienen la energía de los hidratos de carbono, las grasas y las proteínas sintetizados por los organismos autótrofos. La energia contenida en estas moléculas orgánicas se libera mediante la combustión del O, atmosférico (es decir, por oxida- ción), por un proceso que se denomina respiración aeróbica. La liberación por los organismos heteró- irofos del HjO y CO, generados por este proceso es completa cl ciclo energético (fig. 1-2). Estos ciclos energéticos se han mantenido relacionados entre sí a lo largo de la cvolución. Entre los procariotas existen algunas especies autótrofas y otras heterótrofas. Los vegetales (con excepeiones) son antótrofos, mientras que los animales y los hongos son heterótrofos | Dálulas fotosintéticas Latino 1-5. Organización general de las células procariotas Bacterias. Si bien este libro está dedicado a las células eucariotas de los organismos más complejos, gran parte del conocimiento sobre la biologia ce- Jular proviene de estudios efectuados en virus y bacterias. Una célula bacte- riana como la de Escherichia coli presenta la ventaja de su fácil cultivo a 37 ºC en soluciones acuosas de iones inorgánicos, glucosa, aminoácidos y nuclegtidos, donde duplica su masa y se divide en aproximadamente 20 mi- nutos. Debe scfialarse que Ia Escherichia coli pertenece a la clase de bacte- rias que no se colorean con el método de tinción desarrollado por el micro- biólogo EL. C. Gram, de ahí que se las conoce como bacterias gramnegativas Tanto la micrografia como el esquema de la figura 1-3 imuestran que la membrana plasmática de esas bacterias está rodeada por una pared celular, la cual sirve de protección mecânica, es rígida y consta de dos capas: una in- terior de peptidoglicano y otra conocida como membrana externa. Obsérvese que ambas están separadas por e) espacio periplasmático. El peptidoglicano es una macromolécula continua compuesta por carbohidratos inusuales uni- dos por péptidos cortos. En cambio, Ja membrana externa es una bicapa de l- poproteínas y lipopolisacáridos similar en estruetura a la membrana plasmá- tica. Uno de sus complejos proteicos presentes en la membrana externa lleva cl nombre de porina debido a que forma um canal transmembranoso que per- mite la libre difusión de los solutos. La membrana plasmática es una estructura lipoproteica que sirve de ba- trera para los elementos presentes en el medio circundante. Esta membrana, al controlar la entrada y salida de los solutos, contribuye al establecimiento de un medio perfectamente regulado en el protoplasma de la bacteria. Es oportuno sefialar ahora que en los procariotas los complejos proteicos de la cadena respiratoria (cap. 8-11) y los fotosistemas utilizados en la fotosfntesis (cap. 9-8) se localizan en la membrana plasmática. En el protoplasma se encuentran partículas de 25 minadas ribosomas, compuestas por ácido ribonucleico CARN) y proteínas; nm de diámetro, deno- posse una subunidad grande y otra pequefia, Los ribosomas se hallan agru paddos em polieribosonvas y om ellos Gene lagar La sintegis proteica, Adenvãs, ol Células heterótrotas | e So | — Fig. E-2, Esquema del ciela de la energia entre las células autótrofas (forosintéticas) y heterótrofas. 6 E FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR Membrana plasmática Fig. 1.3, À. Microgratia cleo- trómica de una Escherichia coli que muestra, por fuera de ta membrana plasmática, et espacio periplasmático y la membrana externa de la pared celular. E] nucteoide aparece como una región irregular de poca densidad etectrónica. El resto del protoplasma está ocupado por ribosomas. (Cor- tesfa de B. Menge, M. Wuntz y E, Kellenberger.) B. Esque. ma de la pared celular de una bacteria grarmnegativa. Obsér- vese el peptidoglicano y ta membrana externa, cuya bica- pa lipídica está atravesada por porinas. En el lado inferior de Ja figura se ve una parte de la membrana plasmática. Espacio periplasmático Porina Membrana oxterna nu mn UI Paptidogiicano Membrana plasmática protoplasma contiene agua, iones, otros tipos de ARN. proteínas estractura- Jes y enzimáticas, diversas moléculas pequeãas, eteétera. Ei cromosoma bacteriano es una molécula circular única de ADN desnu- do, plegado apretadamente dentro del nucleoide, el cual, visto con el mictos- copio electrónico, se observa como la región más clara del protoplasma (fig. 1-3), Es importante advertir que el ADN de la Escherichia coli, que posee una Jongiud aproximada de 109 nm (1 mm), contiene información genética para codificar entre 2.000 y 3.000 proteínas distintas. Ei cromosoma de los procariotas se halla unido a la membrana piasmáti- ca. Se cree que esta fijacién contribuye a la separación de los dos cromoso- tuas hijos después de la replicación del ADN. Tal separación se producirta a! creçer la membrana plasmática interpuesta entre ambos cromosomas, Adentás del cromosoma, algunas bacterias contiener un ADN pequefio —también circular— denominado plásmido, El plásmido puede conferir a la célula bacteriana resistencia à uno o à varios antibióticos. Mediante e] uso de técnicas de ingenieria genética (cap. 23-34) es posible aislar los plásmidos, insertaries fragmentos específicos de ADN (genes) y luego trasplantarlos a otras bacterias. Micoplasmas, La mayorfa de las células procariotas son pequefias (miden entre 1 y 10 um), pero algunas pueden alcanzar un diámetro de hasta 60 jum. Entre los organismos vivos que poscen la masa más pequeita, los que mejor se adaptan para su estudio son las pequerias bacterias Ilamadas micoplasmas, las cuales producen enfermedades infecciosas en diferentes animales y en el hombre y pueden ser cultivadas in vitro como cualquier otra bacteria, Estos agentes tienen un diâmetro de 0,1 a 0,25 jum, como el de algunos virus gran dem, Su importancia biológica radica en que poseen uma emaga ill vasos qm nor que e) tamafio promedio de una bacteria y un millón de veces menor que el de una célula eucariota Virus, Los virus fueron reconocidos por su propiedad de atravesar los po- xos de un filtro de porcelana (de ahí su denominación original de virus filtra- bles) y por os cambios patológicos que producen en las células. Bl tamaãio de los viras varia entre 30 y 300 nm y su estructura muestra diferentes gra- dos de complejidad. Muchos presentan simetria icosagdrica (fig. 1-4); ésta deriva del modo como se combinan entre sí ciertas unidades proteicas llama- das capsómeros, que forman la envoltura del virus o cápside. Los virus no son considerados células verdaderas. Aunque participan de algunas propiedades celulares —como la autorreproducción, la herencia y la mutación génica—, dependen de células huéspedes (procariotas o eucariotas) para ponertas de manifiesto. Puera de la célula huésped los virus son meta- bólicamente inertes y hasta pueden cristalizarse: se activan (es decir, se re- producen) cuando ingresan en una célula. De acuerdo con el tipo de ácido nucleico que contienen, existen dos tipos de virus: 1) los que poscen una molécula de ARN como cromosoma (por ejemplo, el virus del sida), y 2) los que tienen una molécula de ADN (por ejemplo, Jos virus bacterianas o bacteriófagos). Los vitus replican sus genes para reproducirse. También los transcriben (en ARN mensajeros), pero dependen de la maquinavia biosintética de Ja cé- Jula huésped (es decir, ribosomas, ARN de transferencia, enzimas, aminoáci- dos, etc.) para sintetizar sus proteínas (por cjemplo, los capsómeros) 1.os virus son producidos por un proceso de agregación macromolecular, Jo cual significa que sus componentes son sintetizados separadamente en di- ferentes lugares de la célula huésped y luego reunidos de manera coordinada en otra parte de ella Los bacteriófagos son virus que usan como huéspedes à células bacteria- nas. ELADN se halla en la cabeza del bacteriófago y es inyectado ex la bae- teria por medio de una cola que so adhicre a la pared de la célula huésped y aetúa como una jeringa. Los procesos ulieriores en la bacteria son muy rápi- dos y comienzan con la hidrólisis enzimática de su ADN. Los nucleútidos re- sultantes soo utilizados para sintetizar e! ADN de los nuevos bacteriófagos. A partir de este ADN se sintetizan los ARN mensajeros y las proteínas estruc- lurales de Jos virus. Finalmente, sc reúnen todos estos componentes y se ar- man los bacteriófagos maduros dentro de la bacteria infectada. Como se ve 1. LACELULA 1 7 Fig, 1-4, Micrografia electró- nica de virus coloreados nega- tivamente. El dibujo del re- cuadro muestra la estructura ieosuédrica del virus y las pentonas Cem negro) y hexo- us do To coprómeros, 10 m FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR Fig. 1-7. Esquema general de Ja ultraestructura de una célu- lu animal idealizada, con sus principales componentes. Gilio Microvellosidad Vesícula de 0 pinocitogis. Q o) e os o Q Membrana o plasmática q (Deuiosoma 9 Complejo de Golgi / Pe. -S Vesícula e de secreción liso A! N Retículo N endoplasmático Retículo endoplasmático os Mitocondrias. te con el microscopio, puesto que tienen unos pocos micrómetros de diáme- tro (fig. 1-1). Bl votumen de la célula es bastante constante en los distintos tipos celuta- res y es independiente del tamanio del organismo. Por ejemplo, tas células del riión o del hígado tienen casi el mismo tamafio en el elefante y en Ja rata. Así, la masa de un órgano depende del número, no del vofumen de las células. 1-8. La membrana plasmática separa el contenido de la célula del medio externo La estructura que separa el contenido de Ja célula del medio externo es la membrana plasmática. Se trata de una delgada película de 6 a 10 nm de es- pesor, compuesta por una bicapa lipídica continua y proteínas intercaladas o adheridas a su superfício, La membrana plasmática sólo puede verse con el microscopio electróni- co, que revela sus numerosas diferenciaciones y Jos distintos tipos de estrue- turas que unen a las células entre sí o que las conectan con ciertos componen- tes de la matriz extracelular (fig. 1-7). La membrana plasmática controla de manera selectiva el pasaje de solu- tos. Además promueve el ingreso y Ia salida de macromoléculas mediante procesos Ilamados endocitosis y exocitosis, respectivamente (tabla 1-5), En las células animales ta membrana plasmática suele poseer abundantes hidra- tos de carbono (fig. 3-14), mientras que en las células vegetales su superficie está cubierta por una segunda envoltura de grosor relativamente estable, de- nominada pared celular (fig. 1-6). 1-9. El citoplasma contiene una matriz denominada citosol EI compartimiento citoplasmático presenta una organización estructura! muy compleja. ya que su estudio con el microscopio electrónico revela un asombroso contenido de membranas Este sistema de endomembranas ocupa gran parte del citoplasma —a] que divide en numerosas secciones y subsecciones— y es tan polimorfo que re- sulta sumamente difícil definilo y describirlo. No obstante, en general se considera que e] citoplasma se divide en dos grandes compartimientos: uno contenido dentro de? sistema do endomembranas y otro —I citosol o matriz. citoplasmática— que queda fuera de elias. Muchos componentes importan- tes del citoplasma están en el citosol, es decir, por fuera del sistema de endo- membranas. El citosol constituye e! verdadero medio interno de la célula. Contiene los ribosomas y los filamentos del citoesqueleto —en los cuales tiene lugar la síntesis protejca— y diversas clases de moléculas vinculadas con numerost- simas actividades metabólicas. Tabla 1-5. Organización general de la célula eucariota Principales componentes Subcomponentes Función principal Membrana celular Pared celular Protecoión Cubierta celular Interaceiones celulares Membrana plasmática Permenbilidad, exocitosis. y endocitosis Núcleo Cromosemas Información genética Nucléolo Sintesis de ribosomas Citosol Enzimas solubles Glucólisis Ribosomas Simtesis proteica Citoesqueleto Filamentos intermedios Forma y movilidad de la célula. Mierotúbulos y centrasoma Filamentos de actina Estruoturas microtubulares— Cuerpos basales y cilios Movilidad ciliar 4 Centrlotos — me Organoides Retículo endoplasmático Sintesis y procesamiento dlel sistema Complejo de Golei de lipídos y glúcidos: é Endosomas y lisosomas Digestión o Sintesis de ATP L LACELULA mB 11 12 m FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR 1-10. El citoesqueleto está compuesto por tres tipos de filamentos principales Tres tipos de filamentos principales — los de actina, los intermedios y los mictonibulos— y varias clases de proteínas accesorias componen una espe- cie de eitoesqueleto distribuido por todo ei citosoL. El citoesqueleto es res- ponsable de la forma de la célula e interviene en otras importantes funciones Los filamentos de actina mider 8 nm de diâmetro (fg. 1-9). Entre sus funciones más salientes se halta la de conferir motilidad a Jas célutas. Los filamentos intermedios, de 10 nm de diámetro, están formados por proteínas fibrasas y tienen principalmente un papel mecánico Los mierotúbulos son estracturas tubulares rígidas de unos 25 am de diá- metro (fig. 1-9). Nacen de una estructura Jlamada centrosoma, en la que se haltan los centríolos. Junto coa los filamentos de actina tienen a su cargo el desplazamiento de los organoides por el citoplasma. además, los microtúbu- los componen fas fibras del huso mitótico durante la división celular Los centríolos son estructuras cilíndricas que miden aproximadamente 0,2 um por 0,4 jum y sus paredes están formadas por microtúbulos. En gene- ral son dobles y sus dos unidades están dispuestas perpendicutarmente. Si bien se encuentran en los centrosomas, no intervicnen en la formación de los microtúbulos (fas células vegetales carccen de centríolos y los microtábulos igualmente se forman). Durante la mitosis los centríolos migran hacia los po- Jos de la célula. 1-11. El sistema de endomembranas abarca el complejo de Golgi, el retículo endoplasmático, los endosomas y los lisosomas La figura 1-7 ilustra Ja continuidad y Jas interconexiones funcionales de los distintos componentes de! sistema de endomembranas en el citoplasma El retículo endoplasmático constituye la parte más extensa del sistema de endomembranas (figs. 1-7 y 1-10). Está compuesto por sacos aplanados y túbulos. La superficie externa de] retículo endoplasmático rugoso se halla cu- 1-8. Algunos de Jos tip celulares que se encuentra en los tejidos animales. Ob- sérvense las dilerências de fotrnas y tamaãos. Es Si Espermarczoo Dei | Dá Céuia — Céuia o epitelial epitelial mucosa ciiada Célula mucosa a Ovocita O Células de la O sangre Célula Músculo doltajido Gólula norvlosa del corabota utaaolto lino congotivo bierta por ribosomas, tos cuales sintetizan las proteínas destinadas aí sistema de endomembranas y a ja membrana plasmática. El retículo endoplasmático liso se continda con el rugoso c interviene en la síntesis de diversas molécu- las. Del retículo endoplasmático deriva la envoltura nuclear, compuesta por dos membranas concéntricas. Estas se unen entre sí a nivel de los poros nu- cleares, que son orifícios que permiten el paso de moléculas entre el núcleo y el citosol. La membrana nuclear intema se halla en contacto con los cromo- somas, mientras que la externa suele estar cubierta por ribosomas. El complejo de Golgi está formado por pilas de sacos aplanados, túbulos y vesículas (figs. 1-7 y 1-10). En €] se procesan moléculas provenientes del retículo endoplasmático, las cuales son luego incorporadas a endosomas o son liberadas (secretadas) fuera de la célula por exocitosis. Los endosomas son organoides destinados a recibir enzimas hidrolíticas provenientes del complejo de Golgi así como e) material ingresado en la cé- lula por endocitosis. Cuando suman ambos contenidos se convierten en liso- somas. Los lisosomas son organoides polimortos (figs. 1-7 y 1-11). Contienen las enzimas hidrotíticas responsables de la digestión de las sustancias incorpora- das a la célula por endocitosis. También degradan a los organoides obsoletos (autofagia). 112. Las mitocondrias y tos plástidos son organoides fundamentaies para el funcionamiento celular Las mitocondrias se encuentran prácticamente en todas las células euca- riotas. Son estructuras cilíndricas de alrededor de 3 um de largo por 0,5 um de diâmetro que poscen dos membranas. La membrana mitocondrial externa se halla separada de Ia membrana intema por el espacio intermembranoso. La membrana interna rodea a la matriz mitocondrial y se halla plegada. Tales pliegues dan lugar a las Maumadas crostas mitocondriales, que invaden la mar 1 IACELULA m 13 Fig. 1-9, Micragrafia electro nica de una célula cultivada. Se observam das haces de fila mentos de actina (Ac), un gran número de microtúbulos (ui) y vesículas Ienas de material (Ve). (Cortesia de K. R. Porter) | LACELULA m 17 16 m FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR Las células pasan por dos períodos en el curso de sus vidas: uno de inter- fase (no división) y otro de división (en cf cual se producen dos células hi- jas). Este ciclo se repite en cada generación celutar, pero el tiempo varia con- siderablemente de un tipo celular à otro. La función esencial de) núcleo es proporcionar a la célula ka información genética almacenada en e) ADN Las moléculas de ADN se duplican durante un período especial de Ja in- terfase denominado fase S (por síntesis de ADI), en preparación para la di- visión celular (fig, 18-2) Durante la interlase Ja información contenida en los genes es manscripta en diferentes ctases de moléculas de ARN (mensajero, ribosómico y de trans ferencia), las cuales, después de pasar al citoplasma, traducen esa informa- cin y sintetizan proteínas específicas. En el múcleo inlerfásico humano se reconocen las sigulentes estructuras (fig. 1-7): 1) la envoltura nuclear o carioteca, compuesta por dos membra nas perforadas por orifícios llamados poros nuelesres; 2) la matriz nuclear » nueleoplasma, que ocupa gtan parte del espacio nuclcar; 3) el nueléolo, que es más grande en las células con síntesis proteica muy activa, por lo ge- neral esférico: puede ser único o múltiple y en él se sintetizan los ARN ribo- sómicos, los cuales sc asocian con numerosas proteínas para formar los ribo- somas: 4) 46 cromosomas a fibras de cromatina; éstas se componen de ADN y de proteínas básicas [amadas histonas BLADN y las histonas forman estructuras granulares de unos JO nm de diámetro —conocidas como nucleosomas —, que alternan cor tramos de ADN libres de histonas, La cromatina así dispuesta es Ja más delgada (fig 12-10) y es capaz de enrollarse sobre sí misma en distintos grados. En la ja- terfase pueden verse regiones de eueromatina, donde tas fibras se encuen- tran menos enroladas, y regiones de heterocromatina, que representar las partes de la cromatina más condensadas. Durante ks división celujar tas fibras de cromatina se enrollan 2) máximo, de modo que se Ias puede observar con el microscopio óplico bajo la forma de cromosomas (del griego chrôma, co- lor, y sóma, cuerpo) (fig. 12-14). 1-15. Los núcleos de las células somáticas contienen dos juegos de cromosomas homólogos Los organismas pluricelulares que se reproducen sexualmente se desarro- lan a partir de una sola célula —el cigoto o célula huevo—, que resulra de la unión de un ovocito con un espermatozoide durante Ja fecundación. Las células somáticas descendientes del cigoto contienem dos juegos idén- ticos de cromosomas. En otras palabras, los cromosomas se presentan de a pares, Un cromosoma de cada par es aportado por el ovocito y el otro por el espermatozoide. Los dos miembros de cada par de cromosomas se denorminan homólogos, y para indicar el número de cromosomas de una especie se hace referencia a los pares de eromosomas o a los pares de homólogos. Por ejemplo, cl sor hu- mano poses 23 pares de cromosomas, 46 en total. Los homólogos de cada par son prácticamente idénticos, pero los distintos pares dé homólogos son dife- rentes entre sí. Para hacer referencia a la presencia de los dos juegos de cromosomas ho- mólogos se utiliza la expresión diploide (2n). En las células somáticas am- bos juegos de cromosomas se conservan durante las sucesivas divisiones ce- Hg 111, Región periférica de una célula hepática en la que, entre otros componentes, se observan lisosomas (2), el núcico lulares a lo largo del desarrollo embrionario, el crecimiento corporal y el 4h um canalículo biliar (CH), mitocondrias (4), el retículo endoplasmático (RE) e inclusiones de plucógeno (GL). 31.000x. mantenimiento de los tejidos en la vida posnatal, (Cortenta de K. R. Porter) 18 m FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CHLULAR Y MOLECULAR 1-18. La mitosis mantiene la continuidad y el número diploide de los cromosomas La estabilidad del número cromosómico es mantenida por medio de una clase especial de división celular, denominada mitosis. En ella se goneran nú- cleos hijos con cl mismo número de cromosomas: por consiguiente, en cuan- to a su constitución cromosómica las células hijas son idênticas entre sí y a sus antecesoras. La mitosis comprende una serie consecutiva de fases, conocidas como profase, prometafase, metafase, anafase y telofase. Bn la mitosis ei núcleo experimenta una serie de cambios complejos. En- tre los más Ilamativos se encuentran la desaparición de la envoltura nuclear y una mayor condensación de las fibras de cromatina, que se convierten en cromosomas detectables. Vimos que en el núcleo interfásico los eromosomas no pueden ser indivi- dualizados porque en esa etapa dei ciclo celular las fibras de cromatina se ha- Man más desenrolladas En la figura 1-12 se representan dos de los 46 pares de cromosomas ho- mólogos presentes normalmente en las células somáticas humanas. Como se vio, los cromosomas se duplican durante Ja fase S de la interfase. En Ja pro- fase temprana cada cromosoma —compuesto por dos fibras de cromatina— apareco como un filamento muy delgado. Al final de la profase se conviene en un bastón corto y compacto, dado que se enrollan sus dos fibras de croma- tina, que pasan à Uamarse eromátidas. Pasada la emetafase, en el transcurso de la anafase ambas cromátidas se separan y cada eromátida hija —es decir. cada cromosoma hijo— se dirige a uno de los polos de Ja célula. Finalmen- te, en la telofase se formam sendos núcleos a partir de los dos conjuntos de cromosomas separados. La división celular concluye con la partición del ct toplasma, conocida como citocinesis. De esta manera las mitosis mantienen el número diploide de cromosornas (2n) en las células somáticas a lo largo de toda la vida del individuo 17. La meiosis reduce los cromosomas a un número haploide Si los gametos (óvulo y espermatozoide) fueran diploides, el cigoto resul- taría con el doble del número diploide de cromosomas. Para evitarlo, las cé- lulas sexuales predecesoras de los gametos experimenta un tipo especial de división celular denominado meiosis, cn el gue eJ número diploide se reduce a un juego único o haploide (in) en cada gameto formado. El cigoto resulta- rá así nuevamente diploide. Ea división meiótica se cumple en los animales (cap. 19-1) y los vegeta- les (cap. 19-20) que se reproducen sexualmente y tiene lugar en el curso de la gametogénesis (fig. 1-12). La meiosis reduce el número de cromosomas mediante dos divisiones nucleares sucesivas —la primera y la segunda divi- siúm meiótica —, dado que son acompafiadas por una sola duplicación cro- mosómica. En esencia el proceso es cl siguiente. En la profase de Ia primera división los cromosomas homólogos se aparean. Puesto que cada cromosoma se compone de dos cromátidas, forman un bivalente compuesto por cuatro cro- mátidas (por elo se lo Ilama también tétrada). Además, partes de las cromá- tidas apareadas suelen intercambiarse de un homólogo a otro. Este fenóme- no recibe el nombre de recombinación genética (en inglés, crossing-over). En la metafase de la misma división los bivalentes (o tétradas) se dispo nen en el plano ecuatorial de la célula. 1 LACELULA m 19 En la anafase cada cromosoma homólogo —con sus dos cromátidas— se dirige hacia uno de los polos opuestos. Después de un corto período de interfase, ya cn la anafase de la segunda división meiótica, las dos cromátidas de cada bomólogo se separan, de modo que cada cromátida queda localizada en uno de tos cuatro gametos resultan- tes, Como consecuencia, en los gametos el núcleo contiene un número sim- ple (o haploide) de cromosomas (fig. 112) MITOSIS MEIOSIS Intertaso Intortase Protase Profase fiarga y (corta) compleja) Metafase Metafase | Anafase Anafase | Tolofase Telofase 1 Telofase 1 ig, 1512, Esquemas comparativos de la mitosis y la meiosis de una célula diploide (2n) con cuatro cromosomas, Los cromo- somas procedentes a cada progenitor está representados en azul y en rojo, respectivamente, En Ja mitosis, la división es ecua- elamal, imlenerns que em la metonis ex reduccional, Las dos divistones de lu meiosin dan fugar a cuatro células haploides (11) que tlonon noto dos oromenomas Adomás, durante la melosts existe um intercambla de segmentos entre los cromosomas, 22 | FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR A “H He + -J- A 2-1, Esquema que mues- tra la distribución asimétrica de las cargas en la molécula de agua un extraordinaria número de combinaciones, lo que determina no sólo la es- pecificidad sino también la actividad biológica de las moléculas proteicas. Además de destacar las características y propisdades de los componentes químicos de la célula, en este capítulo abordaremos et estudio de las enzimas —un tipo específico de protefnas— como instrumentos moleculares capaces de producir transformaciones en muchos de esos componentes También veremos cómo las macromoléculas pueden agregarse y organi- zarse en estructuras supramoleculares más complejas basta resultar visibles con el raicrascopio electrónica. Es probable que tales agregaciones molecu- lares hayan actuado durante el período de evolución química y biológica que dio origen a la primera célula. Por tal motivo, al final del capítulo haremos algunas consideraciones especulativas acerca del posible origen de las célu- las procariotas y eucarioias, es decir, de Ja aparición de la vida en nuestro pla- neta. Los conceptos vertidos en este capítulo sólo sirven como una introdue- ción elemental para el conocimiento de la biologia molecular y celular. Eles- tudio más amplio de sus temas compete a los textos de bioquímica. AGUA Y MINERALES 2-2, El agua es el componente más abundante de los tejidos Agua. Con unas pocas excepeiones —- por cjemplo, el hueso y el diente. cl agua es el componente que se encuentra en mayor cantidad en los tejidos. EI contenido de agua del organismo está rejacionado con fa edad y con fa a tividad metabólica; es mayor en el embrión (90-95%) y disminuye con Jos anos. El agua actúa como solvente natural de los iones y como medio de dis- persión coloidal de la mayor parte de las macromoléculas. Más aún, es indis- pensable para la actividad metabólica. ya que los procesos fisiológicos se producen exclusivamente en medios acuosos En la célula e) agua se encuentra en dos fracciones, una libre y otra liga- da. El agua libre representa el 95% del agua total y es la parte usada prinei- palimente como solvente para los solutos y como medio dispersante del siste- ma coloidal. El agua Jigada representa sólo e] 5% y es la que está unida Ja- xamente a otras moléculas por uniones no covalentes (sección 2-10), así, comprende el agua inmovilizada en el seno de las macromolécutas. Como resultado de la distribución asimétrica de sus cargas. una molécula de agua se comporta como un dipolo, según se ilustra em la figura 2-1. A cau- sa de esta propiedad, por sus geupos positivos y negativos e] agua puede lt- garse electrostáticamente tanto con aniones y cationes como con moléculas portadoras de ambos tipos de carga (por ejemplo, proteínas). Otra propiedad de la molécula de agua es su ionizacign en un anión bidroxilo (OH) y un pro- tón o ion hidrógeno (H*). A 25 “C de temperatura se disocian 107 M de Hº por litro de agua, concentración que corresponde al pH 7 neutro. El agua intervienc en la eliminación de sustancias de la célula. Además absorbe calor (gracias a su elevado coeficiente calórico), lo cual evita que se generen cambios drásticos de temperatura en fa célula. Sales. La concentración de iones es distinta en el interior de Ja célula y en el medio que la rodea. Así, Ia célula tiene una alta concentración de cationes E y Mg? mientras que el Nat y el CF están localizados principalmente en el líquido extracelular, Los aniones dominantes en las células son el fosfato (HPOS y el bicarbonato (HCO;). Las sales disociadas en aniones (por cjemplo, CI) y cationes (Nat y K') son importantes para mantener la presión osmótica y el equitilino ávido base 2. 105 COMPONENTES QUIMIGOS DE La CELULA m 23 de la célula. La retención de iones produce un aurocnto do la presión osmó- tica y, por lo tanto, la entrada de agua. Algunos iones inorgánicos (como cl Mg?*) son indispensables como co- factores enzimáricos. Olros forman parte de distintas moléculas. El fosfato, por ejemplo, se encuentra en los fosfolípidos y en los nucleótidos; uno de és- tos, la adenosina trifosfato (ATP), es la principal fuente de enexgía para los procesos vitales de la célula. Los jones de Ca? que se hallan en las células desempeiian un importante papel como transmisores de sefates. Otros iones presentes en las células son cl sulfato, el carbonato, eteétera. Ciertos minerales se encuentran en forma no ionizada. Así ocurre con el calcio, que en los huesos y en los dientes se halla unido al fosfato y al carbo- nato bajo la forma de cristales, Otro ejemplo comprende a) biexro, que en la hemoglobina, la ferritina, los citocromos y en varias enzimas se halla ligado por uniones carbono-metal. Para mantener la actividad celular normal son indispensables diminutas cantidades de manganeso, cobre, cobalto, yado, selenio, níquel, molibdeno y cine. Casi todos estos elementos vestigiales (u oligoelementos) son necesa- tias para la actividad de ciertas enzimas. El yodo es un componente de la hor- mona tiroidea ACIDOS NUCLEICOS 2-3. Existen dos clases de ácidos nucleicos, el ADN y el ARN Los ácidos nucleicos son macromoléculas de enorme importancia biológi- ca. Todos los seres vivos contienen dos tipos de ácidos nucíeicos. Ilamados ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). Los virus conticnen un solo tipo de ácido nucleico, ADN o ARN. BLADN constituye el depósito de la información genética. Esta informa- «ión es copiada o transcripta en moléculas de ARN mensajero, cuyas se- euencias de nueleótidos contienen el código que estableve la secuencia de los aminoácidos en las proteinas. Es por eflo que Ja sinfesis proteica sc conoce también como tradueción del ARN, À esta serie de fenómenos se le asigna cl carácter de dogma central de la biologia molecular, que puede expresarse de ta siguiente manera: transcripeión traducción ADN >>>» ARN ——————» PROTEINA El papel biológico de los ácidos nucleicos se estudiará detalladamente em tos capítulos 12 a 17: aquí se considerará sólo su estructura química, lo que permitirá comprender sus funciones. En las células superiores el ADN se halla en el núcleo integrando los cro- imosomas (una pequefia cantidad se encuentra en el citoplasma. dentro de las mitocondrias y los cloroplastos). El ARN se localiza tanto en el núcleo (don- de se forma) como en el ciloplasma, hacia el cual se dirige para regir la sén- tesis proteica (fabla 2-1). Los ácidos nucleicos contienen hidratos de carbono (pentosas), bases ni- trogenadas (purinas y pirimidinas) y ácido fosfórico. La hidrólisis del ADN. o del ARN genera: ADN ARN PentosA desoxirribosa ribosa bia eim adenina, gua adenina, guanina Pirimtinas citosina, citosina, uracilo Aeino postíuco PO, PÓS, 24 m FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR. 5 La molécula de ácido nucleico es un polímero cuyos H Fsgo Fig. 2-2, Sector de una cade- na de ácido nucleico que muestra los distintos tipos de aucleótidos que [a componen. DESOXIRRIBOSA =H monómeros son nucleótidos sucesivamente ligados me- diante uniones fosfodiéster (fig. 2-2). En estas uniones los fosfatos tigan et carbono 3º de la pentosa de un nu- clegtido con el carbono 5º de la pentosa del nucleórido si- guiente, En consecuencia, el eje del ácido nucieico está constituido por las pentosas y los fosfatos, y las bases ni- tagenadas surgen de tas pentosas. Bl extremo de la mo- lécula que contiene la pentosa con el CS libre se lama extremo 5º, y e] que posee la pentasa con e! C3' libre, ex- tremo 3º Como ilustra la figura 2-2, e) ácido fosfórico utiliza dos de sus tres grapos ácidos en las uniones 3º,5-digster El grupo restante confiere al ácido nucleico sus propieda- des ácidas, lo que posibílita la formación de uniones ióni- cas con proteínas básicas (en el capítulo 1-14 se serialó que en las células eucariotas e) ADN está asociado con proteínas básicas llamadas bistonas, con las que forma el complejo nucleoproteico denominado cromatina). Ade- más, dicho grupo ácido libre hace que los ácidos nuctei cos sean basófilos (se colorean con colorantes básicos). Las pentosas son de dos tipos: desoxirribosa en cl ADN y ribosa en el ARN, La diferencia entre estos azú- cares es que la desoxirribosa ticne um átomo de oxígeno menos (fig. 2-2). Para visualizar et ADN con el microsco- pio óptico se puede utilizar una reacción citoquímica es. pecífica denominada teacción de Feulgen (cap. 23-21). Las bases nitrogenadas gue sc encuentran en los dos nucleicos son también de dos tipos: pirimidinas y pu- rinas. Las pirímidinas poscen un anillo heterocíclico, URACILO mientras que las purinas tiencn dos anitlos fusionados MH entre sí. En el ADN, las pirimidinas son la timina (T) y la citosina (C), y las purinas. Ia adenina (A) y la guani- na (G) (fig. 2-5). ELARN contiene uraeilo (U) en lugar de timina. Existen tres diferencias fundamentales entre e) ADENINA CITOSINA TIMINA %=CH; pe ADN y el ARN. Como acaba de seiialarse, el ADN tiene desoxirribosa y timina (T) y el ARN posce ribosa y ura- cilo (U). Otra diferencia es gue la molécula de ADN es siempre doble (contiene dos cadenas polinucleotídicas), como se verá en la próxima sección. La combinación de una base com una pentosa (sin el fosfato) constitaye un nucleósido. Por ejemplo, fa adenosina (adenina + ribosa) es un nuclcósido, mientras que la adenosina monofosfato (AMP), Ja adenosina difosfato (ADP) y la adenosina trifosfato (ATP) son ejemplos de nucleótidos (fig. 2-2) Ademês de actuar como bloques para la construcción de los ácidos nuclei- cos, los nueleótidos —por ejemplo, el recién citado ATP— son utilizados pa- ra depositar y transferir energfa química. La figura 2-3 muestra que las dos uniones fosfato terminales del ATP contienen gran cantidad de energía. Cuan- do se produce la hidrólisis de estas uniones, fa energia liberada puede ser us da por la célula para realizar sus actividades (fig. 8-1). La unión — P de alta energia permite que la célula acumale gran cantidad de ducido y que la mantenga lista para usaria en el momento en que ex necesaria en un esp; ve 2. LOS COMPONENTES QUIMICOS DE Ls CELULA m 25 Tabla 2-1. Acidos nueleicos Acido desoxirribomueleico Acido ribonueleico Localización Principalmente en el núcleo — Principalmente en el citoplasma (también en las milocon- (también en el núcleo, las mito- árias y los cloroplastos) condrias 3 [os oloroplastos) Papeten lacélula Información genética Síntesis de proteinas Pentosa Desoximibosa Ribosa Bases pirimidínicas — Citosina Citosina Tíminta. Uracito Adenina Adenina Guanina Guanina Otros mucleótidos, como fa citidina trifosfato (CFP). Ja uridina trifosfato (UTP), la guanosina trifosfato (GTP) y ta timosina trifostato (TTP), tienen también uniones de alta energía. pero Ia fuente principat de energía de la cé- luta es cf ATP. ELADN se encuentra en los organismos vivos bajo la forma de moléculas de muy alto peso molecular. Por ejemplo. la Escherichia coli tiene una mo- lécula de ADN circular de 3.400.000 pares de bases con una longitud de 1,4 mm. La cantidad de ADN en los organismos superiores puede ser varios cien- tos de veces mayor. 1.200 veces en el caso del hombre. Así, eL ADN comple- famente extendido de una célula diploide humana tiene una longitud total de alrededor de 1,70 m. Toda la información genética de un organismo vivo se encuentra acumu- Jada en la secuencia lineal de las cuatro bases de sus ácidos nucleicos. La es- tructura primaria de todas Ja proteínas (es decir, Ia cantidad y la secuencia de sus aminoácidos) es codificada por un alfabeto de cuatro letras (A, T, G, C). Uno de los descubrimientos más extraordinarios de la biologfa mojecular fue cl hallazgo y Ia interpretación de este código genético (cap. 13-4) Un paso previo a ese descubrimiento —que tuvo una gran influencia en la dilucidación de la estructara del ADN— fue conocer que en cada mojécuta de ADN la cantidad de adenina es igual à la de timina (A = T) y la de citosi- na igual a la de guanina (C = G). En consecuencia, el número de purinas es idêntico al de piximidinas (A + G = C + T). Como es lógico. la relación ATIGC varia entre las especies (por ejemplo, en el hombre la relación es de 1,52 y en Ja Escherichia coli es de 0,93). 2-4. ELADN es una doble héfice En 1953, basándose en los datos obtenidos por Wilkins y Frankkin me- diante difracción de rayos X, Watson y Crick propusieron un modelo para la NHo NHo RR Jo Nie sy oo dA FMOMORNO) pedi o HO OH HO OH Aueloónido, Muoloótido Fig. 2:3. Estructura química del nuclcósido adenosina y del nucleótido adenosina tri fosfato (ATP),