biología célular y molecular gerald karp 5ed

1. Roman Esteli Chavez Cel: 993393325

2. Acerca del autor Gerald C. Karp recibi el ttulo de licenciado en UCLA y el grado de Ph.D.de la Washington University.Realiz investigacin posdoctoral en el Colorado Medical Uni- versity Center antes de unirse al cuerpo docente de la Florida University. Es autor de numerosos artculos cientcos sobre la clula y la biologa molecular del desarrollo incipiente. Entre los temas que le interesan estn la sntesis del RNA en las primeras fases embrionarias, el movimiento de las clulas del mesnqui- ma durante la gastrulacin, y la determinacin celular en mohos deslizantes. Durante 13 aos imparti cursos de biologa celular, molecular y del desarrollo en la Florida University. En este periodo escribi un libro sobre biologa del desarrollo con N. John Berrill, y otro sobre biologa celular y molecular. Dado que le result imposible ser profesor de tiempo completo y autor simultneamente, renunci a su ctedra para concentrarse en escribir. Espera revisar este libro cada tres aos. Para Patsy y Jenny 3. Gerald Karp | Quinta edicin MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SAO PAULO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SIDNEY SINGAPUR ST. LOUIS TORONTO Traduccin: Juan Roberto Palacios Martnez Roman Esteli Chavez Cel: 993393325 4. Director editorial: Javier de Len Fraga Editor sponsor: Camilo Heras Correccin de estilo: Armando Ruiz Caldern Supervisora de edicin: Norma Garca Carbajal Diseo de portada: Eleazar Maldonado Composicin y formacin: Arturo Rocha Hernndez Supervisora de produccin: ngela Salas Caada BIOLOGA CELULAR Y MOLECULAR Conceptos y experimentos Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorizacin escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 2009, 2005, 1998 respecto a la tercera edicin en espaol por, McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C.V. A subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Col. Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C. P. 01376, Mxico, D.F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. No. 736 ISBN 13: 978-970-10-6925-7 ISBN edicin anterior: 970-10-5376-1 Translated from the fifth English edition of: Cell and Molecular Biology. Concepts and Experiments Copyright 2008 John Wiley & Sons, Inc. All Rights Reserved ISBN 13: 978-0-470-04217-5 ISBN 10: 0-470-04217-6 1234567890 08765432109 Impreso en Mxico Printed in Mexico NOTA La medicina es una ciencia en constante desarrollo. Conforme surjan nuevos conocimientos, se requerirn cambios de la teraputica. El (los) autor(es) y los editores se han esforzado para que los cuadros de dosificacin medicamentosa sean precisos y acordes con lo establecido en la fecha de publicacin. Sin embargo, ante los posibles errores humanos y cambios en la medicina, ni los editores ni cualquier otra persona que haya participado en la preparacin de la obra garan- tizan que la informacin contenida en ella sea precisa o completa, tampoco son responsables de errores u omisiones, ni de los resultados que con dicha informacin se obtengan. Convendra recurrir a otras fuentes de datos, por ejemplo, y de manera particular, habr que consultar la hoja informativa que se adjunta con cada medicamento, para tener certeza de que la informacin de esta obra es precisa y no se han introducido cambios en la dosis recomendada o en las contrain- dicaciones para su administracin. Esto es de particular importancia con respecto a frmacos nuevos o de uso no frecuente. Tambin deber consultarse a los laboratorios para recabar informacin sobre los valores normales. 5. Prefacio a la quinta edicin Antes de comenzar a trabajar en la primera edicin de este texto, elabor varios lineamientos bsicos para el tipo de libro que planeaba escribir. Deseaba un texto adecuado para un curso introductorio de biologa celular y molecular que pudiera cubrirse en un semestre o uno o dos trimestres. Resolv elaborar un texto de unas 800 pginas que no abrumara o desalentara a los estudiantes de este nivel. Deseaba un libro basado en conceptos fundamentales, como la relacin entre estructura y funcin moleculares, el carcter dinmico de los organelos celulares, el uso de energa qumica para llevar a cabo las actividades celulares y asegurar la biosntesis macromolecular precisa, la unidad y diversidad a los niveles macromolecular y celular, y los mecanismos que regulan las actividades celulares. Pretenda un volumen que se basara en la conducta experimental.La biologa celular y molecular es una ciencia experimental y, al igual que la mayora de los instructores, pens que los estudiantes deban adquirir cierta informacin sobre la manera en que obtenemos el conocimiento. Con esta idea en mente, decid abordar la naturaleza experimental de este tema en dos formas. A medida que escrib cada captulo, inclu sucientes pruebas experimentales para justicar muchas de las conclusiones que se han inferido. En el transcurso de la elaboracin del texto describ las caractersticas sobresalientes de las tcnicas experimentales y las metodologas de investigacin fundamentales.Por ejemplo,los captulos 8 y 9 incluyen secciones de introduccin sobre tcnicas que han resultado muy importantes en el anlisis de las cito- membranas y el citoesqueleto, respectivamente. Inclu en el cuerpo de los captulos comentarios breves sobre experimentos seleccionados de gran importancia para reforzar la base experimental de nuestros conocimientos.Coment los aspectos ms detallados de las metodologas en el captulo nal porque: a) no deseaba interrumpir el ujo del comentario de un tema con una seccin tangencial extensa sobre tecnologa y b) me di cuenta que los diferentes instructores preeren comentar una tecnologa particular en relacin con diferentes temas. Para los estudiantes e instructores que desearan conocer la metodologa experimental con mayor profundidad, inclu la seccin Vas experimentales al nal de cada captulo.Cada uno de estos recuadros describe algunos de los hallazgos experimentales clave que condujeron a la comprensin actual de un tema particular cuya importancia es relevante para el captulo en cuestin. Debido a que su objetivo es limitado, puede considerarse con cierto detalle el diseo de los experimentos. Las guras y los cuadros que se proporcionan en estas secciones son con frecuencia los que se publicaron en el artculo de investigacin original, lo cual brinda al lector la oportunidad de examinar los datos originales y reconocer que su anlisis no va ms all de su signicado. Las Vas experimentales ilustran asimismo la naturaleza gradual del descubrimiento cientco y muestran cmo el resultado de un estudio genera preguntas que proporcionan la base para estudios subsecuentes. Deseaba un texto interesante y uido. Con el n de que el libro fuera ms relevante para los estudiantes que todava no concluyen sus cursos, en particular para los mdicos an sin graduarse, inclu Perspectiva humana. Estas secciones muestran que, casi sin excepcin, todos los trastornos humanos pueden seguirse hasta la alteracin de las actividades celulares y moleculares. Ms an, evidencian la relevancia de la investigacin bsica como la va para comprender y, nal- mente, tratar la mayora de los trastornos. Por ejemplo, en el captulo 11, Perspectiva humana describe cmo los siRNA pequeos y sintticos pueden ser una herramienta nueva y valiosa en la teraputica del cncer y enfermedades virales, incluido el sida. En el mismo captulo, el lector conocer cmo se descubri la accin de estos RNA en estudios de nematodos. Resulta obvio que nunca es posible predecir la importancia prctica de la investigacin bsica en biologa celular y molecular. Asimismo, durante todo el texto intent incluir informacin relevante sobre biologa humana y aplicaciones clnicas. Deseaba un programa de ilustraciones de alta calidad que llevara a los estudiantes a visualizar procesos celulares y moleculares complejos. Para satisfacer este objetivo, muchas de las guras se escalonaron de tal manera que la informacin pudiera descomponerse con mayor facilidad en partes manejables. En las guras o el texto correspondiente se describen los acontecimientos que ocurren en cada paso. Asi- mismo,busqu incluir un gran nmero de micrografas de tal modo que los estudiantes pudieran ver las representaciones actuales de la mayor parte de los temas que se discuten.Entre las ilustraciones se incluyen muchas micrografas de uorescencia para mostrar las propiedades dinmicas de las clulas o proporcionar un medio para localizar una protena o una secuencia de cido nucleico especca.Siempre que fue posible, intent relacionar los dibujos de lnea con las micrografas para ayudar a los estudiantes a comparar versiones esquematizadas y reales de una estructura. Los cambios ms importantes en la quinta edicin pueden delinearse como sigue: El cmulo de informacin sobre biologa celular y molecular cambia de manera constante, lo que representa buena parte del entusiasmo que sentimos por nuestro campo de estudio. Aunque slo han transcurrido algunos aos desde la publicacin de la cuarta edicin, se han modicado en mayor o menor grado casi todos los comentarios en el texto. Esto se llev a cabo sin incrementar el volumen de los captulos. Se revis cada ilustracin de la cuarta edicin, y varias de las que se utilizaron de nueva cuenta en la quinta edicin se modicaron en cierto grado. Muchos de los dibujos de la cuarta edicin se suprimieron a n de disponer de ms espacio para otros nuevos. Los instructores han mostrado una v 6. aprobacin particular por las guras que yuxtaponen el dibu- jo de lnea y las micrografas y en la quinta edicin se ampli el uso de este estilo de ilustracin. En conjunto, la quinta edicin contiene ms de 60 micrografas e imgenes genera- das por computadora nuevas, todas proporcionadas por la fuente original. En primer lugar me gustara agradecer a Peter van der Geer del Department of Chemistry and Biochemistry de la California University en San Diego y a Helen Kreuzer Martin del Pacic Northwest National Laboratory. Peter fue el principal responsable de revisar el captulo 15 en la cuarta y la quinta ediciones. Helen se encarg de reorganizar y actualizar las secciones 12 a 18 del captulo 18. Hay muchas personas en John Wiley & Sons que hicieron aportaciones valiosas a este libro. Agradezco especialmente a Geraldine Osnato, notable editora del proyecto. Siempre que necesit consejo, sent la urgencia de gritar y quejarme airada y largamente o tuve la ocasin de pedir ayuda a Wiley, recurr a ella. Gracias, Geraldine, por tu sabio consejo y aliento. Gracias tambin por dirigir el desarrollo de los diversos suplementos que ahora se ofrecen con este libro.Los suplementos impresos escri- tos por Nancy Pruitt y Joel Piperberg, antes descritos, siempre han sido excelentes recursos para estudiantes e instructores y, bajo la direccin de Geraldine,los suplementos en Internet tambin se han convertido en un recurso invaluable. De manera especial,estoy en deuda con el personal de produccin de Wiley, que son lo mejor. Barbara Russiello, editora de produccin, ha sido el sistema nervioso central de las tres ltimas ediciones. Barbara es responsable de coordinar la informacin que llega de capturistas, correctores, lectores de pruebas, ilustradores, editores grcos, diseadores y diagramadores, as como la oleada constante de cambios de texto ordenados por el autor. Siempre serena,organizada y meticulosa,se asegur de que todo se hicie- ra correctamente. Hilary Newman y Anna Melhorn se encarga- ron de los programas de fotografas y dibujos de lnea, respectivamente. He tenido una gran fortuna al poder trabajar con Hilary en las cinco ediciones de esta obra. Hilary es hbil y perseverante, y tengo toda la conanza en su capacidad para obtener cualquier imagen que se le solicite. Tambin tuve un gran placer en trabajar con Anna por tercera ocasin. El libro tiene un programa de ilustraciones complejo y Anna llev a cabo una soberbia labor en la coordinacin de las muchas facetas necesarias para guiarlo hasta su terminacin. El elegante diseo del libro se debe a los esfuerzos de Madelyn Lesure,cuyos talen- tos son evidentes. Tambin me gustara agradecer a los artistas de Imagineering por crear todas las nuevas ilustraciones, y a Heidi Bertignoll por su importante cometido de coordinar el programa de arte. Gracias asimismo a los profesores David Asai y Ken Robinson de la Purdue University por formular varias interesantes preguntas analticas de los captulos 2 a 5.Gracias a Stephen Reiss,quien manej la mayor parte de las comunicacio- nes editoriales y en forma generosa me ayud de muchas maneras durante el transcurso del proyecto. Gracias a Patrick Fitzgerald, quien fue el editor de biologa al principio de esta revisin,y a Kevin Witt,quien le sucedi.Ambos dieron un gran apoyo a este proyecto. Un agradecimiento especial a Laura Ierardi y Gloria Hamilton, tan destacadas en sus profesiones. Laura distribuy hbilmente las pginas de cada captulo, y Gloria hizo un ndice indentado. Estoy agradecido, en especial con Gloria por destinar tanto tiempo y esfuerzo adicionales para mejorar de manera notable la calidad del manuscrito. Estoy agradecido de modo especial con los bilogos que suministraron las micrografas utilizadas en este libro; ms que cualquier otro elemento, estas imgenes dan vida al estudio de la biologa celular en la pgina impresa. Por ltimo, deseo disculparme, por adelantado, por cualquier error del libro, y expreso mi sincero pesar. Agradezco la crtica constructiva y el consejo sano de los siguientes revisores: AGRADECIMIENTOS Revisores de la quinta edicin: Karl Aufderheide Texas A&M University Ashok Bidwai West Virginia University Dennis O. Clegg University of CaliforniaSanta Barbara Ronald H. Cooper University of CaliforniaLos Angeles Susan DeSimone Middlebury College David Doe Westeld State College Arri Eisen Emory University Reginald Halaby Montclair State University Rebecca Heald University of CaliforniaBerkeley Marie Janicke University at BualoSUNY Jeannette M. Loutsch Arkansas State University Margaret Lynch Tufts University Charles Mallery University of Miami Alan Nighorn University of Arizona James Patton Vanderbilt University Debra Pires University of CaliforniaLos Angeles Donna Ritch University of WisconsinGreen Bay Harriett E. Smith-Somerville University of Alabama vi AGRADECIMIENTOS 7. Adriana Stoica Georgetown University Colleen Talbot California State Univerity, San Bernardino Paul Twigg University of NebraskaKearney Jose Vazquez New York University Gary M. Wessel Brown University Eric V. Wong University of Louisville Tambin debo seguir agradeciendo a los siguientes revisores de las dos ediciones previas: Linda Amos MRC Laboratory of Molecular Biology Gerald T. Babcock Michigan State University William E. Balch The Scripps Research Institute James Barber Imperial College of Science Wolfson Laboratories John D. Bell Brigham Young University Wendy A. Bickmore Medical Research Council, United Kingdom Daniel Branton Harvard University Thomas R. Breen Southern Illinois University Sharon K. Bullock Virginia Commonwealth University Roderick A. Capaldi University of Oregon Gordon G. Carmichael University of Connecticut Health Center Ratna Chakrabarti University of Central Florida K. H. Andy Choo Royal Childrens Hospitals The Murdoch Institute Orna Cohen-fix National Institute of Health, Laboratory of Molecular and Cellular Biology Philippa D. Darbre University of Reading Roger W. Davenport University of Maryland Barry J. Dickson Research Institute of Molecular Pathology Jennifer A. Doudna Yale University Michael Edidin Johns Hopkins University Evan E. Eichler University of Washington Robert Fillingame University of Wisconsin Medical School Jacek Gaertig University of Georgia Robert Helling University of Michigan Arthur Horwich Yale University School of Medicine Joel A. Huberman Roswell Park Cancer Institute Gregory D. D. Hurst University College London Ken Jacobson University of North Carolina Haig H. Kazazian, Jr. University of Pennsylvania Laura R. Keller Florida State University Nemat O. Keyhani University of Florida Nancy Kleckner Harvard University Werner Khlbrandt Max-Planck-Institut fr Biophysik James Lake University of CaliforniaLos Angeles Robert C. Liddington Burnham Institute Vishwanath R. Lingappa University of CaliforniaSan Francisco Ardythe A. McCracken University of NevadaReno Thomas McKnight Texas A&M University Michelle Moritz University of CaliforniaSan Francisco Andrew Newman Cambridge University Jonathan Nugent University of London Mike ODonnell Rockefeller University Hugh R. B. Pelham MRC Laboratory of Molecular Biology Jonathan Pines Wellcome/CRC Institute Joel L. Rosenbaum Yale University Wolfram Saenger Freie Universitat Berlin Randy Schekman University of CaliforniaBerkeley Sandra Schmid The Scripps Research Institute Trina Schroer Johns Hopkins University David Schultz University of Louisville Jennifer W. Schuler Wake Forest University Rod Scott Wheaton College Katie Shannon University of North CarolinaChapel Hill Joel B. Sheffield Temple University Dennis Shevlin College of New Jersey Bruce Stillman Cold Springs Harbor Laboratory Giselle Thibaudeau Mississippi State University Jeffrey L.Travis University at AlbanySUNY Nigel Unwin MRC Laboratory of Molecular Biology Ajit Varki University of CaliforniaSan Diego Chris Watters Middlebury College Andrew Webber Arizona State University Beverly Wendland Johns Hopkins University Gary Yellen Harvard Medical School Masasuke Yoshida Tokyo Institute of Technology Robert A. Zimmerman University of Massachusetts AGRADE CIMIE NTOS vii 8. ix Para el estudiante En la poca en que inici la licenciatura,la biologa gura- ba en una lista de posibles materias relevantes. Me ins- crib en un curso de antropologa fsica para satisfacer el requerimiento acadmico por el camino ms fcil posible. Durante ese curso conoc por primera vez los cromosomas, la mitosis y la recombinacin gentica y qued fascinado por las intrincadas actividades que podan llevarse a cabo en el contorno tan pequeo del espacio celular. El semestre siguiente curs una introduccin a la biologa y comenc a considerar con seriedad convertirme en un bilogo celular. Lo estoy abrumando con estas trivialidades personales a n de que comprenda por qu escrib este libro y advertirle sobre las posibles repercusiones. Aunque han transcurrido muchos aos, todava encuentro la biologa celular como el tema ms fascinante de explorar y an paso el da leyendo sobre los ltimos hallazgos realizados por colegas de la especialidad. Por estas razones, escribir un texto sobre biologa celular representa para m una razn y una oportunidad para mantenerme al tanto de lo que sucede en todo el campo. Mi objetivo principal al escribir este texto es ayudar a crear en los estudiantes una apreciacin de las actividades en las que intervienen las molculas gigantes y las estructuras mins- culas que habitan el mundo celular de la vida. Otro objetivo es proporcionar al lector una informacin sobre los tipos de preguntas que formulan los bilogos celulares y moleculares y las conductas experimentales que utilizan para hallar respuestas. A medida que lea el texto, piense como investigador, considere la prueba que se presenta, imagine explicaciones alternativas, pla- nee experimentos que conduzcan a nuevas hiptesis. Podra comenzar con una de las diversas micrografas electrnicas que llenan las pginas de este texto. Para tomar esta fotografa,imagnese sentado en una habitacin pequea,oscura como la boca de un lobo,enfrente de un gran instrumento met- licocuyacolumnaseelevavariosmetrossobresucabeza.Observa a travs de binoculares en una pantalla verde brillante y vvida. Las partes de la clula que examina aparecen oscuras e incoloras contra el fondo verde brillante. Son oscuras porque se tieron con tomos de metales pesados que desvan una fraccin de los electrones dentro de un haz que se enfoca en la pantalla de observacin mediante grandes lentes electromagnticas en la pared de la columna. Los electrones que chocan con la pantalla se aceleran a travs del espacio evacuado de la columna por una fuerza de decenas de miles de voltios. Una de sus manos puede tomar quiz la perilla que controla la potencia de amplicacin de las lentes. Un giro simple de esta perilla puede cambiar la imagen, de un campo completo de clulas a una parte muy pequea de ellas,como los ribosomas o una porcin diminuta de una membrana aislada. Al girar otras perillas pueden observarse diferentes reas del espcimen al pasar por la pantalla, lo que proporciona la sensacin de conducir dentro de una clula. Una vez que se encuentra una estructura de inters, puede girarse la manivela que aparta la pantalla fuera de la vista, lo que hace posible que el haz de electrones golpee una pieza de la placa y produzca una imagen fotogrca del espcimen. Debido a que el estudio de la funcin celular requiere el empleo de una instrumentacin compleja, como el microscopio electrnico antes descrito, el investigador se aparta fsicamente del tema que estudia.En ms de un sentido,las clulas son como pequeas cajas negras. Hemos desarrollado muchas formas para investigar las cajas, pero siempre andamos a tientas en un rea que no es posible iluminar del todo.Se realiza un descubrimiento o se desarrolla una nueva tcnica y penetra un nuevo haz de luz pequeo en la caja. Con un trabajo ms profundo, se ampla la comprensin de la estructura o el proceso, pero siempre quedan preguntas adicionales. Se crean construcciones ms completas y complejas, pero nunca podemos estar seguros de cunto se aproximan las imgenes a la realidad. A este respecto, el estudio de la biologa celular y molecular puede compararse con el estudio del elefante que llevan a cabo seis hombres ciegos en una antigua fbula india.Los seis viajan hacia un palacio cercano para conocer la naturaleza de los elefantes.Cuando llegan,cada uno se acerca al elefante y comienza a tocarlo.El primer hombre toca un costado del animal y concluye que un elefante es tan liso como una pared.El segundo toca el tronco y deduce que un elefante es cilndrico como una serpiente. Los dems tocan el colmillo, la pierna, la oreja y la cola y cada uno se forma una impresin del animal a partir de sus experiencias personales limitadas.Los bilogos celulares estn limitados en una forma similar cuando apli- can una tcnica o un mtodo experimental particulares, aunque cada nueva pieza de informacin se aade a un cuerpo de conocimientos preexistentes para delinear un concepto mejor de la actividad bajo estudio, el cuadro total no deja de ser incierto. Antes de concluir estos comentarios introductorios, perm- tame tomarme la libertad de ofrecer al lector cierto consejo: no acepte como cierto todo lo que lea. Existen varias razones para recomendar tal escepticismo. Sin duda alguna, hay errores en el texto que reejan la ignorancia e interpretacin errnea del autor sobre ciertos aspectos de la bibliografa cientca. Pero todava ms importante es considerar la naturaleza de la investigacin biolgica. La biologa es una ciencia emprica; nada se ha com- probado alguna vez. Reunimos datos sobre un organelo particular de la clula, una reaccin metablica, el movimiento intracelular, etc., y hacemos cierto tipo de conclusiones. Algunas de ellas se apoyan en una prueba ms slida que otra. Incluso si existe un consenso sobre los hechos en cuanto a un fenmeno particular,con frecuencia se perlan varias interpretaciones de los datos.Se plantean hiptesis y casi siempre estimulan una investigacin ms amplia,lo que lleva a una revaloracin de la propuesta original. Casi todas las hiptesis que mantienen su validez se someten a cierta evolucin y, cuando se presentan en el texto, no deben considerarse absolutamente correctas o incorrectas. La biologa celular es un campo que se mueve con rapidez y algunas de las mejores hiptesis suscitan en ocasiones una gran controversia. Aunque es un texto en el que se espera encontrar material bien estudiado,hay muchas partes en las que se presentan ideas nuevas, que a menudo se describen como modelos. Se han incluido estos modelos porque transmiten el pensamiento actual en el campo, incluso si se trata de modelos hipotticos. Ms an, refuerzan la idea de que los bilogos celulares operan en la frontera de la ciencia, un rea entre lo desconocido y lo conocido (o que se cree conocido). Permanezca escptico. 9. x Sinopsis del contenido 1. Introduccin al estudio de la biologa celular y molecular 1 2. Las bases qumicas de la vida 31 3. Bioenergtica, enzimas y metabolismo 85 4. La estructura y funcin de la membrana plasmtica 120 5. La respiracin aerbica y la mitocondria 179 6. La fotosntesis y el cloroplasto 214 7. Interacciones entre las clulas y su ambiente 239 8. Sistemas de membrana citoplsmica: estructura, funcin y trnsito en la membrana 274 9. El citoesqueleto y la motilidad celular 328 10. Naturaleza del gen y el genoma 388 11. Expresin del material gentico: de la transcripcin a la traduccin 429 12. El ncleo celular y el control de la expresin gnica 485 13. Replicacin y reparacin del DNA 542 14. Reproduccin celular 570 15. Sealizacin celular y transduccin de seales: comunicacin entre las clulas 616 16. Cncer 662 17. La reaccin inmunitaria 693 18. Tcnicas en biologa celular y molecular 727 Apndice A-1 Glosario G-1 ndice alfabtico I-1 10. 1. Introduccin al estudio de la biologa celular y molecular 1 1.1 El descubrimiento de las clulas 2 1.2 Propiedades bsicas de las clulas 3 Las clulas son muy complejas y organizadas 3 Las clulas poseen un programa gentico y los medios para usarlo 5 Las clulas son capaces de reproducirse 5 Las clulas obtienen y utilizan energa 5 Las clulas llevan a cabo diferentes reacciones qumicas 6 Las clulas se ocupan de numerosas actividades mecnicas 6 Las clulas son capaces de reaccionar a estmulos 6 Las clulas son capaces de autorregularse 6 Las clulas evolucionan 7 1.3 Dos clases de clulas fundamentalmente diferentes 7 Caractersticas que diferencian a las clulas procariotas de las eucariotas 9 Tipos de clulas procariotas 13 Tipos de clulas eucariotas: especializacin celular 15 PERSPECTIVA HUMANA: La posibilidad de una terapia de remplazo celular 18 El tamao de las clulas y sus componentes 20 1.4 Virus 21 Viroides 24 VAS EXPERIMENTALES: Origen de las clulas eucariotas 25 2. Las bases qumicas de la vida 31 2.1 Enlaces covalentes 32 Molculas polares y no polares 33 Ionizacin 33 2.2 Enlaces no covalentes 33 PERSPECTIVA HUMANA: Radicales libres como causa de envejecimiento 34 Enlaces inicos: atraccin entre tomos cargados 35 Puentes de hidrgeno 35 Interacciones hidrfobas y fuerzas de van der Waals 35 Las propiedades del agua mantienen la vida 37 2.3 cidos, bases y amortiguadores 38 2.4 La naturaleza de las molculas biolgicas 40 Grupos funcionales 40 Clasicacin de las molculas biolgicas de acuerdo con su funcin 41 2.5 Cuatro tipos de molculas biolgicas 42 Carbohidratos 42 Lpidos 47 Protenas 49 PERSPECTIVA HUMANA: El plegamiento de las protenas puede tener consecuencias fatales 65 cidos nucleicos 75 2.6 La formacin de estructuras macromoleculares complejas 77 Ensamblado de partculas del virus del mosaico del tabaco y sus subunidades ribosmicas 77 VAS EXPERIMENTALES: Chaperonas: protenas colaboradoras que permiten un apropiado estado de plegamiento 78 3. Bioenergtica, enzimas y metabolismo 85 3.1 Bioenergtica 86 Las leyes de la termodinmica y el concepto de entropa 86 Energa libre 88 3.2 Enzimas como catalizadores biolgicos 94 Las propiedades de las enzimas 94 Superacin de la barrera de la energa de activacin 95 El sitio activo 96 Mecanismos de catlisis enzimtica 99 Cintica enzimtica 101 PERSPECTIVA HUMANA: El problema creciente de la resistencia a los antibiticos 105 3.3 Metabolismo 107 Una revisin del metabolismo 107 Oxidacin y reduccin: una cuestin de electrones 108 La captura y utilizacin de energa 108 Regulacin metablica 114 xi Contenido 11. xii CONTENIDO 4. La estructura y funcin de la membrana plasmtica 120 4.1 Una revisin de las funciones de la membrana 121 4.2 Una breve historia de los estudios sobre la estructura de la membrana plasmtica 123 4.3 La composicin qumica de las membranas 125 Lpidos de membrana 125 Carbohidratos de la membrana 129 4.4 La estructura y funciones de las protenas de la membrana 130 Protenas integrales de membrana 130 Estudio de la estructura y propiedades de las protenas integrales de la membrana 132 Protenas perifricas de membrana 136 Protenas de membrana jadas a lpidos 136 4.5 Lpidos de membrana y fluidez de la membrana 136 La importancia de la uidez de la membrana 137 Mantenimiento de la uidez de la membrana 138 La asimetra de los lpidos de membrana 138 Balsas lipdicas 138 4.6 La naturaleza dinmica de la membrana plasmtica 139 La difusin de las protenas de membrana despus de la fusin celular 140 Restricciones de la movilidad de las protenas y lpidos 141 El eritrocito: un ejemplo de estructura de la membrana plasmtica 144 4.7 El movimiento de sustancias a travs de las membranas celulares 147 La energtica del movimiento de solutos 147 Difusin de sustancias a travs de las membranas 148 Difusin facilitada 156 Transporte activo 157 PERSPECTIVA HUMANA: Defectos en los canales y transportadores inicos como causa de la enfermedad hereditaria 160 4.8 Potenciales de membrana e impulsos nerviosos 163 El potencial de reposo 164 El potencial de accin 165 Propagacin de los potenciales de accin como un impulso 166 Neurotransmisin: salto de la hendidura sinptica 168 VAS EXPERIMENTALES: El receptor de acetilcolina 171 5. La respiracin aerbica y la mitocondria 179 5.1 Estructura y funcin de la mitocondria 180 Membranas mitocondriales 182 La matriz mitocondrial 182 5.2 Metabolismo oxidativo en la mitocondria 183 El ciclo del cido tricarboxlico (ATC) 185 La importancia de las coenzimas reducidas en la formacin de ATP 187 PERSPECTIVA HUMANA: La funcin de los metabolismos anaerbico y aerbico en el ejercicio 188 5.3 La funcin de la mitocondria en la formacin de ATP 188 Potenciales de oxidacin-reduccin 189 Transporte de electrones 191 Tipos de portadores de electrones 191 5.4 Translocacin de protones y establecimiento de una fuerza motriz para protones 198 5.5 Los mecanismos para la formacin de ATP 199 La estructura de la sintetasa de ATP 200 La base de la formacin de ATP de acuerdo con el mecanismo de cambio de unin 202 Otras funciones para la fuerza motriz de protones adems de la sntesis de ATP 206 5.6 Peroxisomas 207 PERSPECTIVA HUMANA: Enfermedades consecutivas a la funcin anormal de mitocondrias o peroxisomas 208 6. La fotosntesis y el cloroplasto 214 6.1 Estructura y funcin del cloroplasto 216 6.2 Una revisin del metabolismo fotosinttico 217 6.3 La absorcin de luz 219 Pigmentos fotosintticos 219 6.4 Unidades fotosintticas y centros de reaccin 221 Formacin de oxgeno: coordinacin de la actividad de dos sistemas fotosintticos diferentes 222 Destruccin de hierbas mediante inhibicin del transporte de electrones 228 6.5 Fotofosforilacin 228 Fotofosforilacin no cclica o cclica 229 6.6 Fijacin del dixido de carbono y la sntesis de carbohidratos 229 Sntesis de carbohidrato en las plantas C3 230 Sntesis de carbohidratos en las plantas C4 234 Sntesis de carbohidratos en las plantas CAM 236 12. CONTE NIDO xiii 7. Interacciones entre las clulas y su ambiente 239 7.1 El espacio extracelular 240 La matriz extracelular 240 7.2 Interacciones de las clulas con los materiales extracelulares 248 Integrinas 248 Adhesiones focales y hemidesmosomas: jacin de las clulas a su sustrato 252 7.3 Interacciones de las clulas entre s 254 Selectinas 255 Inmunoglobulinas 256 Caderinas 257 PERSPECTIVA HUMANA: El papel de la adhesin celular en la inflamacin y la metstasis 259 Uniones adherentes y desmosomas: jacin de unas clulas con otras 260 El papel de los receptores de adhesin celular en la sealizacin transmembranosa 262 7.4 Zonas de oclusin: sellado del espacio extracelular 264 7.5 Uniones comunicantes y plasmodesmas: mediacin de la comunicacin intercelular 266 Plasmodesmas 268 7.6 Paredes celulares 268 8. Sistemas de membrana citoplsmica: estructura, funcin y trnsito en la membrana 274 8.1 Revisin del sistema endomembranoso 275 8.2 Algunas aproximaciones al estudio de las endomembranas 277 Informacin obtenida de la autorradiografa 277 Informacin obtenida a partir de la protena verde uorescente 277 Informacin obtenida del anlisis bioqumico de las fracciones subcelulares 279 Informacin obtenida a partir de sistemas libres de clulas 280 Informacin obtenida del estudio de mutantes genticos 281 8.3 El retculo endoplsmico 282 El retculo endoplsmico liso 284 Funciones del retculo endoplsmico rugoso 284 Del retculo endoplsmico al aparato de Golgi: primer paso en el transporte vesicular 293 8.4 El aparato de Golgi 293 Glucosilacin en el aparato de Golgi 296 El movimiento de materiales a travs del aparato de Golgi 296 8.5 Tipos de transporte en vesculas y sus funciones 298 Vesculas cubiertas con COP-II: transporte de cargamento del retculo endoplsmico al aparato de Golgi 299 Vesculas cubiertas con COP-I: transporte de protenas escapadas de regreso al retculo endoplsmico 300 Ms all del aparato de Golgi: ordenamiento de protenas en el TGN 302 Direccionamiento de las vesculas a un compartimiento particular 304 8.6 Lisosomas 307 PERSPECTIVA HUMANA:Trastornos secundarios a defectos de la funcin lisosmica 309 8.7 Vacuolas de las clulas vegetales 310 8.8 La va endoctica: movimiento de membrana y materiales dentro de la clula 311 Endocitosis 311 Fagocitosis 317 8.9 Captacin de protenas por peroxisomas, mitocondrias y cloroplastos despus de la traduccin 318 Captacin de protenas en los peroxisomas 318 Captacin de protenas en las mitocondrias 318 Captacin de protenas en los cloroplastos 320 VAS EXPERIMENTALES: Endocitosis mediada por receptor 321 9. El citoesqueleto y la motilidad celular 328 9.1 Revisin de las principales funciones del citoesqueleto 329 9.2 El estudio del citoesqueleto 330 El uso de la microscopia con uorescencia en clulas vivas 330 Uso de ensayos de motilidad de una sola molcula in vitro 332 El uso de clulas con expresin gentica alterada 332 9.3 Microtbulos 333 Estructura y composicin 333 Protenas relacionadas con los microtbulos 334 Microtbulos como soportes y organizadores estructurales 335 Microtbulos como agentes de movilidad intracelular 336 Protenas motoras que cruzan el citoesqueleto microtubular 338 13. xiv CONTENIDO Centros organizadores de microtbulos 342 Las propiedades dinmicas de los microtbulos 345 Cilios y agelos: estructura y funcin 349 PERSPECTIVA HUMANA: La funcin de los cilios en el desarrollo y la enfermedad 350 9.4 Filamentos intermedios 357 Ensamble y desensamble de lamentos intermedios 358 Tipos y funciones de los lamentos intermedios 359 9.5 Microfilamentos 360 Ensamble y desensamble de microlamentos 361 Miosina: el motor molecular de los lamentos de actina 363 9.6 Contractilidad muscular 368 El modelo de lamento deslizante de la contraccin muscular 369 9.7 Movilidad extramuscular 374 Protenas de unin con la actina 374 Ejemplos de movilidad y contractilidad extramuscular 377 10. Naturaleza del gen y el genoma 388 10.1 El concepto de gen como unidad de la herencia 389 10.2 Cromosomas: portadores fsicos de los genes 390 El descubrimiento de los cromosomas 390 Cromosomas como portadores de la informacin gentica 391 Anlisis gentico en Drosophila 392 Entrecruzamiento y recombinacin 392 Mutagnesis y cromosomas gigantes 394 10.3 La naturaleza qumica del gen 395 La estructura del DNA 395 La propuesta de Watson y Crick 397 DNA superenrollado 400 10.4 La estructura del genoma 402 La complejidad del genoma 402 PERSPECTIVA HUMANA: Enfermedades consecutivas a la expansin de repeticiones de trinucletidos 405 10.5 La estabilidad del genoma 409 Duplicacin completa del genoma (poliploidizacin) 409 Duplicacin y modicacin de secuencias del DNA 409 Genes saltarinesy la naturaleza dinmica del genoma 411 10.6 Secuenciacin de genomas: la base gentica del ser humano 415 Genmica comparativa: si est conservado, entonces debe ser importante 416 Variacin gentica dentro de la poblacin humana 418 PERSPECTIVA HUMANA:Aplicacin de anlisis genmicos a la medicina 419 VAS EXPERIMENTALES: La naturaleza qumica del gen 422 11. Expresin del material gentico: de la transcripcin a la traduccin 429 11.1 Relacin entre genes y protenas 430 Revisin del trnsito de la informacin dentro de las clulas 431 11.2 Sinopsis de la transcripcin en clulas procariotas y eucariotas 432 Transcripcin en bacterias 435 Transcripcin y procesamiento del RNA en clulas eucariotas 436 11.3 Sntesis y procesamiento de los RNA ribosomal y de transferencia 437 Sntesis del precursor de rRNA 438 Procesamiento del rRNA precursor 440 Sntesis y procesamiento del rRNA 5S 442 RNA de transferencia 443 11.4 Sntesis y procesamiento de RNA mensajeros 444 La maquinaria para la transcripcin del mRNA 445 Procesamiento de genes: un hallazgo inesperado 447 El procesamiento de los mRNA eucariotas 450 Implicaciones evolutivas de la rotura de genes y el splicing del RNA 457 Creacin de nuevas ribozimas en el laboratorio 458 11.5 RNA pequeos no codificantes y vas de silenciamiento de RNA 459 PERSPECTIVA HUMANA:Aplicaciones clnicas de la interferencia de RNA 461 MicroRNA: una red recin descubierta para la regulacin gnica 462 11.6 Codificacin de la informacin gentica 464 Las propiedades del cdigo gentico 464 11.7 Decodificacin de los codones: la funcin de los RNA de transferencia 467 La estructura de los tRNA 467 11.8 Traduccin de la informacin gentica 470 Inicio 470 Elongacin 473 Terminacin 475 14. CONTE NIDO xv Vigilancia del mRNA: no se permiten codones sin sentido 475 Polirribosomas 476 VAS EXPERIMENTALES: La funcin del RNA en la catlisis 478 12. El ncleo celular y el control de la expresin gnica 485 12.1 El ncleo de una clula eucariota 486 La envoltura nuclear 486 Cromosomas y cromatina 491 PERSPECTIVA HUMANA:Aberraciones cromosmicas y enfermedades humanas 501 12.2 Control de la expresin gnica en bacterias 509 El opern bacteriano 510 Ribointerruptores 513 12.3 Control de la expresin gnica en eucariotas 513 12.4 Control a nivel transcripcional 515 La funcin de los factores de transcripcin en la regulacin de la expresin gnica 518 La estructura de los factores transcripcionales 518 Sitios de DNA que participan en la regulacin de la transcripcin 522 Activacin transcripcional: funcin de los aumentadores, promotores y coactivadores 525 Represin de la transcripcin 528 12.5 Control a nivel del procesamiento 531 12.6 Control a nivel traduccional 532 Localizacin citoplsmica de los mRNA 532 El control de la traduccin del mRNA 533 El control de la estabilidad del mRNA 535 12.7 Control postraduccional: determinacin de la estabilidad de la protena 537 13. Replicacin y reparacin del DNA 542 13.1 Replicacin del DNA 543 Replicacin semiconservadora 543 Replicacin en clulas bacterianas 546 Estructura y funciones de las polimerasas de DNA 552 La replicacin en las clulas eucariotas 556 13.2 Reparacin del DNA 562 Escisin de nucletidos y reparacin 563 Reparacin de la escisin de bases 563 Reparacin de la unin deciente 564 Reparacin de la rotura de doble cadena 565 PERSPECTIVA HUMANA: Las consecuencias de las deficiencias del sistema de reparacin del DNA 566 13.3 Entre la replicacin y la reparacin 567 14. Reproduccin celular 570 14.1 El ciclo celular 571 Ciclos celulares in vivo 572 Control del ciclo celular 572 14.2 Fase M: mitosis y citocinesis 579 Profase 581 Prometafase 586 Metafase 588 Anafase 590 Telofase 594 Fuerzas necesarias para los movimientos mitticos 595 Citocinesis 596 14.3 Meiosis 599 Las etapas de la meiosis 602 PERSPECTIVA HUMANA: Falta de disyuncin meitica y sus consecuencias 606 VAS EXPERIMENTALES: Descubrimiento y caracterizacin del factor promotor de maduracin (MPF) 609 15. Sealizacin celular y transduccin de seales: comunicacin entre las clulas 616 15.1 Los elementos bsicos de los sistemas de sealizacin celular 617 15.2 Estudio de los mensajeros extracelulares y sus receptores 619 15.3 Receptores unidos con protena G y sus segundos mensajeros 620 Transduccin de la seal por receptores unidos con protena G 620 PERSPECTIVA HUMANA:Trastornos relacionados con los receptores unidos con protena G 623 Segundos mensajeros 624 Especicidad de las reacciones relacionadas con la protena G 628 Regulacin de los niveles de glucosa sangunea 629 La funcin de los GPCR en la percepcin sensorial 632 15.4 Fosforilacin de protena-tirosina como mecanismo para la transduccin de seal 634 La va de cinasa de Ras-MAP 638 15. xvi CONTENIDO Sealizacin del receptor para insulina 641 Vas de sealizacin en las plantas 645 15.5 La funcin del calcio como mensajero intracelular 645 Regulacin de las concentraciones de calcio en las clulas vegetales 648 15.6 Convergencia, divergencia y comunicacin cruzada entre diferentes vas de sealizacin 649 Ejemplos de convergencia, divergencia y comunicacin cruzada entre vas de sealizacin 650 15.7 La funcin del xido ntrico como mensajero intercelular 652 15.8 Apoptosis (muerte celular programada) 653 La va extrnseca de la apoptosis 654 La va intrnseca de la apoptosis 655 16. Cncer 662 16.1 Propiedades bsicas de una clula cancerosa 663 16.2 Las causas del cncer 665 16.3 La gentica del cncer 666 Genes supresores de tumor y oncogenes: frenos y aceleradores 670 16.4 Nuevas medidas para combatir el cncer 682 Inmunoterapia 683 Inhibicin de la actividad de protenas promotoras de cncer 684 Inhibicin de la formacin de nuevos vasos sanguneos (angiognesis) 685 VAS EXPERIMENTALES: El descubrimiento de los oncogenes 686 17. La reaccin inmunitaria 693 17.1 Revisin de la reaccin inmunitaria 694 Reacciones inmunitarias innatas 694 Reacciones inmunitarias adaptativas 696 17.2 La teora de la seleccin clonal aplicada a las clulas B 697 Vacunacin 700 17.3 Linfocitos T: activacin y mecanismo de accin 701 17.4 Algunos temas sobre las bases celulares y moleculares de la inmunidad 703 La estructura molecular de los anticuerpos 703 Reajuste de DNA de los genes que codican los receptores de antgeno de las clulas B y T 706 Complejos antgeno-receptor unidos a la membrana 709 El complejo mayor de histocompatibilidad 709 Distincin entre lo propio y lo ajeno 715 Los linfocitos se activan por seales en la supercie de las clulas 716 Vas de transduccin de seales en la activacin de linfocitos 717 PERSPECTIVA HUMANA: Enfermedades autoinmunitarias 718 VAS EXPERIMENTALES: El papel del complejo mayor de histocompatibilidad en la presentacin de antgenos 720 18. Tcnicas en biologa celular y molecular 727 18.1 El microscopio ptico 728 Resolucin 728 Visibilidad 729 Preparacin de especmenes para microscopia ptica 730 Microscopia con contraste de fase 730 Microscopia de uorescencia (y tcnicas relacionadas basadas en la uorescencia) 731 Microscopia con video y procesamiento de imgenes 733 Microscopia confocal de barrido lser 733 18.2 Microscopia electrnica de transmisin 734 Preparacin del espcimen para la microscopia electrnica 736 18.3 Microscopia electrnica de barrido y microscopia de fuerza atmica 740 Microscopia de fuerza atmica 741 18.4 El uso de radioistopos 742 18.5 Cultivo celular 743 18.6 Fraccionamiento del contenido de una clula mediante centrifugacin diferencial 744 18.7 Aislamiento, purificacin y fraccionamiento de protenas 746 Precipitacin selectiva 746 Cromatografa lquida de columna 746 Electroforesis en gel de poliacrilamida 749 Medicin y anlisis de protenas 751 18.8 Identificacin de la estructura de protenas y complejos multisubunitarios 752 18.9 Purificacin de cidos nucleicos 753 18.10 Fraccionamiento de cidos nucleicos 754 Separacin de DNA por electroforesis en gel 754 Separacin de cidos nucleicos por ultracentrifugacin 754 18.11 Hibridacin de cidos nucleicos 756 18.12 Sntesis qumica de DNA 758 16. CONTE NIDO xvii 18.13 Tecnologa de DNA recombinante 758 Endonucleasas de restriccin 758 Formacin de DNA recombinante 760 Clonacin de DNA 760 18.14 Amplificacin enzimtica de DNA por PCR 763 Aplicaciones de la PCR 765 18.15 Secuenciacin de DNA 765 18.16 Genotecas de DNA 767 Genotecas genmicas 767 Genotecas de cDNA 768 18.17 Transferencia de DNA en clulas eucariotas y embriones de mamfero 769 18.18 Determinacin de la funcin de genes eucariotas por eliminacin gnica 772 Mutagnesis in vitro 772 Bloqueo gnico 772 Interferencia de RNA 774 18.19 Uso de anticuerpos 774 Apndice A-1 Premios Nobel otorgados por investigacin en biologa celular y molecular desde 1958 Temas de inters humano Glosario G-1 ndice alfabtico I-1 17. 1 Introduccin al estudio de la biologa celular y molecular Las clulas y sus estructuras son demasiado pequeas para observarlas, escucharlas o tocarlas de manera directa. A pesar de esta enorme dicultad, las clulas son el tema de miles de publicaciones cada ao y casi sin excepcin cada aspecto de su minscula estructura se encuentra bajo investigacin. De muchas maneras, el estudio de la biologa celular y molecular permanece como tributo a la curiosidad humana por investigar, descubrir, y a la inteligencia humana creativa para disear instrumentos complejos as como tcnicas elaboradas gracias a las cuales se puedan realizar tales descubrimientos. Esto no implica que los bilogos celulares tengan el monopolio de estos nobles rasgos.En un extremo del espectro cientco, los astrnomos buscan en los lmites del universo agu- jeros negros y cusares,cuyas propiedades parecen inimaginables cuando se comparan con las que existen en la Tierra. En el otro extremo, los fsicos nucleares enfocan su atencin en partculas de dimensiones subatmicas que tambin poseen propiedades inconcebibles. Desde luego,el universo posee mundos dentro de otros mundos;todos estos aspectos hacen fascinante su estudio. Como se advierte a travs de todo el libro, la biologa celular y molecular es reduc- cionista, esto es, se basa en el razonamiento de que el conocimiento de las partes puede 1.1 El descubrimiento de las clulas 1.2 Propiedades bsicas de las clulas 1.3 Dos clases de clulas fundamentalmente diferentes 1.4 Virus PERSPECTIVA HUMANA: La posibilidad de una terapia de reemplazo celular VAS EXPERIMENTALES: El origen de las clulas eucariotas Un ejemplo de la funcin de la innovacin tecnolgica en el campo de la biologa celular.Esta micrografa de luz muestra una clula colocada sobre una supercie de postes sintticos. Los postes exibles sirven como sensores para medir la fuerza mecnica ejercida por la clula. Los elementos teidos de rojo son haces de lamentos de actina intracelulares que generan fuerzas cuando existe movilidad celular. Cuando la clula se mueve deforma los postes a los cuales est unida y ello hace posible cuanticar la tensin que experimenta. El ncleo de la clula est teido de verde.(Tomada de J.L.Tan,et al.,Proc Natl Acad Sci USA 100(4),2003; Cortesa de Christopher S. Chen,The Johns Hopkins University.) 1 C A P T U L O 18. 2 Captulo 1 INTRODUCCIN AL ESTUDIO DE LA BIO L OGA CE L UL AR Y MOL E CUL AR explicar el carcter del todo.Visto de esta forma,la posicin respecto de las maravillas y misterios de la vida puede reemplazarse por la necesidad de explicar todo en trminos de los trabajos de la maquinaria de los sistemas vivientes. En la medida en que esto ocurra, se espera que dicha prdida pueda sustituirse por una apreciacin no menos importante de la belleza y complejidad de los mecanismos que encierra la actividad celular. 1.1 EL DESCUBRIMIENTO DE LAS CLULAS Debido a su tamao pequeo, las clulas slo pueden observarse con la ayuda de un microscopio,un instrumento que aumenta la imagen de un objeto diminuto. No se sabe cundo los seres humanos descubrieron la capacidad de una supercie curva de vidrio para desviar la luz y formar imgenes. Los primeros espejuelos se produjeron en Europa en el siglo xiii y los primeros microscopios pticos compuestos (de dos lentes) se construyeron a nales del siglo xvi. A mediados del siglo xvii, muchos cientcos pioneros utilizaron sus microscopios caseros para descubrir un mundo que nunca se haba revelado a simple vista. El descubrimiento de las clulas (g. 1-1a) se acredita por lo general a Robert Hooke,un microscopista ingls que a la edad de 27 aos le fue concedida la posicin de curador de la Royal Society of London, la primera academia cientca de Inglaterra. Una de las muchas preguntas que Hooke intent resolver fue por qu los tapones de corcho (parte de la corteza de los rboles) eran tan adecuados para contener el aire en una botella.En 1665 escribi lo siguiente: tom un buen pedazo de corcho limpio y con un cuchillo tan alado como una navaja de afeitar cort un pedazo y entonces lo examin con un microscopio y percib que tena una apariencia porosa muy semejante a un panal de abejas. Hooke llam a los poros clulas debido a que se aseme- jaban a las celdas habitadas por los monjes de un monasterio.En la actualidad se sabe que Hooke observ las paredes celulares vacas que corresponden al tejido vegetal muerto, es decir, paredes que en su origen elaboraron las clulas vivas circundantes. Mientras tanto, Anton van Leeuwenhoek, un holands que se ganaba la vida con la venta de ropa y botones, dedicaba su tiempo libre a tallar lentes y construir microscopios de gran calidad (g. 1-1b). Durante 50 aos, Leeuwenhoek envi cartas a la Royal Society of London en las que describi sus observaciones microscpicas,junto con una descripcin incoherente de sus hbitos diarios y su estado de salud.Leeuwenhoek fue el primero en examinar una gota de agua estancada bajo el microscopio y para su asombro observ gran cantidad de animalculosen el campo del microscopio que iban y venan ante sus ojos.Tambin fue el primero en describir diferentes formas de bacterias presentes en el agua resultante de remojar pimienta y en el material del raspado de sus dientes. Sus cartas iniciales remitidas a la Royal Society, en las que describe este mundo todava no descu- bierto, se tomaron con tal escepticismo que la sociedad mand a su curador Robert Hooke para conrmar las observaciones. Hooke hizo lo indicado y Leeuwenhoek se convirti de inme- diato en una celebridad mundial y recibi visitas en Holanda de Pedro el Grande de Rusia y la reina de Inglaterra. No fue sino hasta la dcada de 1830 que se difundi la importancia de las clulas. En 1838, Matthias Schleiden, un abogado alemn que se convirti en botnico, concluy que a pesar de la diferencia en la estructura de varios tejidos,las plantas estaban hechas de clulas y que el embrin de la planta proviene de una sola clula. En 1839,Theodor Schwann, un zologo alemn y colega de Schleiden, public un informe detallado sobre las bases celulares del mundo animal.Schwann concluy que las clulas de plantas y animales son estructuras similares y propuso estos dos principios de la teora celular: Todos los organismos estn compuestos de una o ms clulas. La clula es la unidad estructural de la vida. (a) (b) FIGURA 1-1 El descubrimiento de las clulas. a) Uno de los microscopios compuestos (con doble lente) ms vistosos de Robert Hooke. Inserto, dibu- jo realizado por Hooke de un corte delgado de corcho que muestra una red de clulas parecida a un panal de abejas. b) Microscopio de una sola lente usado por Anton van Leeuwenhoek para observar bacterias y otros microorganismos. Las lentes biconvexas, capaces de aumentar el tamao de un objeto en cerca de 270 veces y proveer una resolucin cercana a 1.35 m, estaban sostenidas entre dos placas metlicas. (Tomada de The Granger Collection; inserto y figura 1-1B, tomados de Corbis Bettmann.) 19. 1.2 PROPIE DADE S BSICAS DE L AS C L ULAS 3 Las ideas de Schleiden y Schwann sobre el origen de las clulas son menos profundas; ambos estn de acuerdo en que stas podran originarse de materiales acelulares. Dada la importancia que tuvieron estos dos investigadores en el mundo cientco, fue necesario que pasaran muchos aos para que las observaciones de otros bilogos, respecto de que las clulas no se forman por generacin espontnea, se aceptaran. Para 1855, el patlogo alemn Rudolf Virchow haba formulado un argu- mento convincente para el tercer postulado de la teora celular: Las clulas slo pueden originarse por divisin de una clula preexistente. 1.2 PROPIEDADES BSICAS DE LAS CLULAS Las clulas, as como las plantas y los animales, tienen vida. En realidad, la vida es la propiedad bsica de las clulas y stas son las unidades ms pequeas que poseen tal naturaleza. A diferencia de las partes de una clula, las cuales se deterioran si se encuentran aisladas,las clulas completas pueden obtenerse de una planta o animal y cultivarse en un laboratorio donde se multiplican y crecen durante periodos largos. Si no se las trata de modo adecuado pueden morir.La muerte puede considerarse una de las propiedades bsicas de la vida porque slo una enti- dad viva enfrenta esta perspectiva. Resulta importante sealar que las clulas dentro del cuerpo mueren casi siempre por su propia mano,es decir,son vctimas de un programa interno por el cual las clulas innecesarias o aquellas que tienen el riesgo de tornarse malignas se eliminan a s mismas. En 1951, George Gey de la Johns Hopkins University realiz el primer cultivo de clulas humanas. Las clulas se obtu- vieron de un tumor maligno que provena de Henrietta Lacks y, por lo tanto, se denominaron clulas HeLa. Las clulas HeLa, descendientes por divisin celular de esta primera muestra de clulas, continan creciendo en la actualidad en diferentes laboratorios del mundo (g.1-2).Como estas clulas son ms fciles de estudiar que las que se hallan dentro del cuerpo, las clulas crecidas in vitro (p. ej., en un cultivo fuera del organismo) se han convertido en una herramienta esencial para los bilogos celulares y moleculares.De hecho,mucha de la informacin que se discute en este libro se obtuvo de clulas crecidas en cultivos de laboratorio. La micrografa mostrada en la gura 1-2 se tom con un microscopio de alto poder llamado microscopio electrnico de barrido, que permite a los investigadores examinar los detalles de la supercie de las clulas. Como se analiza en el captulo 18, los microscopios electrnicos emplean un haz enfocado de electrones que provee una imagen muy detallada de la clula y sus partes. Otro tipo de microscopio electrnico, el microscopio electrnico de transmisin,se usa para revelar con detalle la estructura interna de las clulas (como en la gura 1-10). Las micrografas del microscopio electrnico de transmisin tomadas a principios de la dcada de 1950 mostraron a los investigadores un primer vistazo de la intrincada estructura que permanece oculta en los lmites de una pequea clula. La exploracin de la clula comienza con el anlisis de algunas de sus propiedades fundamentales. Las clulas son muy complejas y organizadas La complejidad es una propiedad que es evidente pero difcil de describir. En este momento es posible pensar sobre la complejidad en trminos de orden y consistencia. Cuanto ms compleja sea una estructura,mayor es el nmero de partes que deben estar en el lugar adecuado, menor la tolerancia a errores en la naturaleza e interacciones de las partes y mayor la regulacin o control que se debe ejercer para mantener el sistema. Las actividades celulares pueden ser extremadamente pre- cisas. Por ejemplo, la duplicacin del DNA (cido desoxirribonucleico) se realiza con una tasa de error inferior a un error por cada diez millones de nucletidos incorporados, y la mayora de tales errores se corrigen con rapidez por un intrincado mecanismo de reparacin que reconoce el defecto. A lo largo de este libro se considera la complejidad de la vida en diferentes niveles.Se describen la organizacin de tomos dentro de molculas pequeas, la disposicin de estas molculas dentro de polmeros gigantes y el arreglo de molculas poli- mricas en complejos, los cuales a su vez estn dispuestos dentro de organelos subcelulares y al nal en el interior de clulas. Como se observa, existe una gran consistencia en todos los niveles. Cada tipo celular posee una apariencia constante bajo el microscopio electrnico; esto es, los organelos tienen una forma y localizacin particulares, en individuos de diferentes especies. De manera semejante, cada tipo de organelo muestra una composicin constante de macromolculas que estn ordenadas en un patrn predecible. Considrese a las clulas que se encuentran en el intestino y que se encargan de obtener los nutrimentos del tubo digestivo (g. 1-3). Las clulas epiteliales que limitan el intestino estn unidas estrechamente y semejan los ladrillos de una pared. Los extre- mos apicales de estas clulas, cuya cara da a la luz intestinal, tienen elongaciones (microvellosidades) que facilitan la absorcin de nutrimentos. Las microvellosidades son capaces de proyec- tarse fuera de la supercie celular apical debido a que contienen un esqueleto interno formado por lamentos, los cuales a su vez estn compuestos de monmeros de protena (actina) polimeri- FIGURA 1-2 Las clulas HeLa, como las que se muestran, fueron las primeras clulas humanas mantenidas en cultivo por largos periodos y an se utilizan. A diferencia de las clulas normales que en cultivo tienen un tiempo de vida nito, las clulas HeLa cancerosas pueden cultivarse de forma indenida si las condiciones son favorables para mantener el crecimiento y divisin celulares. Esta micrografa electrnica de barrido (seccin 18.1) se colore para resaltar el contraste. (Keith Porter/Photo Researchers.) 20. 4 Captulo 1 INTRODUCCIN AL ESTUDIO DE LA BIO L OGA CE L UL AR Y MOL E CUL AR Recuadro 6Recuadro 6 Recuadro 5 50 25 nm Microvellosidades apicales Recuadro 3 Recuadro 2 Recuadro 1 Recuadro 4 MitocondriaMitocondriaMitocondria Recuadro 7 FIGURA 1-3 Niveles de organizacin celular y molecular. La fotografa en colores brillantes de una seccin teida muestra la estructura microscpi- ca de una vellosidad de la mucosa del intestino delgado, como se observa a travs del microscopio ptico. El recuadro 1 representa una micrografa electrnica de la capa epitelial de clulas que limitan la pared interior del intestino. La supercie apical de cada clula que mira hacia la luz intestinal tiene un gran nmero de microvellosidades que intervienen en la absorcin de nutrimentos. La regin basal de cada clula contiene un gran nmero de mitocondrias en las que la energa se mantiene disponible para las actividades celulares. El recuadro 2 muestra las microvellosidades apicales; cada microvellosidad contiene un haz de microlamentos. El recuadro 3 representa las subunidades de la protena actina que forman parte de cada lamento.En el recuadro 4 se distingue una mitocondria similar a la encon- trada en la regin basal de las clulas epiteliales. El recuadro 5 seala una porcin de la membrana interna de las mitocondrias, incluidas las partculas pediculadas (echa superior) que se proyectan a partir de la membrana y corresponden a los sitios donde se sintetiza el ATP. Los recuadros 6 y 7 muestran los modelos moleculares de la maquinaria de sntesis de ATP, la cual se describe por completo en el captulo 5.(Micrografa de luz,Cecil Fox/Photo Researchers; recuadro 1, cortesa de Shakti P. Kapur, Georgetown University Medical Center; recuadro 2, cortesa de Mark S. Mooseker y Lewis G. Tilney, J Cell Biol. 67:729, 1975, con autorizacin de la Rockefeller University Press; recuadro 3, cortesa de Kenneth C. Holmes; recuadro 4, cortesa de Keith R. Porter/Photo Researchers; recuadro 5, cortesa de Humberto Fernandez-Moran; recuadro 6, cortesa de Roderick A. Capaldi; recuadro 7, cortesa de Wolfgang Junge, Holger Lill y Siegfried Engelbrecht, Universidad de Osnabrck, Alemania.) 21. 1.2 PROPIE DADE S BSICAS DE L AS C L ULAS 5 zados en una disposicin caracterstica. En su extremo basal, las clulas intestinales poseen gran cantidad de mitocondrias que proveen la energa requerida para alimentar varios procesos de transporte de membrana. Cada mitocondria se compone de un patrn denido de membranas internas,las cuales a su vez estn compuestas por un arreglo proteico, que incluye una fbrica de ATP (trifosfato de adenosina) que funciona con electricidad, sta se proyecta desde la membrana interna y parece una pelota en el extremo de una barra.Cada uno de estos niveles de organizacin se ilustra en los recuadros de la gura 1-3. Por fortuna para los bilogos celulares y moleculares, la evolucin avanza con lentitud en los niveles de la organizacin biolgica que les interesa. Por ejemplo, mientras que un ser humano y un gato tienen caractersticas anatmicas muy diferentes, las clulas que conforman sus tejidos y los organelos que integran sus clulas son semejantes. El lamento de actina el cual se representa en la gura 1-3, recuadro 3, y la enzima sintasa de ATP que se observa en el recuadro 6, son idnticos a las estructuras encontradas en diferentes organismos, como seres humanos, caracoles, levaduras y secuoyas. La informacin obtenida del estudio de las clulas de un tipo de organismo tiene a menudo aplicaciones directas en otras formas de vida.Muchos de los procesos ms elementales, como la sntesis de protenas, la conversin de energa qumica o la construccin de una membrana, son muy parecidos en todos los organismos. Las clulas poseen un programa gentico y los medios para usarlo Los organismos estn construidos de acuerdo con la informacin codicada en un grupo de genes. El programa gentico humano contiene suciente informacin para llenar millones de pginas de un texto, si se codicara en palabras. Resulta relevante que esta gran cantidad de informacin est empaquetada dentro de un grupo de cromosomas que ocupan el espacio del ncleo celular: cientos de veces ms pequeo que el punto de esta i. Los genes son ms que gavetas para almacenar informacin: constituyen los planos para construir las estructuras celulares,las instrucciones para llevar a cabo las actividades celulares y el programa para duplicarse. La estructura molecular de los genes permite, mediante cambios en la informacin gentica (mutaciones), que exista variacin entre individuos, lo cual forma la base de la evolucin biolgica. El descubrimiento de los mecanismos por los cuales las clulas usan su informacin gentica es uno de los logros ms grandes de la ciencia en las ltimas dcadas. Las clulas son capaces de reproducirse Las clulas, al igual que otros organismos, se generan por reproduccin. Las clulas se reproducen por divisin, un proceso en el cual el contenido de una clula madre se distribuye dentro de dos clulas hijas. Antes de la divisin, el material gentico se duplica con xito y cada clula hija comparte la misma informacin gentica. En la mayora de los casos, las dos clulas hijas tienen el mismo volumen. Sin embargo, en algunos casos, como ocurre cuando un oocito humano sufre divisin,una de las clulas retiene casi todo el citoplasma, aunque sta reciba slo la mitad del material gentico (g. 1-4). Las clulas obtienen y utilizan energa El desarrollo y mantenimiento de la complejidad exigen la constante entrada de energa (g.1-5).Virtualmente,toda la energa necesaria para la vida en la supercie de la Tierra proviene de la radiacin electromagntica del sol. Esta energa es captada por los pigmentos que absorben luz presentes en las membranas de las clulas fotosintticas. La energa luminosa se convierte por fotosntesis en energa qumica, que se almacena en carbohidratos ricos en energa, como almidn y sacarosa. Para la mayora de las clulas animales, la energa llega a menudo preempacada en forma de glucosa.En las personas,la glucosa pasa a travs del hgado hacia la sangre, que circula a travs del cuerpo y libera energa qumica en todas las clulas. Una vez dentro de la clula, la glucosa se desensambla de tal manera que su contenido energtico se puede almacenar en forma de energa disponible con rapidez (por lo general como ATP),que ms tarde se utiliza para el funcionamiento de las innumerables actividades celulares que requieren energa. Las clulas invierten una enorme cantidad de energa simplemente en degradar y reconstruir las FIGURA 1-4 Reproduccin celular. Este oocito de mamfero experiment de forma reciente una divisin celular muy desigual en la cual la mayor parte del citoplasma se retuvo dentro del gran oocito, que tiene el potencial para fecundarse y desarrollar un embrin. La otra clula es un remanente no funcional que consiste casi en su totalidad de material nuclear (se indica por los cromosomas teidos de azul, echa). (Cortesa de Jonathan van Blerkom.) FIGURA 1-5 Captacin de energa. Una clula viva del alga lamentosa Spi- rogyra. El cloroplasto es semejante a un listn, el cual se observa en zigzag a travs de la clula y es el sitio donde se captura la energa de la luz solar y se convierte en energa qumica durante la fotosntesis. (M.I.Walker/Photo Researchers.) 22. 6 Captulo 1 INTRODUCCIN AL ESTUDIO DE LA BIO L OGA CE L UL AR Y MOL E CUL AR macromolculas y los organelos de los que estn hechas. Este continuo recambio, como se le llama, mantiene la integridad de los componentes celulares en virtud de los inevitables procesos de desgaste y rotura, y permite a la clula reaccionar con rapidez a las condiciones cambiantes. Las clulas llevan a cabo diferentes reacciones qumicas La funcin celular se asemeja a plantas qumicas en miniatura. Aunque la clula bacteriana ms simple es capaz de realizar cientos de transformaciones qumicas diferentes, ninguna de ellas ocurre a una velocidad signicativa en el mundo inanimado. Por lo general,todos los cambios qumicos que se efectan en las clulas necesitan enzimas, molculas que incrementan el ritmo al que tiene lugar una reaccin qumica. La suma total de las reacciones qumicas en una clula representa el metabolismo celular. Las clulas se ocupan de numerosas actividades mecnicas Las clulas son sitios de mucha actividad. Los materiales se transportan de un lugar a otro, las estructuras se acoplan y des- acoplan con rapidez y, en muchos casos, la clula entera se mueve por s misma de un punto a otro. Estos tipos de actividades se basan en cambios mecnicos y dinmicos intracelulares, la mayora de ellos iniciados por cambios en la estructura proteni- ca motora. Las protenas motoras son slo uno de los muchos tipos de mquinas moleculares empleadas por la clula para llevar a cabo actividades mecnicas. Las clulas son capaces de reaccionar a estmulos Algunas clulas responden a estmulos de manera obvia; por ejemplo, un protista unicelular se mueve lejos de un objeto que est en su camino o se dirige hacia una fuente de nutrimentos. Las clulas que conforman una planta o animal multicelulares no reaccionan a estmulos de modo tan obvio.La mayor parte de las clulas est cubierta de receptores que interaccionan con sustancias en el ambiente en una forma muy especca. Las clulas poseen receptores para hormonas, factores de crecimiento, materiales extracelulares, as como sustancias localizadas en la supercie de otras clulas. Los receptores de las clulas proveen las vas a travs de las cuales los agentes externos pueden iniciar reacciones especcas en la clula blanco. Las clulas pueden responder a estmulos especcos por medio de la alteracin de sus actividades metablicas,al prepararse para la divisin celular, moverse de un lugar a otro o aniquilndose a s mismas. Las clulas son capaces de autorregularse Adems de requerir energa, el mantenimiento de un estado complejo y ordenado exige regulacin constante.La importancia de los mecanismos de regulacin celular es ms evidente cuando las clulas se daan.Por ejemplo,la falla de una clula para corre- gir un error cuando duplica su DNA puede crear una mutacin que la debilita,o una alteracin en el control de crecimiento de la clula, que puede transformar a la clula en una clula cancerosa con la capacidad para destruir a todo el organismo. Poco a poco se conoce ms acerca de la forma en que la clula controla estas actividades, pero falta mucho ms por descubrir. Considere el siguiente experimento que llev a cabo en 1891 Hans Driesch, un embrilogo alemn. Driesch encontr que poda separar por completo las primeras dos o cuatro clulas de un embrin de erizo de mar y que cada una de las clulas aisladas desarrollaba un embrin normal (g.1-6).Cmo puede una clula que por lo general est destinada a formar slo una parte del embrin regular sus propias actividades y formar un embrin entero?, de qu forma la clula aislada reconoce la ausencia de sus vecinas y reorienta el curso de su desarrollo celular?, cmo puede una parte del embrin tener un sentido del todo? Hasta el momento no es posible mejorar las respuestas que se dieron hace ms de 100 aos, cuando se efectu este experimento. En este libro se describen procesos que requieren diversos pasos ordenados, muchos de los cuales son parecidos a las lneas de ensamble en el armado de un automvil, donde los trabajadores acoplan, remueven o hacen ajustes especcos conforme el armado del auto avanza. En la clula, la informacin para el diseo de productos reside en los cidos nucleicos y los trabajadores de la construccin son sobre todo las protenas. Ms que ningn otro factor, la presencia de estos dos tipos de macromolculas aparta a la qumica celular del mundo inerte. En la clula, los trabajadores tienen que actuar sin el benecio de FIGURA 1-6 Autorregulacin. El esquema de la izquierda muestra el desarrollo normal de un erizo de mar en el cual un huevo fecundado da lugar a un solo embrin. El esquema de la derecha seala un experimento en el que las clulas de un embrin se separan despus de la primera divisin y se permite que cada clula se desarrolle de manera aislada. En lugar de desa- rrollarse la mitad de un embrin,como ocurrira si no se alterara,cada clula aislada reconoce la ausencia de su vecina y regula su desarrollo para formar un embrin completo (aunque ms pequeo). 23. la direccin consciente. Cada paso de un proceso debe ocurrir de modo espontneo, de tal forma que el siguiente se active de manera automtica. En muchos sentidos, la clula opera de un modo anlogo al artilugio para exprimir una naranja, descubier- to por el profesor y que se muestra en la gura 1-7. Cada tipo de actividad celular necesita un grupo nico de herramientas moleculares muy complejas y mquinas: los productos de los periodos de la seleccin natural y su evolucin. El objetivo ms importante de los bilogos celulares y moleculares es entender la estructura molecular y la funcin de cada uno de los componentes que intervienen en una actividad particular, as como los medios por los cuales estos componentes interactan y los mecanismos que regulan dichas interacciones. Las clulas evolucionan Cmo surgieron las clulas? De todas las preguntas trascenden- tes formuladas por los bilogos, sta es la que menos respuestas tiene. Se piensa que las clulas proceden de algunas formas de vida precelular, las cuales a su vez se originaron de materiales orgnicos sin vida que estuvieron presentes en los ocanos pri- mordiales. Sin embargo, el origen de las clulas est envuelto en un misterio total; la evolucin de las clulas puede estudiarse por medio del anlisis de los organismos vivos de la actualidad.Si se observan las caractersticas de las clulas bacterianas que viven en el tubo digestivo de los seres humanos (vase g. 1-18a) y una clula que forma parte de la pared del intestino (g. 1-3); son notorias las diferencias que existen entre estas dos clulas. No obstante, proceden de una clula ancestral comn que vivi hace ms de tres mil millones de aos. Estas estructuras que comparten las dos clulas relacionadas de forma distante, como su membrana celular y los ribosomas, debieron estar en la clula ancestral. Se examinan algunos sucesos ocurridos durante la evolucin de las clulas en la seccin Vas experimentales al nal del captulo. Es preciso tener en mente que la evolucin no es tan slo un hecho del pasado,sino un proceso dinmico que an modica las propiedades de las clulas de los organismos que todava no han aparecido. 1.3 DOS CLASES DE CLULAS FUNDAMENTALMENTE DIFERENTES Una vez que el microscopio electrnico estuvo disponible, los bilogos fueron capaces de examinar la estructura interna de una gran variedad de clulas. A partir de estos estudios se encontr que existen dos tipos bsicos de clulas (procariotas y FIGURA 1-7 Las actividades celulares con frecuencia son anlogas a esta mquina de Rube Goldberg en la cual un suceso activa de manera automticaa otro posterior,en una secuencia de reacciones.(Rube Goldberg y de Rube Goldberg, Inc.) REVISIN ? 1. Liste las propiedades fundamentales que comparten todas las clulas. Describa la importancia de cada una de estas propiedades. 2. Describa algunas de las caractersticas celulares que sugieran que todos los organismos vivos derivan de un ancestro comn. 3. Cul es la fuente de energa que mantiene la vida en la Tierra?, cmo se transere esta energa de un organismo a otro? El profesor Butts cay por el foso abierto de un elevador y cuando toc tierra slo encontr una mquina para exprimir naranjas. El lechero toma la botella de leche vaca (A) y jala de la cuerda (B), lo que provoca que la espada (C) corte la cuerda (D). Esto permite que la navaja de la guillotina (E) caiga y corte la cuerda (F), que a su vez libera el ariete (G). El ariete empuja la puerta abierta (H) y la cierra. La hoz (I) corta la naranja (J) y, al mismo tiempo, la espina (K) lastima al halcn (L). Este ltimo abre el pico por el dolor y suelta la ciruela y permite que el zapato (M) caiga sobre la cabe- za de un pulpo dormido (N). El pulpo despierta molesto y observa la cara del buzo dibujada sobre la naranja y la oprime; de esa manera el jugo de naranja cae al vaso (O). Despus puede utilizarse el tronco para construir una cabaa en la que puede crecer su hijo, que llegar a ser presidente como Abraham Lincoln. Mquina para obtener jugo de naranja 1.3 DOS CL ASE S DE C L UL AS F UNDAME NTAL ME NTE DIF E RE NTES 7 24. 8 Captulo 1 INTRODUCCIN AL ESTUDIO DE LA BIO L OGA CE L UL AR Y MOL E CUL AR eucariotas) que se diferencian por su tamao y tipos de estructuras internas u organelos (g. 1-8). La existencia de dos clases distintas de clulas sin ningn intermediario conocido representa una de las divisiones evolutivas ms importantes en el mundo biolgico. Las clulas procariotas, que en su estructura son ms simples, incluyen a las bacterias, mientras que las clulas eucariotas tienen una estructura ms compleja e incluyen a los protistas, hongos, plantas y animales.1 No se sabe con certeza cundo aparecieron las clulas por primera vez en la Tierra. Hay evidencias, obtenidas de fsiles de que la vida procariota existe desde hace unos 2 700 millones de aos. Estas rocas no contienen tan slo microbios fosi- lizados, sino tambin molculas orgnicas complejas que son caractersticas de tipos particulares de organismos procariotas, incluidas las cianobacterias. Es improbable que tales molculas se sintetizaran de manera abitica,esto es,sin la participacin de clulas vivas. El comienzo de las clulas eucariotas tambin est rodeado de incertidumbre. Los animales complejos aparecieron de forma ms repentina en los registros fsiles hace unos 600 millones de aos, pero hay muchas evidencias de que los organismos eucariotas ms simples estuvieron presentes en la Tierra desde ms de 1 000 millones de aos antes. El tiempo estima- do de la aparicin sobre la Tierra de algunos de los principales grupos de organismos se consigna en la gura 1-9. Una vista Microlamentos Aparato de Golgi Retculo endoplsmico liso Ribosomas Membrana plasmtica Citosol Mitocondria Lisosoma (c) Peroxisoma Centriolo Microtbulo Vescula Retculo endoplsmico rugoso Envoltura nuclear Nucleolo Nucleoplasma Ncleo Pared celular Ribosomas Membrana plasmtica Plasmodesma Vescula Retculo endoplsmico rugoso Mitocondria Envoltura nuclear Nucleolo Neoplasma Citosol Peroxisoma Vacuola Microtbulos Aparato de Golgi Retculo endoplsmico liso CloroplastoNcleo (b)(a) DNA del nucleoide Membrana plasmtica Ribosomas Flagelo bacteriano Cpsula Pared celular FIGURA 1-8 La estructura celular. Esquemas generalizados de una clula de bacteria a), vegetal b) y animal c). Nota: los organelos no estn dibujados a escala. 1 El lector interesado en examinar una propuesta para acabar con el concepto anta- gnico de organismos procariotas y eucariotas puede leer un breve ensayo de N. R. Pace en Nature 441:289, 2006. 25. supercial de esta gura revela la manera en que la vida apareci pronto despus de la formacin de la Tierra y el enfriamiento de su supercie, as como el tiempo que tom la subsecuente evolucin de los animales complejos y plantas. Caractersticas que diferencian a las clulas procariotas de las eucariotas La siguiente es una breve comparacin entre clulas procariotas y eucariotas que hace evidentes muchas diferencias bsicas entre los dos tipos, as como bastantes similitudes (vase g. 1-8). Las semejanzas y diferencias entre los dos tipos de clulas se muestran en el cuadro 1-1. Las propiedades que comparten reejan que las clulas eucariotas casi con certeza evolucionaron a partir de ancestros procariotas. A causa de su ancestro comn, ambos tipos de clulas poseen un lenguaje gentico idntico, un grupo comn de vas metablicas y muchas propiedades estructurales anes. Por ejemplo, los dos tipos celulares estn limitados por membranas plasmticas de estructura semejante que sirven como una barrera de permeabilidad selectiva entre los mundos vivo e inerte. Ambos tipos de clulas pueden estar recubiertos por una pared celular rgida y sin vida que protege la delicada vida de su interior. Aunque las paredes celulares de procariotas y eucariotas pueden tener funciones semejantes,su composicin qumica es muy diferente. En su interior, las clulas eucariotas son mucho ms complejas (en estructura y funcin) que las clulas procariotas (g. 1-8). La diferencia en complejidad estructural es evidente en las micrografas electrnicas de una clula bacteriana y una animal que se muestran en las guras 1-18a y 1-10, de manera respectiva. Ambas contienen una regin nuclear, la cual posee el material gentico de la clula rodeado por citoplasma. El material gentico de la clula procariota est presente en un nucleoide: una regin de la clula no bien denida, sin membrana, que lo separa del citoplasma circundante. En cambio, las Bacterias fotosintticas ? Cianobacterias Eucariotas macroscpicos Reino de las algas Invertebrados con exoesqueleto Plantas vasculares Mamferos Seres humanos Origen de la Tierra Miles de millones de aos Precmbrico 2 3 41 Inicia la vida Cenozoico Mesozoico Paleozoico FIGURA 1-9 Reloj biogeolgico de la Tierra. Esquema de los cinco mil millones de aos de la historia del planeta que muestra el tiempo de aparicin de los principales grupos de organismos. Los animales complejos (invertebrados) y las plantas vasculares aparecieron relativamente en periodos recientes. El tiempo indicado para el origen de la vida est sujeto a conjetura. Adems, las bacterias fotosintticas pudieron aparecer de manera ms temprana y por tanto permanece la interrogante. Las eras geolgicas se indican en el centro de la ilustracin. (Reimpresa con autorizacin de D. J. Des Marais, Science 289:1704, 2001. Copyright 2001 Ameri- can Association for the Advancement of Science.) Caractersticas comunes: Membrana plasmtica de estructura similar Informacin gentica codicada en el DNA mediante cdigos genticos idnticos Mecanismos similares para la transcripcin y traduccin de la informacin gentica, incluidos ribosomas semejantes Rutas metablicas compartidas (p. ej., gluclisis y ciclo de los cidos tricarboxlicos [TCA]) Aparato similar para la conservacin de la energa qumica en forma de ATP (localizado en la membrana plasmtica de procariotas y en la membrana mitocondrial de eucariotas) Mecanismos semejantes para la fotosntesis (entre cianobacterias y plantas verdes) Mecanismos parecidos para sintetizar e insertar las protenas de membrana Estructura similar (entre arqueobacterias y eucariotas) de proteosomas (estructuras para la digestin de protenas) Caractersticas de las clulas eucariotas que no se encuentran en procariotas: Divisin de la clula en ncleo y citoplasma, separados por una envoltura nuclear que contiene estructuras complejas de poros Los cromosomas son complejos y estn compuestos por DNA y protenas relacionadas capaces de compactarse en estructuras mitticas Organelos citoplsmicos membranosos complejos (incluidos el retculo endoplsmico, aparato de Golgi, lisosomas, endosomas, peroxisomas y glioxisomas) Organelos citoplsmicos especializados para la respiracin aerobia (mitocondrias) y fotosntesis (cloroplastos) Un sistema complejo de citoesqueleto (incluidos microlamentos, lamentos intermedios y microtbulos) Cilios y agelos complejos Son capaces de ingerir materiales lquidos y slidos y atraparlos dentro de vesculas membranosas plasmticas (endocitosis y fagocitosis) Paredes celulares (en plantas) que contienen celulosa La divisin celular utiliza un huso mittico que contiene microtbulos para separar cromosomas Presencia de dos copias de genes por clula (diploida), un gen que proviene de cada padre Presencia de tres enzimas diferentes para sintetizar RNA (polimerasas de RNA) Reproduccin sexual que requiere meiosis y fecundacin Cuadro 1-1 Comparacin entre clulas procariotas y eucariotas 1.3 DOS CL ASE S DE C L UL AS F UNDAME NTAL ME NTE DIF E RE NTES 9 26. 10 Captulo 1 INTRODUCCIN AL ESTUDIO DE LA BIOL OGA CE L UL AR Y MOL E CUL AR Lisosoma Membrana plasmtica Filamentos de citoesqueleto Ribosoma Citosol Aparato de Golgi Ncleo Retculo endoplsmico liso Mitocondria Retculo endoplsmico rugoso Cromatina Nucleolo FIGURA 1-10 La estructura de una clula eucariota. Esta clula epitelial limita el conducto reproductivo en la rata macho. En los diagramas esquemticos, alrededor de la gura principal, se indican y muestran algunos organelos diferentes. (David Phillips/Visuals Unlimited.) 27. clulas eucariotas poseen un ncleo: una regin separada por una estructura membranosa compleja llamada envoltura nuclear. Esta diferencia de la estructura nuclear es la base de los trminos procariota (pro, antes; karyon, ncleo) y eucariota (eu, verdadero; karyon, ncleo). Las clulas procariotas contienen relativamente pequeas cantidades de DNA; el contenido del DNA de una bacteria se encuentra en los lmites de 600 000 a ocho millones de pares de bases, lo cual es suciente para codicar entre unas 500 y varios miles de protenas.2 Aunque una simple levadura de panadera tiene slo un poco ms DNA (12 millones de pares de bases que codican alrededor de 6 200 protenas) que los eucariotas ms complejos,la mayora de las clulas eucariotas posee mucha ms informacin gentica. Las clulas procariotas y las eucariotas poseen cromosomas que contienen DNA. Las clulas eucariotas muestran un nmero determinado de cromosomas separados,cada uno de los cuales posee una sola molcula lineal de DNA.En cambio,casi todos los procariotas que se han estudiado contienen un cromosoma circular nico. Lo ms importante es que el DNA cromosmico de los eucariotas, a diferencia del de los procariotas, se relaciona estrechamente con protenas para formar un material nucleoprotenico complejo que se conoce como cromatina. El citoplasma de los dos tipos de clulas tambin es muy diferente. El de una clula eucariota se conforma con una gran diversidad de estructuras, como es evidente por el anlisis de micrografaselectrnicasdecualquierclulavegetaloanimal(g. 1-10). Incluso las levaduras, las clulas eucariotas ms simples, son mucho ms complejas desde el punto de vista estructural que una bacteria promedio (comprese la g.1-18a y b),aunque estos dos organismos poseen un nmero de genes similar. Las clulas eucariotas tienen una disposicin de organelos limitados por membrana. Los organelos eucariotas incluyen mitocondria, donde la energa qumica est disponible para alimentar las actividades celulares; un retculo endoplsmico, en donde se elaboran muchas de las protenas y lpidos de la clula; el aparato de Golgi, es el lugar en el que los materiales se cla- sican, modican y transportan a destinos celulares especcos, adems de diferentes vesculas simples, limitadas por membranas de tamaos diferentes. Las clulas vegetales muestran organelos membranosos adicionales, incluidos los cloroplastos, los cuales son los sitios en los que se realiza la fotosntesis,y muchas veces una gran vacuola nica que puede ocupar la mayor parte del volumen celular. Tomadas como un grupo, las membranas celulares eucariotas sirven para dividir el citoplasma en com- partimientos, dentro de los cuales se llevan a cabo actividades especializadas. En cambio, el citoplasma de las clulas procariotas est libre en esencia de estructuras membranosas. Las membranas fotosintticas complejas de la cianobacteria son una gran excepcin a esta generalizacin (vase g. 1-15). Las membranas citoplsmicas de las clulas eucariotas forman un sistema de canales interconectados y vesculas que traba- jan en el transporte de sustancias de una parte a otra de la clula y entre su interior y el ambiente.A causa de su tamao pequeo, la comunicacin directa intracitoplsmica es menos importante en las clulas procariotas, en las que el ujo de materiales puede efectuarse por difusin simple. Las clulas eucariotas tambin contienen numerosas estructuras sin membrana celular que las limite.Los tbulos alargados y lamentos del citoesqueleto estn incluidos en este grupo y participan en la contractilidad celular, movimiento y soporte. Hasta hace poco tiempo se pens que las clulas procariotas carecan de un citoesqueleto, pero se encontraron en algunas bacterias lamentos de citoesqueleto primitivo. Por el momen- to es posible armar que el citoesqueleto de los procariotas es mucho ms simple en sentidos estructural y funcional en comparacin con los eucariotas. Las clulas eucariotas y procariotas tienen ribosomas que son partculas no membranosas y funcio- nan como mesas de trabajo sobre las cuales las protenas de las clulas se elaboran. No obstante que los ribosomas de las clulas procariotas y eucariotas poseen dimensiones considera- bles (los procariotas son ms pequeos e incluyen muchos menos componentes), estas estructuras participan en el ensamblaje de protenas con un mecanismo similar en ambos tipos de clulas. La gura 1-11 muestra una micrografa electrnica con seudo- color de una porcin del extremo citoplsmico de un organismo eucariota unicelular. sta es una regin de la clula en la que los organelos limitados por membrana tienden a estar ausentes. 2 Ocho millones de pares de bases equivalen a una molcula de DNA de alrededor de 3 mm de largo. FIGURA 1-11 El citoplasma de una clula eucariota es un compartimiento saturado. Esta micrografa electrnica coloreada muestra una pequea regin cercana al borde de un organismo eucariota unicelular que se congel de manera instantnea para su anlisis micros- cpico. La apariencia tridimensional que se observa fue posible por medio de la captura de imgenes digitalizadas bidimensionales del espcimen en diferentes ngulos y la sobreposicin de ellas con una computadora. Los lamentos del citoesqueleto se muestran en rojo, los complejos macromoleculares (sobre todo ribosomas) en verde y las membranas celulares en azul. (Reimpresa con autorizacin de Ohad Medalia, et al., Science 298:1211, 2002, cortesa de Wolfgang Baumeister, Copyright 2002 American Association for the Advancement of Science.) 1.3 DOS CL ASE S DE C L UL AS F UNDAME NTAL ME NTE DIF E RE NTES 11 28. 12 Captulo 1 INTRODUCCIN AL ESTUDIO DE LA BIOL OGA CE L UL AR Y MOL E CUL AR La micrografa muestra lamentos individuales de citoesqueleto (rojo) y otros complejos macromoleculares grandes del citoplasma (verde).Casi todos estos complejos son ribosomas.Este tipo de imagen hace evidente que el citoplasma de una clula eucariota est lleno, lo cual deja poco espacio para la fase soluble del citoplasma, el citosol. Otras diferencias relevantes pueden reconocerse entre las clulas eucariotas y procariotas. Las primeras se dividen por un proceso complejo de mitosis, en el cual los cromosomas dupli- cados se condensan en estructuras compactas separadas por un sistema que contiene microtbulos (g.1-12).Este aparato,que se conoce como huso mittico, permite a cada clula hija recibir una cantidad equivalente de material gentico. En los procariotas no hay compactacin de los cromosomas ni huso mittico. El DNA se duplica y las dos copias se separan de manera sen- cilla y precisa por el desarrollo de una membrana celular entre las dos. La mayor parte de los procariotas corresponde a organismos asexuados, ya que slo contienen una copia de su nico cromosoma y carecen de procesos comparables a la meiosis, formacin de gametos o fecundacin verdadera. Aunque en los procariotas no hay una reproduccin sexual verdadera, algunos son capaces de tener conjugacin, en la cual un fragmento de DNA se transere de una clula a otra (g. 1-13). Sin embargo, la clula receptora casi nunca recibe un cromosoma completo de la clula donadora y el estado en el cual la clula receptora contiene su DNA y el de su compaera es transitorio, ya que la clula regresa pronto a su condicin de un solo cromosoma. Aunque los procariotas no suelen ser tan ecientes como los eucariotas en el intercambio de DNA con otros miembros de su propia especie,captan e incorporan cido desoxirribonucleico ajeno que se encuentra en el ambiente con ms frecuencia que los eucariotas, lo cual ha tenido considerable impacto en la evolucin microbiana (pg. 28). Las clulas de tipo eucariota poseen diversos mecanismos de locomocin compleja,mientras que los de los procariotas son relativamente sencillos. El movimiento de una clula procariota se lleva a cabo mediante un lamento delgado de protena llamado agelo, el cual sobresale de una clula y es capaz de girar (g.1-14a).La rotacin del agelo ejerce presin contra el lqui- do circundante y da lugar a que la clu