biologia celular y molecular - gerald karp

1. C A P I T - U L O 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 1-1 Descubrimiento de las clulas 1-2 Propiedadesbsicas de las clulas 1-3 Dos tipos fundamentalmente diferentes de clulas 1-4 Virus La perspectiva humana: Bsqueda de una vacuna contra el SIDA La va experimental: Friones: solucin de un enigma mdico Las clulas, y las estructuras que las forman, son demasiado pequeas para verlas, escucharlas o tocarlas directamente. Pero a pesar de este tremendo inconveniente, las clulas son tema de miles de publicaciones cada ao, y prcticamente se han investigado todos los aspectos de su minscula estructura. De muchas maneras, el estudio de la biologa celular constituye un tributoa la curiosidad humana en su aspiracin de realizardescubrimientos, y a la inte- ligencia creativa del ser humano para disear loscomplejos instrumentos y las elaboradas tcnicas mediante las cuales se pueden efectuar esos descubrimientos. Esto no significa que los bilogoscelulares sean los nicos dotados con estos nobles rasgos. En un extremo del espectro cientfico los as- trnomos estudian objetos en la orilla ms alejada del universo con propiedades muy diferentes a las que se encuentran sobre la tierra. Y en el otro extremo del espectro, los fsicos nucleares dirigen su atencinsobre partculasde dimensiones subatmicas que tienen igualmente propiedades inconcebibles.Es muy claro, por lo tanto, que nuestro universo contiene mundos dentro de otros mundos, y el estudio de todos sus aspectos es fascinante.En este sentido, la finalidad ms aparente de este texto es generar entre sus lectores el inters por las clulas y por su estudio. 1-1 Descubrimiento de las clulas FIGURA 1-A. Micrografa electrnica de exploracin de agregados celulares del moho del fango Dictyostelium discoideum en el proceso defor- macin de corpsculos fructificantes. (Cortesa de Mark Grimson, Texas Tech. University.) No se sabecundo el ser humano descubri por primera vez la notable propiedad de una superficiecurva de vidrio para inclinar la luz y formar imgenes. Losanteojos sefabricaron por primera vez en Europaen el siglo XIII y el primer microscopio compuesto (de dos lentes) fue construido a fines del siglo XVI. A mediados del siglo XVII un puado de cientficos pioneros haba utilizadosus microscopios caseros para descubrir un mundo que nunca se haba revelado al ojodesnu- do. El descubrimientode las clulas (fig. 1-1) generalmente se acreditaa RobertHooke, microscopista ingls quien a los

2. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de a celular 27aos de edad fue premiado con el puesto de Guardin de la Royal Society, la academia cientfica ms antigua de In- glaterra. Una de las muchas cuestiones que Hooke intent responder fue:por qu los tapones hechos de corcho(una parte del rbol de alcornoque) eran tan adecuados para retener aire dentro de una botella? En sus propias palabras: "tom un buen pedazo de corcho limpio y con un cuchillo tan bien afilado como una navaja de rasurar lo cort en pe- dazos y .. .luego lo examin con el microscopio. Me pareci percibir que tena una apariencia porosa... muy parecida a un panal de abejas". Hooke llam a los poros celdillas debido a que le recordaban las celdas habitadas por los monjes que vivan en un monasterio. En realidad, Hooke haba obser- vado las paredes vacas de un tejido vegetal muerto, paredes que originalmente fueron producidas por las clulas vivas que as rodeaban. Entre tanto, Antn van Leeuwenhoek, un holands que se ganaba la vida vendiendo telas y botones, ocupaba sus ratos de ocio tallando lentes y construyendo microscopios de notable calidad. Durante 50 aos, Leeuwenhoek envi cartas a la Royal Society de Londres describiendo sus observaciones microscpicas, junto con un vago discurso acerca de sus hbitos cotidianos y su estado de salud. Leeuwen- hoek fue el primero en examinar una gota de agua del es- tanque y observar sorprendido la abundante cantidad de "animalillos" microscpicos que iban y venan ante sus ojos. Tambin fue el primero en describir las diferentes formas de bacterias que obtuvo de agua en la cual haba remojado pimienta y tambin material raspado de sus propios dientes. Sus primeras cartas a la Royal Society describiendo este mundo previamente jams visto despertaron tal escepticis- mo que la Sociedad despach a su Guardin, RobertHooke, para confirmar las observaciones.Hooke hizo el viaje y pronto Leeuwenhoek fue una celebridad mundial, y recibi la visita en Holanda de Pedro el Grande de Rusia y de la reina de Inglaterra. No fue sino hasta el decenio de 1830 que se comprob la gran importancia de las clulas. En 1838, Matthias Schleiden, abogado alemn convertido en botnico,conclu- y que a pesar de diferencias en la estructura de diferentes tipos, las plantas estaban constituidas de clulas y que el embrin de la planta tuvo su origen en una sola clula. En 1839, Theodor Schwann, zologo alemn y colega de Schlei- den, public un trabajo muy completo acerca de las bases celulares de la vida animal.Schwann concluy que las clulas de las plantas y los animaleseran estructuras semejantes y propuso el primero de los dos dogmas de la teora celular: Todos los organismos estn compuestos de una o ms clulas La clula es la unidad estructural de la vida. Las ideas de Schleiden y de Schwann acerca del origen de las clulas fueron menos profundas; ambos concluyeron que las clulas podran originarse de materiales no celulares. Dada la posicin prominente que estos dos investigadores tenan en el mundo cientfico, tuvieronque pasar muchos aos antes que las observaciones de otros bilogos fueran aceptadas como demostracin de que las clulas no se originan de esa manera y que ios organismos tampoco se producen por generacin espontnea. Para 1855, Rudolf Virchow, patlogo alemn, propuso una hiptesis convin- cente para'el tercer dogma de la teora celular: Lasclulas slo pueden originarse por divisin de una clula preexistente. 1-2 Propiedades bsicas de las clulas FIGURA 1-1 Descubrimiento de las clulas. Microscopio em- pleado por Robert Hooke, con lmpara y condensador para iluminar el objeto. (Recuadro) Dibujo hecho por Hooke de un corte delgado de corcho que muestra una red de "celdillas" semejante a un panal de abejas. (De Granger Collection; recuadro del archivo Bettmann.) As como las plantasy los animales son seres vivos, tambin lo son las clulas. De hecho, la vida es la propiedad funda- mental de las clulasy ellas son las unidades ms pequeas que muestran esta propiedad. A diferencia de las partes de una clula, que simplemente se deterioran cuando seaislan, las clulas pueden ser extradas de una planta o de un animal y cultivar en el laboratorio,donde crecen y se reprodu- cen durantetiempo prolongado. Elprimer cultivo de clulas 3. CAPITULO 1 Introduccin a! estudio de la biologa celular 3 humanas fue iniciado por George Cey, de la Universidad Johns Hopkins, en 1951. Seemplearon clulas obtenidas de un tumor maligno denominadas clulas HeLa, por su donador Henrietta Lacks. Las clulas HeLa, descendientes por divisin celular de la primera clula muestra, todava se desarrollan en la actualidad en laboratorios alrededor del mundo (fig. 1-2). Debido a que son mucho ms fciles de estudiar que las clulas situadas dentro del cuerpo, las clulas cultivadas in vitro (en cultivo fuera del cuerpo) se han convertido en una herramienta esencial de la biologa celular y molecular. En realidad, gran parte de la informacin que analizaremos en este libro se obtuvo utilizando clulas desarrolladas en cultivos de laboratorio. Iniciaremos nuestra exploracin de las clulas exami- nando algunas de sus propiedades ms fundamentales. Las clulas muestran complejidad y organizacin elevadas La complejidad es una propiedad evidente pero difcil de describir. En este momento podemos pensar en la complejidad en trminos de orden y regularidad. Cuanto ms compleja sea una estructura, mayor el nmero de partes que deben estar en posicin apropiada, menor la tolerancia de errores en la naturaleza e interaccin de las partes, y mayor la regulacin o control que se debe ejercer para conservar el sistema. A lo largo de este libro tendremos ocasin de considerar la complejidad de la vida a diferentes niveles. Ana- lizaremos la organizacin de los tomos en molculas de tamao pequeo, la organizacin de estas molculas en polmeros gigantes y la organizacin de diferentestipos de molculas polimricas en complejos que a su vez se organizan en organelos subceluiaresy finalmente en clulas.Como se ver, hay una gran regularidad en cada nivel. Cada tipo de clulatiene apariencia consistente en el microscopioelec- trnico; o sea, sus organelos tienen forma y situacin particular en cada individuo de una especie y de una especie a otra. De manera similar, cada tipo de organelo tienecompo- sicin concordante de macromolculas, las cuales estn dis- puestas en un patrn predecible. Consideremos las clulas que revisten el intestino encargadas de eliminar nutrientes del conducto digestivo (fig.1-3). Se puede predecir que los extremos apicales de las clulas que revisten el conducto intestinal poseen largas prolongaciones (microvellosidades) para facilitar la absorcin de nutrientes, en tanto que sus extremos bsales contienen un gran nmero de mitocondrias que suministran laenerga necesaria como combustible para los diferentes procesos de transporte a travs de las membranas. Las microvellosidades pueden prolongarse hacia afuera de la superficieapical de la clula debido a que contienen un esqueleto interno de filamentos, que a su vez estn compuestos de la protena acuna dispuesta en forma regular de doble hlice. Cada mitocondria est compuesta por un patrn caracterstico de membranas internas, que por su parte constan de una disposicin regular de protenas, incluyendo enzimas sintetizadoras de ATP pro- yectadas desde la membrana interna como una pelota sobre una varilla. Cada uno de estos diferentes niveles de organizacin se ilustra en la serie de recuadros de la figura 1-3. FIGUllA 1-2.Clulas HeLa, como las representadas aqu, fueron las primeras clulas humanas conservadas en cultivo durante largos periodos y que todava se encuentran en uso en la actualidad. A diferencia de las clulas normales, que tienen un periodo de vida finito en cultivo, las clulas (como las HeLa) derivadas de tumores cancerosos pueden vivir indefinidamente en cultivo en tanto las condiciones sean favorables para apoyar su crecimiento y divisin. (Nana/ Kedersha/Photo Researchers.) Afortunadamente para la clula y los bilogos moleculares, la evolucin tiende a moverse ms bien lentamente hacia los niveles de organizacin biolgica con los cuales debemos tratar. Por ejemplo, aunque un ser humano y un gato tienen caractersticas anatmicas muy diferentes, las clulas que forman sus tejidos y los organelos que constituyen sus clulas son muy similares. El filamento de actina mostrado en la figura 1-3, recuadro 3, y la enzima sintetiza- dora de ATP del recuadro 6 son prcticamente idnticos a las estructuras similares que se observan en organismos tan diversos como levaduras, pjarosy rboles de pino rojo. La informacin obtenidapor elestudio de lasclulas de un tipo de organismo casi siempre tiene aplicacindirecta en otras formas de vida. Muchos de los procesos ms bsicos, como la sntesis de protenas, la conservacin de la energa qumica, o la construccinde una membrana, son notablemente similares en todos los organismos vivos. Las clulas poseen un programa gentico y los recursos para aplicarlo Los organismos se generan a partir de la informacin co- dificada en un conjunto de genes. El programa gentico humano contiene suficiente informacin, si se convirtiera a palabras, para llenar millones de pginas de texto. Lo ms sorprendente es que esta vasta cantidad de informacinse encuentra empacada en un conjunto de cromosomas que 4. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 10 un 0.3 um , Niveles de organizacin celular y molecular. Las fotografas de brillantes colores de un corte teido muestran la estructura microscpica de una vellosidad de la pared del intestino delgado segn se observa con el microscopio ce luz. El recuadro 1 muestra una micrografa electrnica de la capa epitelial de clulas que revisten la pared interna del intestino. La superficie apical de cada clula, que mira hacia el conducto intestinal, contiene numerosas microvellosidades que participan en la absorcin de nutrientes. La regin basal de cada clula contiene un gran nmero de mitocondrias donde la clula dispone de energa. El recuadro 2 muestra la regin apical de las microvellosidades; se puede observar que cada microvellosidad contiene un haz de microflamentos. El recuadro 3 muestra la doble fila de molculas de protena actina que constituyen cada filamento. En el recuadro 4 se muestra una mitocondria individual similar a las observadas en la regin basal de las clulas epiteliales; el recuadro 5 muestra una parte de la membrana interna de la mitocondria, incluyendo partculas pediculadas (flecha de arriba) que se prolongan a partir de la membrana (flecha de abajo) y corresponden a los sitios donde se sintetiza ATP; el recuadro 6 muestra un modelo molecular del aparato sintetizador de ATP que se analiza en mayor extensin en el captulo 5. (Micrografa de luz, Ced Fox/Photo Researchers; recuadro I cortesa de Shakti P. Kapur, Georgetown University Medical Center; recuadro 2 cortesa de Mark S. Mooseker y Lewis G. Tney, J. Cell Biol. 67:729,1975, con permisode 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 Pemandez-Moran; recuadro 6 cortesa de Roderick A. Capaldi.) 5. ocupa el espacio de un ncleo celular, miles de veces ms pequeo que el punto sobre esta letra i. Los genes son algo ms que gavetas para almacenar informacin: constituyenlasplantillas paraconstruirestruc- turas celulares, y contienen instrucciones para poner en marcha las actividades de la clula y el programa para reproducirse a s mismos. Descubrirlos mecanismos mediante los cuales las clulas emplean su informacingentica para efectuar estas funciones es uno de los ms grandes ogros de la ciencia en los ltimos aos. Las clulas tienen capacidad para reproducirse a s mismas As como se generan nuevos individuos por reproduccin, lo mismo ocurre con las clulasnuevas. Las clulas se producen por divisin, proceso en el cual el contenido de una clula "madre" se distribuye entre dos clulas "hijas". Antes de la divisin, el material gentico se duplica con toda fide- lidad y cada clula hija recibe una dotacin completa eigual de informacin gentica. En la mayor parte de los casos, las dos clulas hijas producidas durante la divisin poseen aproximadamente el mismo volumen. Sin embargo, en algunos casos, como ocurre durante la divisin del oocito humano, una de las clulas puede retener casi todo el citoplasma aunque reciba slo la mitad del material gentico (fig. 1-4). Las clulas captan y consumen energa El desarrolloy la operacin de funciones complejas requiere el ingreso continuo de energa (fig. 1-5). Prcticamentetoda la energa que requiere la vida del planeta proviene en ltimo trmino de la radiacin electromagntica del sol. Los pigmentos que absorben luz presentes en lasmembranas de clulas fotosintticas atrapan la energa de la luz. La energa lumnica se convierte por fotosntesis en energa qumica almacenada en carbohidratos ricos en energa, como la sucrosa o el almidn. La energa atrapada en estas molculas durante la fotosntesis suministra elcombustible que sirve para poner en marcha casi todas las actividades de los organismos sobre la tierra. A la mayor parte de las clulas animales la energa les llega ya empaquetada, por lo general en forma del azcar glucosa. En el ser humano, el hgado libera glucosa a la sangre y este azcar circula a travs del cuerpo suministrando energa qumica a todas las clulas. Una vez dentro de la clula, la glucosa se descompone en tal forma que su contenido energtico se puede almacenar en una forma rpidamente disponible (deordinario como ATP), que posteriormente se emplea para poner en marcha las mltiples actividades que requieren energa dentro de la clula. Las clulas efectan variadas reacciones qumicas Las clulas funcionan como plantas qumicas en miniatu- ra. Incluso la clula bacteriana ms sencilla es capaz de 20;im FIGURA I -4. Reproduccin celular. Este huevo de mamfero sufri recientemente una divisin celular bastante desigual en la cual la mayor parte del citoplasma qued retenida dentro del huevo grande, en tanto que la otra clula slo consta casi exclusivamente de material nuclear en su totalidad (indicado por los cromosomas teidos de azul). (Cortesa de Jonathan van Blerkom.) efectuar cientos de diferentes transformaciones qumicas, ninguna de las cuales ocurre a una tasa significativa en el mundo inanimado. Prcticamente todos los cambios qu- micos que ocurren en las clulas requieren enzimas: molculas que incrementan mucho la velocidad de una reaccin qumica. La suma total de las reacciones qumicas que ocurren dentro de una clula representa el metabolismo celular. Las clulas participan en numerosas actividades mecnicas Las clulas son sitios de actividad infatigable. Los materiales son transportados de un sitio a otro, se sintetizan y des- componen con rapidez algunas estructuras, y en muchos casos toda la clula se desplaza de un lugar a otro (fig.1-6). Estas diferentes actividades dependen de cambios mecni- cos dinmicos que ocurren en el interior de la clula, la FIGURA 1-5. Captacin de energa. Una clula viva del alga filamentosa Spirogyra. El cloroplasto en forma de listn que se observa en zig-zag a travs de la clula es el sitio donde se captura la energa de la luz solar y se convierte en energa qumica durante la fotosntesis. (M.L Walker/Photo Researchers, Inc.) 6. 6 CAPITULO 1 introduccin a!estudio de la biologa celular mayor parte iniciados por alteraciones en la forma de ciertas protenas "motoras". Las clulas tienen capacidad para responder a los estmulos Algunas clulaspresentan respuestas obviasa losestmulos; por ejemplo, una clula ciliada nica se aparta de un objeto situado en su camino o se desplaza hacia una fuente de nutrientes. Las clulas dentro de una planta o animal multicelular responden a osestmulos en forma menosevi- dente, pero de todas maneras responden. La mayor parte de las clulas estn cubiertas con receptores que interactan con las sustancias del medio de manera muy especfica. Las clulas poseen receptores a hormonas, factores decrecimien- to, materiales extracelulares y tambin sustancias situadas en la superficie de otras clulas.Losreceptores de una clula constituyen una puerta de entrada a travs de la cual los agentes externos pueden generar respuestas especficas. A veces las clulasresponden a un estmulo especfico alteran- do sus actividadesmetablicas, preparndose para la divisin celular, desplazndose de un lugar a otro o incluso "suicidndose". Las clulas tienen capacidad de autorregulacin Adems de sus necesidades energticas para mantener un estado complejoordenado se requiere regulacin continua. Igual que en el cuerpo ntegro, dentro de cada clula viva operan muchos mecanismos de control diferentes. La importancia de losmecanismos reguladoresde la clulaes ms evidente cuando fallan. Por ejemplo, la insuficiencia de la clula para corregir un errorcuando duplica su DNA puede FIGURA 1-6. Locomocin celular. Este fibroblasto (tipo de clula do tejido conectivo) fue sorprendido en el acto de desplazarse sobre la superficie de una caja de cultivo. ! 3 clula est teida con anticuerpos fluorescentes para revelar la distribucin de !os filamentos de actina y los microtbulos (cap. 9). El bord redondeado de la clula va por delante; los agrupamientos de filamentos de actina en el borde delantero son sitios donde se genera la fuerza del movimiento. (Cor- tesa de . Vctor Small.) Autorregulacin. El diagrama de la izquierda muestra el desarrollo normal de un erizo de mar en el cual un huevo fertilizado da lugar a un solo embrin. El esquema de la derecha muestra un experimento en el cual se separan entre s las clulas de un embrin despus de la primera divisin y se permite que cada clula se desarrolle por su cuenta. En vez de desarrollarse en la mitad de un embrin como ocurrira si no se le hubiera alterado, cada clula aislada reconoce la ausencia de su vecino y regula su desarrollo para formar un embrin completo (aunque ms pequeo). producir una mutacinnociva o trastornosen el control del crecimiento celular que pueden transformar a la clula en una clula cancerosa con capacidad para destruir a todo el organismo. Poco a poco hemos aprendido cada vez ms acerca de cmo la clula controla' sus actividades, pero an queda mucho ms por descubrir. Consideremos elsiguiente experimento efectuado en 1891 por el embrilogo alemn Hans Driesch, quien observ que poda separar por comple- to las primeras dos o cuatro clulas del embrin de un erizo de mar y cada una de las clulas aisladas prosegua su desarrollo hasta convertirse en embriones normales (fig. 1-7). Cmo puede una clula normalmente destinada slo afor- mar parte de un embrin regular sus propias actividades y formar otro embrin entero? Cmo puede la clula aislada reconocer la ausencia de sus clulas vecinas y de qu manera este hecho puede reorientar el curso del desarrollo celular? Cmo puede la parte de un embrin adquirir el sentido de totalidad? Enla actualidad no estamos en mejorposicin para responder estas preguntas, planteadas hace ms de 200 aos cuando se efectu el experimento. A lo largo de este libro analizaremos procesos que requieren una serie de pasos ordenados, muy semejantes a la lnea de ensamblado para construir automviles en la cual 7. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 7 FIGURA 1-8. Las actividades de la clula con frecuencia son anlogas a esta mquina de Rube Goldberg, en la cual un paso "automti- co" dispara el siguiente paso en una reaccin secuencia!. La figura 15-27 suministra un buen ejemplo de este concepto. (Reimpreso conpermiso especial de King Fentures Syndicate.) Mquina exprimidera para jugo de naranja E! profesor Butts cay por el foso abierto de un elevador y cuando lleg tierra abajo slo encontr una mquina para exprimir naranjas, El lechero toma la botella de leche vaca (A) y tira de la cuerda (B), lo que provoca que la espada (C) corte la cuerda (D). Esto permite que la hoja de la guillotina (E) caiga y corte la soga (F),que libera el ariete de tronco (G).El ariete golpea la puerta abierta (H) y la cierra.La hoz (I) corta la naranja |J), y al mismo tiempo la espina (K) hiere al "halcn-ciruelero" (L). Este abre la boca gritando de dolor y por lo tanto suelta la ciruela y permite que el zapato (M) caiga y se zambulla sobre la cabeza de un pulpo (N). El pulpo despierta iracundo y ve la cara del buzo dibujadasobre la naranja, la ataca y la oprime con sus tentculos, de esta manera el jugo de la naranja cae al vaso (O). Posteriormente el tronco puede emplearse para construir una cabana en donde puede desarrollarse su hijo, quien podr ser presidente corno Abraham Lincoln. los trabajadores aaden, quitan o hacen ajustesespecficos conforme el automvilse mueve a lo largo de la lnea. En la clula, la plantilla para elaborar productos se encuentra en los cidos nucleicos y los trabajadores que los construyen son principalmente protenas. La presencia de estos dos tipos de macromolculas, ms que cualquier otro factor, con- fiere a la qumica de la clula sus caractersticas distintivas nicas diferentesdel mundo no vivo, En la clula, lostraba- jadores deben actuar sin !a ventaja de un control externo. Cada paso del proceso debe ocurrir de manera espontnea y en forma tal que el siguiente paso se inicie automticamente. Toda la informacin para dirigir una actividad particular, sea la sntesis de una protena, la secrecin de una hormona o la contraccin de una fibra muscular, ya debe estar presente dentro del propio sistema. En gran medida, las funciones de una clula operan de manera anloga al artefacto inven- tado por el profesor Butts para exprimir naranjas que se muestra en la figura1-8. 1-3 Dos tipos fundamentalmente diferentes de clulas Cuando el microscopioelectrnicoestuvo disponible en casi todo el mundo, los bilogos pudieron examinarlaestructu- ra interna de una gran variedad de clulas. Estos estudios revelaron que hay dos tipos bsicos de clulas, procariotas y eucariotas, que pueden distinguirse por su tamao y el tipo de sus estructuras internas u organelos que contienen (fig. 1-9). La existencia de dos tipos distintos de clulas, sin intermediarios conocidos, representa una de las ms fundamentales brechas de discontinuidad en la evolucin del mundo biolgico. Las clulas procariotas, estructuralmente ms simples, slo se encuentran entre las bacterias y recprocamente todas las bacterias constan de clulas procariotas. Todos los otros tipos de organismos: protstas, hongos, plantas y animales, constan estructuralmente de clulas eucariotas ms complejas. Las clulas procariotas vivas en la actualidad son notablemente semejantes a las clulas fosilizadas que se encuentran en rocas desde Austra- lia hasta Sudfrica y que datan de hace ms de 3 500millo- nes de aos (fig. 1-10). En realidad, se piensa que las clulas procariotas fueron los nicos seres vivos sobre el planeta durante casi 2 000millones de aos antes de la aparicin de los primeros eucariotes. Caractersticas que distinguen a las clulas procariotas y a las eucariotas La siguiente comparacin breve entre clulas eucariotas y procariotas revela muchas diferencias bsicas, pero tambin similitudes (fig.1-9). Las similitudes reflejan el hecho de que las clulas eucariotas casi con certeza evolucionaron 8. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular Ribosomas DNAde nucletido Membrana plasmtica Pared celular Cpsula FIGURA 1-9. La estructura de la clula. Diagramasesquemti- cos de una bacteria "generalizada" (a), vegetal (b) y animal fe). Ntese que los organelos no estn dibujados a escala. (a) Cubierta del ncleo Ncleo Nucleoplasma Nuclolo Retculo endoplsmco rugoso Pared celular- Membrana plasmtica Plasmodesma Mtocndra Ribosomas Vescula Citosol Cloroplasto Retculo endoplsmico Peroxisoma Complejo de Golgi -Vacuola Microtbulos (b) 9. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 9 Ribosomas Mitocondria Complejo de Golgi Lisosoma Retculo endoplsmico rugoso Microflamentos Membrana plasmtica Citosol , >^ ;* ".*. )J ! Cubierta nuclear Nucleoplasma Nuclolo Retculo endoplsmico rugoso Peroxisoma Centrolo Microtbulo Vescula Ncleo fe) FIGURA 1-9. Continuacin. a partir de ancestrosprocariotes. Debido a su linaje comn, ambos tiposde clulas comparten un lenguaje genticoidn- tico, un conjunto comn de vas metablicas y muchos rasgos estructurales comunes. Por ejemplo, ambos tipos de c- lulas estn rodeadas por una membrana plasmtica de estructura similar que sirve como barrera selectivamente permeable entre ios mundos vivo y no vivo. Ambos tipos FIGURA 1-10. La forma de vida ms antigua sobre el planeta. Molde de una cianobacteria filamentosa de 3 500millones de aos de edad tomada en e oeste de Australia. (Cortesa de SM. Awramik.) de clulas pueden rodearse de una pared celular rgida, no viva, que protege la delicada forma de vida de su interior. Aunque las paredes celulares de los procariotes y los eucariotes pueden tener funciones semejantes, su composicin qumica es muy diferente. Internamente, las clulas eucariotas son mucho ms complejas, tantoestructural como funcionalmente, en comparacin conlas clulas procariotas (fig.1-9). Ambas contienen una regin nuclear que alberga el material gentico de la clula, rodeada de citoplasma. Elmaterial gentico de una clula procariota se encuentra en un nucleoide, regin de la clula mal demarcada que carece de membrana limi- tante para separarla del citoplasma que la rodea. Por lo contrario, las clulas eucariotas poseen un ncleo, una regin rodeada por una estructura membranosa compleja denominada cubierta nuclear. Esta diferenciaen la estructura del ncleo es la base de lostrminos procariote (pro, antes; carian,ncleo) y encate (eu, verdadero; carian,ncleo).Las clulas procariotas contienen cantidades relativamentepe- queas de DNA: la longitud total del DNA de una bacteria oscila entre 0.25 mm y casi 3 mm, cantidad suficiente para codificar unos pocos miles de protenas. Aunque lasclulas eucariotas ms simples slo poseen un poco ms de DNA (4.6 mm en las levaduras)que los procariotes ms complejos, la mayor parte de las clulas eucariotas (incluso las de microorganismos eucariotes) contienen varios rdenes de magnitud ms de informacin gentica. Ambos tipos de clulas poseen cromosomas dentro del DNA, pero numerosos cromosomas de una clula eucarota constan de fibras s 10. 10 CAPITULO 1 FIGURA ] -1 1. Estructura de una clula eucariota. Laestructura interna vara mucho de un tipo de clula a otro. Esta clula epitelial particular reviste una. parte del conducto reproductivo mascu- lino de las ratas. En los diagramas que rodean a la figura se muestran e indican algunos organelos diferentes. (Microgmffa electrnica por David Phillips/Visnals Unlimited.) Retculo endopsmico rugoso 2um 11. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 11 que contienen DNA y protena, en tanto que el cromosoma nico de una clula procariota prcticamente slo contiene DNA "desnudo". El citoplasma de los dos tipos de clulas tambin es muy diferente.El citopolasma de una clula eucariota contiene una gran diversidad de estructuras, como puede ob- servarse con facilidad por el examen ms superficial de una micrografa electrnica de casi cualquier clula eucariota (fig. 1-11). Loms notable es que las clulas eucariotas contienen un arreglo de organelos membranosos cubiertospor membranas. Por ejemplo, en condiciones tpicas, las clulas animales y las vegetales contienen mitocondrias, donde se encuentra disponible la energa qumica para abastecer de combustible a todas las actividades celulares; un retculo endoplsmico, donde se elaboran la mayor parte de los lpidos y protenas de las clulas; complejos Golgi, donde los materiales se clasifican, modifican y envan a su destino celular especfico; y una gran variedad de vesculas simples de dimensiones variables envueltas por membranas. Las clulas vegetales contienen organelos membranosos adicionales, incluyendo cloroplastos, que son sitios de la fotosntesis y con frecuencia una sola vacuola grande que a veces ocupa la mayor parte del volumen celular. Consideradas en conjunto, las membranas de la clula eucariota sirven para dividir el citoplasma en compartimientos dentro de loscuales pueden efectuarseactividades especializadas. Por lo contrario, el citoplasma de las clulas procariotas est prcticamente desprovisto de estructuras membranosas. Las excepciones a esta generalizacin incluyen a losmesosomas, derivados de pliegues simples de la membrana plasmtica (fig. 1-9), y las membranas fotosintticas complejas de las cianobacterias (fig.1-15). Las membranas citoplsmicas de las clulas eucariotas forman un sistema de conductos y vesculas interconectadas cuya funcin es dirigir el transporte de sustancias de una parte a otra de la clula y tambin entre el interior de la clula y su entorno. Debido a su pequeo tamao, la comu- nicacin intracitoplsmica dirigida tiene menor importancia en las clulas procariotas, donde los movimientos necesarios de materiales se pueden efectuar por simple difusin. Las clulas eucariotas tambin contienen numerosas estructuras que carecen de membrana. En este grupo se incluyen los tbulos alargados y filamentos del citoesque- leto que participan en la contractilidad y los movimientos de la clula, y tambin sirven como apoyo. Las clulas procariotas en general carecen de estructuras comparables. Sinembargo, tanto las clulas eucariotas como las procariotas poseen ribosomas que son partculas no membranosas que funcionan como "mesas de trabajo" sobre las cuales se elaboran las protenas celulares. Aunque los ribosomas de las clulas procariotas y eucariotas tienen dimensiones considerablemente diferentes (losribosomas de losprocariotes son ms pequeos y contienen menor nmero de elementos), estos organelos participan en el ensamblado de protenas mediante un mecanismo similar en ambos tipos de c- lulas. Se pueden observar otras diferenciasimportantes entre las clulas eucariotas y las procariotas. Las clulas eucariotas se dividen por un complicado proceso de mitosis en el cual los cromosomas duplicados se condensan enestructu- ras compactas y son separados por un elaborado aparato que contiene microtbulos (fig. 1-12). En los procariotes, el cromosoma no se condensa y tampoco hay aparato fusifor- me. El DNA se duplica y las dos copias simplemente se separan por el crecimiento de una membrana celular inter- puesta. Este mecanismo de divisin ms simple permite a las clulas procariotas proliferar a una velocidad mucho ms rpida que las clulas eucariotas; una poblacin de bacterias bien alimentada puede duplicar su nmero cada 20 a 40 minutos. Losprocariotesen su mayor parteson microorganismos asexuados. Slo contienen una copia de su nico cromosoma y no cuentan con ningn proceso comparable a la meio- sis, formacin de gameto o verdadera fertilizacin. Aunque no hay verdadera reproduccin sexual entre los procariotes, algunos son capaces de conjugacin, en la cual un fragmento de DNA pasa de una clula a otra (fig. 1-13). Sin embargo, la clula receptora casi nunca recibe un cromosoma completo del donador y la situacin en la cual la clula receptora contiene tanto su propio DNA como el de su pareja es fugaz. La clula pronto vuelve a la situacin en la cual posee un solo cromosoma. Aunque las clulas eucariotas poseen gran variedad de complejos mecanismos locomotores, los correspondientes a los procariotes son muy simples. Elmovimiento de una c- lula procariota se puede efectuar mediante un delgado filamento protenico denominadoflagelo,que sobresale de la clula y posee movimientos de rotacin (fig. 1-14, a). Los giros del flagelo ejercen presin contra el lquido que lo rodea y como resultado laclula avanza hacia adelante. Cier- tas clulas eucariotas, incluyendo muchos protistas y clulas espermticas, tambin poseen flagelos, pero la versin eucariota es mucho ms complicada que el simple filamento - La divisin celular en los eucariotes requiere el ensamblado de un aparato especializado separador de cromosomas denominado huso mittico, construidoprincipalmentede microtbulos cilindricos. En esta micrografa los microtbulos aparecen de color verde debido a que se unen especficamente a un anticuerpo relacio- nado con un colorante verde fluorescente. Los cromosomas,- que casi estaban separados en dos clulashijas cuando se fij esta clula, estn teidos de azul. (Cortesa de Conhj L Rieder.) 12. 12 CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular ,* 1 pm FIGURA 1-13. Conjugacin bacteriana. Micrografaelectrnica que muestra bacterias "macho" y "hembra" unidas por una estructura procedente de la clula macho, denominada Fpilus, a travs de la cual le pasa DNA a la hembra. (Cortesa de Charles C. Brinton.) protenico de la bacteria y emplea mecanismos diferentes para generar movimiento (fig.1-14, b). En los prrafos precedentes se mencionaron muchas de las diferencias ms importantes entre los nivelesprocariota y eucariota de organizacin celular. En los siguientescaptu- los ampliaremos muchos de esos puntos. Antes de calificar a los procariotes como "inferiores" hay que recordar que estos microorganismos han permanecido sobre la tierra durante ms de 3 000millones de aos, y en este mismo ins- tante millones de ellos se estn adhiriendo a la superficie externa de nuestro propio cuerpo y compartiendo los nutrientes en nuestro conducto digestivo. Tambin debemos considerar que metablicamente los procariotes son microorganismos muy especializados. Por ejemplo, una bacteria como Escherichia coli, habitante comn del conducto digestivo del ser humano y de las placas de cultivoen loslaborato- fo) l/im 30 nm 0.5 um FIGURA 1-14. Diferencia entre flagelados procariotas y eucariotas. a) La bacteria Salmonella con sus numerosos flagelos. Elrecuadro muestra una vista muy amplificada de una parte del flagelo bacteriano nico, que consta principalmentede una sola protena denominada flagelina. b) Cada uno de estos espermatozoides humanos est provisto de movimientos ondulatoriosefectuados con un solo flagelo. El recuadro muestra una seccin transversal del flagelo de un esper- matozoide que revela una estructura compleja que consta de cientos de protenasdiferentes, (a:Segn Bernard R. Gerber, Lewis M. Routledge y Shiro Takashima, J. Mol. Biol. 71:322, 1972,copyright: Academia Press, Inc.; recuadro cortesa de Julius Adler y M.L. DePamphilis; b: micrografia cortesa de David M.. Phillips/Visuals Unlimited, recuadro cortesa de Don W. Fawcett.) 13. rios, tiene la capacidad de vivir y prosperar en un medio que slo contiene alguna fuente de carbono y nitrgeno y unos cuantos iones inorgnicos. Estas clulas bacterianas contienen todas las enzimas necesarias para convertir uno o dos compuestos orgnicos de bajo peso molecular en cientos de sustancias que la clula debe contener. Otras bacterias son capaces de vivir con una "dieta" a base de puras sustancias inorgnicas. Por lo contrario, incluso las clulas metablicamente mejor dotadas de nuestro cuerpo requieren gran variedad de compuestos orgnicos, incluyendo numerosas vitaminas y otras sustancias esenciales que no pueden elaborar por s mismas. En realidad, muchos de estos ingredientes dietticos esenciales son producidos por bacterias que normalmente viven en el intestino grueso. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 13 resistieron los efectos destructivos de este gas, sino que en realidad dependan del mismo para extraer su energa qumica. Muchas cianobacterias son capaces no slo de la fotosntesis, sino tambin de fijar nitrgeno, o sea,convertir el gas nitrgeno (Ni), de otro modo intil, en formas redu- cidas de nitrgeno (como el amonio, NHs) que las clulas pueden emplear para sintetizar compuestos orgnicos que contienen nitrgeno, incluyendo aminocidos y nucletidos. Las especies con capacidad de fotosntesis y de fijar nitrgeno pueden sobrevivir con los recursos, ms simples, como luz, N2,COo y H2. Por lo tanto, no es sorprendente Tipos de clulas procariotas Segn los esquemas actuales de clasificacin, los procariotes se dividen en dos grupos principales o subreinos: las arqueobacterias y las eubacterias. Lasarqueobacterias incluyen tres grupos de bacterias primitivas cuyos vnculos evolutivos entre s se manifiestan por la similitud en la secuencia de nucletidos de sus cidos nucleicos. Las arqueobacterias vivas estn representadas por los metange- nos [bacterias capaces de convertir el C2 y el gas de 2 a gas metano (CH4)]; los halfilos (bacterias que viven en medios sumamente salinos, como el Mar Muerto o el Gran Lago Salado), y los termoacidfilos (bacterias que viven en manantiales calientes y muy cidos). Se piensa que las arqueobacterias incluyen a los parientes vivos ms cercanos de las primeras clulas que evolucionaron sobre la tierra. Todos los otros tipos de bacterias se clasifican en el subreino Eubacteria.Este subreino incluye la clula viva ms pequea, el micoplasma (0.2^01 de dimetro) que es tambin el nico procariote que carece de pared celular. Los procariotes ms complejos son las cianobacterias (anti- guamente conocidas como algas azul verdosas debido a la espuma verde azulosa que pueden formar en la superficie de lagos y estanques). La cianobacterias contienen arreglos muy elaborados de membranas citopsmicas que sirven como sitiospara la fotosntesis (fig. 1-15, a).Lasmembranas citopsmicas de las cianobacterias son muy similares a las membranas fotosintticas presentes en los cloroplastos de las clulas vegetales. Igual que las plantas y a diferencia de otras bacterias, en las cianobacterias la fotosntesis se efecta por desdo- blamiento de molculas de agua que libera oxgeno molecular. Antes de la evolucin de las cianobacterias, hace unos 3 000 millones de aos, la atmsfera terrestre estaba prcticamente desprovista de oxgeno y la vida sobre la tierra slo consista de procariotes independientes de oxgeno (anaerobios). Como se describe en el captulo 2, el oxgeno molecular puede ser una sustancia sumamente txica. Conforme las cianobacterias se convirtieron en la forma dominante de vida, llenaron las aguas y la atmsfera de la tierra con el mortfero C>2, que empuj a la mayor parte de los otros microorganismos procariotes hacia habitat anaerobios remotos. La presencia de 2 en laatmsfera seleccion nuevos tipos de microorganismos que no slo FIGURA 1-15. Cianobacteria. a) Micrografa electrnica de una cianobacteria que muestra la membrana ctoplsmica donde se efecta la fotosntesis. Estos apilamientos de membranas fotosintticas recuerdan los de las membranas tilacoides presentes dentro de cloroplastos de clulas vegetales, una caractersticaque apoya la hiptesis de que los cloroplastos evolucionaron a partir de cianobacterias simbiticas, b) Las cianobacterias que viven entre los pelos de los osos polares causan el color verdoso poco habitual de su pelaje, (a: Cortesa de C.C.Remsen, S.W. Watson, .B. Waterbury y H.S. Truper, en J. Bacteriol. 95:2374, 1968, b: cortesa de Zoological Society o/Sn. Diego.) 14. 14 CAPITULO 1 Introduccin al estudiode la biologa celular que las cianobacterias de ordinario sean los primeros microorganismos en colonizar las rocas desnudas desprovis- tas de formas vivas gracias a la ardiente lava de una erup- cin volcnica. En la figura 1-15, b, se lustra otro habitat poco comn ocupado por las cianobacterias. Tipos de clulas eucariotas: especializacin celular En muchos aspectos las clulas ms complejas no se encuentran en los grandes organismos vegetales o animales, sino ms bien en algunos de los microorganismos eucariotas ms pequeos, como los protozoarios ciliados que se muestran en la figura 1-16. Estas clulas son complejas debido a que una sola clula constituye un organismo unice- lular (de una sola clula) completo. Todos los mecanismos necesarios para las complejas actividades en las cuales participan estos microorganismos, como percibir el ambiente, procurarse alimento, excretar el exceso de lquido, evadir a los depredadores, deben alojarse en los confines de una sola clula. La formacin de microorganismos unicelulares muy complejos representa una va de la evolucin. Otra va alterna fue la evolucin de microorganismos multice- lulares en los cuales las diferentes actividades son efectua- das por diferentes tipos de clulasespecializadas. Algunas de las ventajas de la divisin del trabajo entre las clulasse puede apreciar si se examina el ciclo de vida de uno de los eucariotes ms simples, el moho celular del fango, Dz'cfyos- tlium. Durante la mayor parte de su ciclo de vida, las clulas del moho del limo existen como amibas solitarias independientes que se arrastran sobre su sustrato. Cada clula es un organismo completo autosuficiente (fig. 1-17, a).Sin embargo, cuando el suministro de alimento escasea, aparece un nuevo tipo de actividad entre las clulas y se renen para formar un agregado llamado seudoplasmodio, o simplemente babosa (fig. 1-17, b), que se desplaza lentamente sobre el sustrato dejando un rastro de "limo obaba".Los organismos simples previamente aislados son ahora pequeas partes de un individuo multicelularmucho mayor. Elexamen del interior de la babosa revela que las clulas ya no son una poblacin homognea. Ms bien, las clulas situadas en el tercio anterior de la babosa (llamadas clulas precursoras del tallo) se pueden distinguir de las situadas en la seccin posterior (llamadas clulas precursoras de esporas) mediante variados criterios (fig.1-17, b, recuadro). Si se espera un poco ms ocurren una serie de hechos espectaculares: el seudoplasmodio detiene su desplazamiento, gira sobre el sustrato (fig. 1-17, c)y luego se extiende hacia arriba, al aire, como elcuer- po de un fruto alargado (fig. 1-17, d). El cuerpo de este fruto est compuesto de un delgado tallo (derivado de las clulas precursoras del tallo) que apoya una masa redondeada de esporas encapsuladas latentes (derivados de clulas precursoras de esporas). Las clulas del tallo y de las esporastie- nen una funcin muy diferente que requiere diversos tipos de especializacin citoplsmica. Las clulas del tallo suministran apoyo mecnico para sostener la masa de esporas arriba del sustrato, en tanto que las clulas de esporas estn destinadas a "dispersarse en el viento" y transformarse en FIGURA 1-16. Vorticea, un protista complejociliado. Cierto n- mero de individuosse juntan; la mayora han perdido sus "cabezas" debido al acortamiento de la banda contrctil en el tallo. (Carolina Biological Supply Co./Phototike.) la siguiente generacin de amibas. El proceso mediante el cual una clula relativamente no especializada,como el moho amibiano del fango, se convierte en una clula altamente especializada, como las clulas del tallo o de las esporas, se denomina diferenciacin. Una clula amibiana del moho de! fango dispone de dos vas alternasde diferenciacin cuando entra en la etapa de agregacin. Por lo contrario, cuando el vulo de un ver- tebrado es fertilizado y avanza en su desarrolloembrionario tiene a su disposicincientos de posibles vas de diferenciacin. Algunas clulasseconviertenen parte de una glndula digestiva particular, otras en parte de un msculo esqueltico largo y otras en parte de un hueso (fig. 1-18). La va de diferenciacin que sigue cada clula embrionaria depende principalmente de las seales que recibe de su entorno, que a su vez dependen de la posicin de dicha clula dentro del embrin. Como resultado de la diferenciacin, distintos tipos de clulas adquierenun aspecto distintivo y contienen materia- 15. fa) FIGURA 1-17. Ciclo de vida de un moho del fango, a) Amibas que se van agregando por desplazamiento hacia un centro comn. (Cortesa re John Ti/Ser Bor.ncr.) b) Despus de la agregacin, las clulas forman una masa (o seudoplasmodio) que se desplaza sobre el sustrato dejando un rastro de "fango" en su camino. Las clulas del extremo delantero de la masa (que se convertirn en clulas del tallo) se pueden distinguir de las clulas del extremo posterior (que se convertirn en clulas esporas). Como se muestra en el recuadro, las clulas precursoras de las esporas del extremo posterior de la masa incorporan 3H-fucosa, un azcar marcado con istopos radiactivos que formarn parte de la cubierta de la espora, en tanto que las clulas precursoras del tallo carecen de esta actividad. La incorporacin de azcar radiactivo se manifiesta por la presencia de granos negros plateados sobre las clulas precursoras de esporas. (Cortesa de David Francis, recuadro por G. Karp.) c) La migracin de la masa cesa, se redondea y comienza a despren- derse del sustrato. Se observan las clulas que entraron a formar parte del tallo en el extremo superior. (Cortesa re Kennsth B. Rapa:) d) El frutal consiste en un tallo alargado que sostiene una masa de esporas en su extremo superior. Cada espora dar lugar a una amiba independiente que vuelve a iniciar el ciclo de vida. (Cortesa de ohn Tyler Bonner.) Clulas precursoras del tallo (d) les nicos. Las clulas del msculo esqueltico contienen una red de filamentos alineadoscon precisiny compuestos de protenas contrctiles peculiares; lasclulasdelcartlago se rodean de una matriz caractersticaque contiene polisa- cridos y la protena colgena, que juntossuministran apoyo mecnico; los eritrocitos se convierten en sacos de forma discoide llenos de una protena nica, !ahemoglobina, que transporta oxgeno,y assucesivamente. Sin embargo, a pesar de sus muchas diferencias, las diversas clulas de una planta o animal multicelular estn formadas de organelos similares. Por ejemplo,se encuentran mitocondriasen prcticamente todos los tipos de clulas. No obstante, en un tipo pueden ser redondas en tanto que en otro a veces adoptan forma fibrilar muy alargada. De manera similar, las mitocondrias de una clula pueden estar dispersas por todo e! citoplasma, en tanto que en otra las clulas seconcentran cerca de una superficieparticular donde ocurre el transporte dependiente de energa. En cada caso, el nmero, aspecto y ubicacindel organelo se puede correlacionar con las actividades del tipo de clula particular.Se puede establecer una analoga con las diferentes piezas que interpreta una orquesta: todas estn compuestas de las mismas notas, pero los diferentesarreglos confieren a cada una sus caractersticas y belleza nicas. El tamao de las clulas y de sus elementos La figura 1-19 muestra comparativamente el tamao relati- vo de algunas estructuras de inters en biologa celular. Casi todas las clulas son microscpicas; por lo tanto, las unidades ms comnmente empleadas en este libro corresponden a dimensiones linealesmuy pequeas. De ordinario se emplean dos unidades de medida lineal para describir estructuras del interior de la clula:el micrmetro (/mi) y el nanmetro (nm). Un/m es igual a 10~6 metros y un nm 16. 16 CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular Clulas nerviosas Tejido conectivo laxo con fibroblastos "1 Tejido seo con osteocitos Msculo liso Clulas grasas (adiposas) Clulas del msculo estriado Clulas epiteliales del intestino FIGURA 1-18. Vas de diferenciacin celular. Se presentan unos pocos de los tipos de diferenciacin celular en el feto humano. es igual a 10~9 metros. Aunque ya no se aceptaformalmen- te en la nomenclatura mtrica, el angstrom (A),que es igual a un dcimo de nm, todava se emplea con frecuencia en biologa molecular para describir dimensiones atmicas. Un angstrom por lo general equivale al dimetro de un tomo de hidrgeno. Una molcula protenica globular tpica(como la mioglobina) tiene 4.5 nm x 3.5 nm X2.5mm y las protenas alargadas {como la colgena o la miosina) tienen ms de 100 nm de longitud, y el DNA tiene ms o menos 2.0 nm de ancho. Complejos de molculas grandes, como los ribosomas, microtbulos y microfilamentos, poseen dimetro entre 5 y 25 nm. Organelos ms grandes, como los ncleos (unos 10 m) o las mitocondrias (alrededor de 2 m) son ms fciles de definir en micrmetros. El tamao de lasbacteriastpicas vara entre 1y 5//m de longitud, en tanto que las clulas eucariotas de ordinario tienen entre 10y 30/m. Hay bastantes razones para que las clulas sean tan pequeas. Consideremos las siguientes: Independientemente del tamao de la clula, el ncleo nico slo contiene dos copias de la mayor parte de los genes. Puesto que los genes actan como moldes para la produccin de RNA mensajeros transportadores de informacin, una clula slo puede producir un nmero limitado de RNA mensajeros en determinado tiempo. Cuanto mayor sea el volumen del citoplasma celular ms difcil ser sintetizar el nmero requerido de men- sajes nucleares. 17. CAPITULO 1 Introduccin al estudio dela biologa celular 17 Conforme el tamao de la clula se incrementa, la proporcin entre superficie/volumen disminuye.1 La capacidad de una clula para intercambiar sustancias en su ambiente es proporcional a la superficie. Siuna clula crece ms de cierto tamao, su superficie no sera suficiente para captar sustancias (p.ej.,oxgeno, nutrientes) necesarios, para apoyar sus actividades metablicas. Una clula depende en gran medida del movimiento al azar de las molculas (difusin). Por ejemplo, el oxgeno debe difundir desde la superficie de la clula a travs del citoplasma hasta el interior de las mitocondrias. Conforme la clula aumenta de tamao y la distancia de la superficie al interior tambin crece, el tiempo requerido para que la difusin desplace las sustancias hacia adentro y hacia afuera de la clula metablicamente activa puede ser prohibitivamente prolongado. Las clulas que tienen dimensiones excepcionalmente grandes, como el huevo de avestruz y la clula nerviosa de la jirafa, en la figura 1-19, tienen propiedades poco habitua- les. El huevo del avestruz, y los huevos de muchos otros peces, reptiles y aves, en realidad contienen una cantidad muy pequea de protoplasma vivo que se sita por encima de una gran cantidad de yema inerte, empleada como nutriente para el embrin en desarrollo. Aunque la clula nerviosa de la jirafa y las clulas nerviosas de otros animales grandes pueden ser muy largas, su dimetro todava es microscpicamente pequeo. 1 Se puede comprobar esta afirmacin calculando rea y volumen de un cubo cuyas aristas sean de 1cm de longitud en comparacin con otro cuyas aristas sean de 10 cm de longitud. La proporcin rea/ volumen del cubo ms pequeo es considerablemente mayor que la del cubo ms grande. 1-4 Virus En los ltimos decenios del siglo XIX, el trabajo de Louis Pasteur y de otros investigadores convenci al mundo cientfico de que las enfermedades infecciosas de plantas y ani- Clula nerviosa de jirafa Yema de huevo de avestruz Amiba Clula humana Ncleo de la clula hep- tica humana Bacteria Ribosotna Poro nuclear Membrana plasmtica 1 metro 0.000,0000001 de metro 000000001 de metro 0.00000001 de metro 0.0000001 de metro 0.000001 de metro 0.00001 de metro 0.0001 de metro 0.001 de metro 0.01 de metro 0.1 de metro 1.0 metro 10 metros Disminucin en potencias de 10 10 metros FIGURA 1 - L'*. Tamaos relativos de las clulas y de los componentes celulares. Cada unidad de medida es un dcimo mayor que la unidad precedente. Aunque el huevo completo de avestruz es tcnicamente una clula, la porcin viva slo se encuentra como un delgado disco microscpico situado sobre el borde de una gran masa inerte de yema de huevo. 18. 18 CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular males eran causadas por bacterias. Pero el estudio de la enfermedad del mosaico del tabaco y la fiebre aftosa del ganado pronto indicaron la existencia de otro tipo de agentes infecciosos. Por ejemplo, se observ que la savia de una planta de tabaco enferma era capaz de transmitir ia enfermedad del mosaico a una planta saludable, aun cuando la savia no demostr contener bacterias cuando se examinal microscopio de luz. Adems, la savia de una planta conti- nuaba siendo infecciosa aun despus de pasar a travs de filtros cuyos poros eran tan pequeos que retardaban e! paso de las bacterias ms pequeas conocidas. Estudios adicionales demostraron que, a diferencia de las bacterias, el agente infecciosono poda crecer en medios de cultivo a menos que tambin estuvieran presentes clulas vegetales vivas. Los investigadores concluyeron que ciertas enfermedades eran causadas por patgenos an ms pequeos y quiz ms simples que las bacterias ms pequeas. Estos patgenos recibieron el nombre de virus. En 1935, Wendell Stanley, del Instituto Rockefeller, public que el virus causante de la enfermedad delmosaico del tabaco se poda cristalizar y que los cristales eran infecciosos. Los cristales poseen una estructura interna regular- mente repetitiva. Las sustancias que forman cristalestienen una estructura bien definida muy ordenada y son mucho menos complejas que las clulas ms simples. Stanley concluy errneamente que el virus del mosaico del tabaco (VMT) era una protena. En realidad, el VMT es una partcula en forma de bastoncillo que consta de una sola molcula de RNA rodeada por una cubierta helicoidal compuesta de subunidades de protena (fig.1-20). Los virus causan docenas de enfermedades en el ser humano, incluyendo SIDA., poliomielitis, influenza, herpes labial, sarampin y unos pocos tipos de cncer (vase seccin 16-3). Los virus presentan una gran variedad de formas, tamaos y estructuras muy diferentes, pero todos comparten ciertas propiedades comunes. Todos los virus son parsitos intracelulares obligatorios, o sea, no pueden reproducirse a menos que se encuentren dentro de una clula husped, la cual, segn el virus especfico, puede ser una clula vegetal, animal o bacteriana. Fuera de una clula viva, el virus existe como partcula, o virin, que no es ms que un paquete de macromolculas. El virin contiene una pequea cantidad de material gentico que, segn el virus, puede ser RNA o DNA de cadena simple o doble. Es notable que algunos virus contienen escasos genes diferentes, tres o cuatro, pero otros pueden tener hasta varios cientos de ellos. Cuanto menor el nmero de genes ms depende el virus de las enzimas y de otras protenas codificadas por los genes de su clula husped. El material gentico del virin est rodeado por una cpsula protenica, o cpside, por lo general constituida por un nmero especfico de subunidades. Entre lasventajas de construir con subunidades una de las ms aparentes es eco- nomizar informacin gentica. Si la cubierta del virus est formada por muchas copias de una sola protena, como en el VMT, o de unas pocas protenas como las cubiertas de muchos otros virus, slo se necesita uno o unos cuantos genes para codificar las protenas de la cubierta. Muchos virus poseen una cpside cuyas subunidades se organizan en formas polidricas, una estructura con la- Cubierta protenica de la capsmera Acido nucleico Nucieocpside (b) 50 nm FIGURA 1-20. Virus del mosaico del tabaco (VMT). a) Diagrama de una porcin de la partcula del VMT.Las subunidadesde protena en forma de bastn (capsmera) que son idnticas en toda la longitud de la partcula incluyen una sola molcula helicoidal de RNA.Se muestra el RNA que sobresaleen el extremodonde se ha desprendido la protena. La cpside protenica con el RNA incluido se denomina nucleocpside. b) Micrografa electrnica de partculas del VMT luego de tratamiento con fenol para eliminar las subunidades de protena de la porcin media de la partcula de arriba y de los extremos de la partcula de abajo. Los bastones ntegros tienen unos 300 nm de longitud y 18 nm de dimetro, (b: Cortesa de M.K. Corbet.) dos planos. Una forma polidrica particularmente comn en los virus es el icosaedro de 20 caras. Por ejemplo, e! adenovirus que provoca infecciones respiratorias en mamfe- ros tiene una cpside icosadrica (fig.1-21, a). En muchos virus de animales, incluyendo el virus dela inmitnodefciencia humana (HIV) causante del SIDA, la cpside protenicaest rodeada por una cubierta externa que contiene lpidos derivados de la membrana plasmtica de la clula husped conforme las yemas virales se forman en la superficie de la clula husped (fig.1-21, b).Integrada a la cubierta lpida se encuentran las protenas virales localizadas en la membrana plasmtica de la clula husped antes de la gemacin. Los virus de bacterias, o bacterifagos, son de los ms complejos (fig. 1-21, c). El bacterifago T (utilizado en experimentos clave que revelaron la estructura y propiedades del mate- 19. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 19 rial gentico) consta de una cabeza polidrica que contiene DNA, un tallocilindrico a travs del cual se inyecta DNA al interior de la clula bacteriana, y una cola de fibras que juntas dan a la partcula el aspecto de un mdulo que aterri- za sobre la luna. Cada virus tiene sobre su superficie una protena capaz de enlazarse a un componente particular de la superficie de su clula husped. Por ejemplo, la protena que se proyecta desde a superficie de la partcula del HIV (marcada gp!20 en la figura 1-21, b, recibe ese nombre por glucoprotena con peso molecular de 120000daltons2) interactacon una protena sobre la superficie del leucocito humano, lo que facilita la entrada del virus al interior de su clula husped. Corno se analiza en el ensayo Laperspectiva humana, la partcula gpl20 es la base de la primera generacin de vacunas anti SIDA que en la actualidad estn en prueba. La interaccin entre las protenas virales y las del husped determina la especificidad del virus, o sea, el tipo de clulas husped'a las cuales el virus puede penetrar e infec- 2 El Dalton equivale a una unidad de masa atmica, el peso de un solo tomo de hidrgeno ^H). tar. Algunos virus tienen un conjunto muy limitado de posibles huspedes, slo tienen capacidad para infectar algunas clulas de ciertoshuspedes. Esto es cierto, por ejemplo, para la mayor parte de los virus del resfriado comn que slo pueden infectar clulas epiteliales respiratorias del ser humano. Otros virus, como el de la rabia, pueden infectara una variedad de diferentes especies de huspedes,incluyendo perros, murcilagosy el hombre. Los virones son agregados macromoleculares,partculas inanimadas que por s mismas son incapaces de reproducirse, efectuar actividadesmetablicas o cualquiera otra actividad relacionada con la vida. Por esta razn, no se con- sidera organismos a los virus y no se describen corno"seres vivos". No obstante, una vez que se fijan a la superficie externa de un husped y pasan al interior de la membrana externa de la clula el virus contiene la informacin necesaria para alterar totalmente las acitividades de la clula husped. Hay dos tipos bsicos de infeccinviral: 1)En la mayor parte de los casos el virus detiene las actividades normales de sntesis en elhusped y reorienta a la clula para emplear sus materiales disponibles en la elaboracin de cidos nucleicos y protenas virales, que se ensamblan para formar nuevos viriones. En otras palabras, losvirus no crecen como (a) Cubierta protenica Protena gp120 de la cubierta RNA Acido nucleico Transcriptasa inversa Bicapa de lpidos (c) (b) FIGURA 1-21. Diversidad de los virus. Estructurasde: a) un adenovirus, b) un virus de la inmunodeficiencia humana (HIV), y c) un bacterifago T-homogneo. 20. 20 CAPITULO1 ntroduccin al estudio dela biologa celular clulas; se ensamblan directamente a partir de sus elementos para formar viriones de tamao maduro. Por ltimo, la clula infectada se rompe (lisis) y libera una nueva generacin de partculas virales capaces de infectar a las clulas vecinas. Un ejemplo de este tipo de infeccin ltica se muestra en el recuadro a la izquierda de la figura 1-22, a, y en la fotografa de la figura 1-22, b. 2) En otros casos, el virus infectante no provoca la muerte de la clula husped, sino en vez de ello introduce (integra) su DNA al DNA de los cromosomas de la clula husped. El DNA viral integrado se denomina provirus. Un provirus integrado puede tener varios tipos de efectos segn el tipo de virus y de clula husped. Por ejemplo: Las clulas bacterianas que contienen un provirus se comportan normalmente en tanto no se expongan a algn tipo de estmulo, como la radiacin ultravio- leta (UV) que activa al DNA viral "latente", lo que provoca la lisis celular y libera a la progenie viral. El virus lambda es un virus bacteriano capaz de integrar su DNA a loscromosomas de la clula del husped, como se indica en la figura 1-22, a, recuadro a la derecha. Algunas clulas animales que contienen un provirus producen una nueva progenie viralpor gemacin en la superficie de la clula sin lisis de la clula infectada.El virus de la inmunodeficiencia humana (HIV) acta de esta manera; una clula infectada puede permanecer Virus unido a la superficie de la clula DNA viral inyectado al interior de la clula El DNA viral permanece separado del cromosoma del husped O DNA degradado del husped y protenas virales y DNA sintetizado t Ensamblado de las partculas virales El ONA viral se integra al cromosoma del husped como provirus Bacteria proliferante con provirus integrado Partculas virales liberadas cuando la clula es lisa (?~) V/ VA LITIGA VA LISOGENA 0.2 pm FIGURA 1-22. Infeccin con un virus, a) Cuando el virusbacteriano (bacterifago) lambdainyecta su DNA en una clula husped el resultado puede ser una de dos tipos de infeccin. La mayor parte de los agentes infecciosos siguen una va ltica ilustrada en el recuadro izquierdo, donde la clula bacteriana sirve como mquina para producir la progenie viral que se libera despus que la clula sufre lisis. En otros casos, el virus entra a una llamada va lisgena (recuadro derecho) en la cual el DNA del virus se integra a los cromosomas de la clula de! husped como un provirus reprimido. El provirus latente puede ser inducido a iniciar una infeccin ltica por diferentes tipos de estmulo, incluyendo radiacin por luz UV (indicado por la clula de color ms claro a la izquierda), b) Una ltima etapa de la infeccin de una clula bacteriana por un bacterifago, que muestra la acumulacin ordenada de numerosas partculas virales y la cubierta vaca del fago sobre la superficie celular, (b: Cortesa de onathan King y Erika Hartwig.) (a) 21. viva mientras acte comofbrica para producirnuevos vriones. Algunas clulas animales que contieneun provirus pier- den el control de su propio crecimiento y divisin y se convierten en malignas. Este fenmeno se puede estudiar con facilidad en el laboratorio al infectar clulas cultivadas con el virus tumoral apropiado. Debido a su estructura sencilla, se podra concluir que los virus representan una forma primitiva de vida, tal vez similar a las que existieron sobre la tierra antes de la evolucin de las clulas procariotas.Sinembargo, cuando secon- sidera que la "vida de los virus" depende por completode las clulas que invade, es evidente que los virus no pudieron aparecer en elescenario antes que sus huspedes. Pues- to que los virus comparten el mismo lenguaje gentico entre s y tambin con clulas procariotas y eucariotas, no pudieron originarse de manera independiente como forma primitiva despus que otras clulashaban evolucionado.Es rns razonable asumir que los virus representan una forma degenerada, o sea, derivada de un organismo ms complejo. Los virus al parecer evolucionaron a partir de pequeos fragmentos de cromosomas celulares capaces de mantener algn tipo de existencia autnoma dentro de las clulas. Con el tiempo, estos elementos genticos aut- nomos adquirieron una cubierta protenica y se convirtieron en agentes capaces de infectar a otras clulas. Conside- rando la tremenda diversidad de los virus es probable que diferentes grupos evolucionaran de manera independiente a partir de diferentes organismos celulares. Esta conclusin se corrobora por el hecho de que los genes presentes en cada grupo de virus son muy diferentes de los correspondientes a otros grupos, pero son similares a los genes que infectan dentro de la clula husped. El hecho de que los virus humanos utilicen las enzimas del husped para efectuar casitodas sus actividades metablicashace muy difcil encontrar frmacos que impidan los pasos del ciclo viralsin daar al husped humano. Los virus no carecen de virtudes; puesto que la actividad de los genes virales imita a la de los genes del husped, los investigadores han utilizado por decenios a los virus CAPITULO 1 Introduccin al estudiode la biologa celular 21 como herramientas para estudiarel mecanismo de duplica- cin del DNA y la expresin de los genes en huspedes mucho ms complejos. Adems,en la actualidad los virusse emplean como medio para introducir genes extraos a las clulas humanas, tcnica que ser la base para el tratamien- to de enfermedades humanas mediante genoterapia. Por ltimo, los virus que matan insectos en el futuro podrn desempear un papel cada vez mayor en la guerra contra plagas de insectos. Viroides En 1971, sorpresivamente se descubri que los virus no eran los tipos ms simples de agentes infecciosos. En aquel ao, T.O.Diener, del Departamento de Agriculturade Esta- dos Unidos, comunic que la enfermedad por adelgaza- miento de los tubrculosde la patata que produce patatas nudosas y agrietadas era causada por un agente infeccioso que consista en una molcula circular pequea de RNA desprovista totalmente de cubierta protenica. Diener deno- min a este patgeno un viroide. Eltamao del RNA de los viroides oscila entre 240 y 600 nucletidos aproximadamente, la dcima parte del tamao de los virus ms pequeos. No se ha demostrado que el RNA viroide desnudo codifique para alguna protena. Ms bien, cualquier actividad bioqumica en la cual participan los viroides se efecta utilizando protenas de la clula husped. Por ejemplo, para duplicarse dentro de una clula infectada el RNA viroide utiliza el RNA polimerasa II del husped, una enzima que normalmente transcribe el DNA del husped en RNA mensajero.Secree que los viroides provocan enfermedades al intervenir en la va normal de expresin gentica de las clulas. Los efectos sobre las cosechas pueden ser graves; una enfermedad viroide llamada cadang-cadang devast las palmeras cocoteras en plantacones de las Islas Filipinas y otro viroide provoc grandes estragos a la industria de los crisantemos en Estados Unidos. En el ensayo Lavaexperimental se relata el descubrimiento de un tipo diferente de agente infeccioso aun ms simple que el viroide. 22. 22 CAPITULO 1 Introduccin a! estudio de la biologa celular L A P E R S P E C T I V A H U M A N A La bsqueda de una vacuna contra el SIDA A la mitad del decenio de 1980 haba grandes esperanzas de desarrollaruna vacuna para prevenir la infeccin con HIV, el virus causante del SIDA. La mayor parte de las vacunas contra enfermedades virales, como la poliomielitis, la viruela negra y el sarampin, contienen virus muertos ntegros o virus vivos atenuados (virus mo- dificados queyanosoncapacesde provocar infeccin grave). Lainyeccin de estosvirusinofensivos engaa alsiste- ma inmunolgico del cuerpo para producir anticuerpos especficos y clulas de inmunidad que permanecen a laes- pera, listas para atacar al autntico virus causantede la enfermedad si logra penetrar al organismo. Una de las ventajas de utilizar virus vivos atenuados como parte de una vacuna es que se estimula a las vas humoral y celular del sistema inmunolgico. La inmunidad humoral esmediada por anticuerpos solubles disueltos en la sangre. Estos anticuerpos son sintetizados por clulas derivadas de linfocitos B. Por lo contrario, los infocitos T se encar- gan de la inmunidad mediada por c- lulas, clulas capaces de reconocer y destruir a las clulas del cuerpo infectadas por virus. Durante el decenio de 1980, prcticamente haba acuerdo unnime de que una vacuna contra elSIDA, dependiente de virus muertos o atenuados, era segura. A diferencia de la mayor parte de los virus infecciosos, el HIV integra su material gentico a los cromosomas del husped, donde permanece durante aos destruyendo gradualmente la salud de una persona. Toda vacuna contra el SIDA que contenga partculas virales tambin contiene RNAviral, el cual puedeco- piarse a DNA e intregrarse a los cromosomas celulares. Aun si pudiera al- terarse el material gentico del virus demodoquenotuviera posibilidad de causar SIDA, tal vacunaan podra ser peligrosaporquelaintegracinde cualquier material gentico alDNA de una clula tiene el riesgo de convertirla en una clula cancerosa maligna. Haba acuerdo de que el camino ms seguro era desarrollar una vacuna a partir de la protena del virus proyectada hacia afuera de lacubierta viral. Esta protena de la cubierta, denominada gp!20(fig.1-21, b)esel componente de la partcula viral que se enlaza a la superficie externa de la c- lula husped antes de infectarla. La protena viral empleada para la vacuna tendra que elaborarse a partir de un gen sintetizado en el laboratorio. El gense introducira a clulas de mam- feros que pueden desarrollarse en gran cantidad en el laboratorio. Las clulas sometidas aprocesos de ingeniera gentica produciran una gran cantidad de la protena que deba purificarse y emplearse para fabricar la vacuna.Se esperaba quelavacunaconstituida por la protena de la cubierta del HIV obli- gara a la persona a sintetizar anticuerpos neutralizantes,osea anticuerposca- paces de bloquear la entrada del virus a la clula y por lo tanto de prevenir que las personas expuestas al virus se infectaran. Una desventaja de la vacuna basada slo en la protena de la cubierta es que no se esperaba que estimulara la va del sistema inmunolgico mediada por clulas, la cual tal vez se necesitaba para destruir una clula que fuera infectadapor el virus. Numerosas compaas en colabo- racin con varas agencias guberna- mentales alrededor del mundo pro- dujeron vacunasa base de protenas de la cubierta del HIV. Las primeras dos fases de prueba clnica de una nueva vacuna estn diseadas para determinar si la vacuna es segura y capaz de inducir una respuesta inmunolgica. Aunque todas las vacunas parecieron seguraspor noproducir efectos colate- rales aparentes en losindividuos some- tidos alaprueba, su xitopara producir una respuesta de inmunidad fue va- riable.Por ltimo, sedetermin que las vacunas elaboradas por dos compaas, Genentech y Chiron/ Ciba-Geigy, inducen un nivel aceptable de anticuerpos en individuos vacunados durante un periodo razonable. De igual importancia, se demostr que estos anticuerpos invitro evitan que elvirus infecte clulas. Se programaron estudios en gran escala para iniciarlos en 1994 para probar la eficacia de la vacuna, esto es, si era capaz de prevenir la infeccin con HIVen miembros de po- blaciones de altoriesgo.Pero hubo una serie de acontecimientos que cambia- ron los planes. Se descubri que los anticuerpos producidos por las personas en respuesta a la vacuna no eran tan eficaces como se pens para prevenir la infeccin. Sehaban llevado a cabo pruebas anteriores de actividad neutralizante empleando virus desarrollados enella- boratorio en lneas de clulas cultivadas. Cuando se probaron anticuerpos contra elvirus aislados de personas infectadas conHIV mostraron ineficacia casi total para prevenir la infeccin de las clulas. A diferencia de casi todos los virus, el HIV puede mutar con rapidez y provocar cambios en laestructura de su cubierta protenica. Por lo tanto, los anticuerpos aparentemente fueron producidos contra una versin de lacubierta protenica presente en los virus delasclulascultivadas, perono del virusresidente en la mayora delos individuos infectados. Este resultado produjo gran pesimismo en muchosin- vestigadores respecto de que la vacuna fuera eficaz para prevenir la infec- 23. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 23 cin por HIV en la poblacin general. Adems, era realmente difcil conse- guir voluntarios para el estudio. No slo a un nmero significativode voluntarios se les administrara vacuna placebo, y los que recibieran la verdadera vacuna en adelante tendran que ser positivos al HIV, debido a que la prueba para determinar el estado HIV depende de la presencia de anticuerpos para los cuales se dise la vacuna. Para empeorar las cosas, hubo in- formes de que al menos 10individuos que haban participado enlas primeros estudios diseados para determinar la seguridad y potencia inmunolgicas de la vacuna se haban infectadocon el virus. Estas noticias confirmaron la idea cada vez ms extendida de que lavacu- na no era lo suficientemente eficaz para justificar un estudio en gran escala en Estados Unidos.Por ltimo, se observ que normalmente un individuo infectado produce anticuerpos contra las protenas de la cubierta viral despus de unos cuantos meses de la infeccin, pero al parecer tienen poco valor para alterar el curso de la enfermedad. En junio de 1994, luego de considerar todos estos factores en conjunto, los National Institutes of Health toma- ron la decisin de no seguir adelante con las pruebas en gran escala para probar la eficacia de vacunas basadas en gp!20 en Estados Unidos. Poco despus de esta decisin, la Organizacin Mundial de la Salud (OMS) decidi proseguir laspruebas en una regin del mundo donde el riesgo de contraer SIDA es muy alto. Se estim que para el ao 2000unos 40 millones de personas estarn infectadas con elHIV; ms de 90% de esos individuos vivirn en pases pobres del tercer mundo. Lava- cuna ya lista para probar se prepar contra protenas de la cubierta de la cepa B del HIV prevaleciente en Esta- dos Unidos y Europa, pero no en el resto del mundo donde predominan otras cepas. Por lo tanto, los estudios de la OMS tendrn que esperar el desarrollo de una nueva vacuna basada en protenas de las cepas del HIV en- dmicas en la regin del mundo dn- de se efectuarn las pruebas. Mientras tanto, losinconvenientes que acompaan a la primera generacin de vacunas HIV, adems de la creencia general de que la biologa de la enfermedad es demasiado compleja para desmantelarla mediante una simple vacuna, llevaron a muchos investigadores del SIDAa reconsiderar la posibilidad de desarrollar una vacuna basada en virus vivo atenuado. Como se hizo notar antes, una de las ventajas de emplear virus atenuado es estimu- lar ambas vas del sistema inmunolgico: la humoral y la mediada por c- lulas incrementando, por lo tanto, su probable eficacia. Aunque esta vacuna presenta una posibilidad finita de inducir cncer o de causar SIDA,ese riesgo est bastante bien equilibrado en una poblacin con probabilidad elevada de contraer la enfermedad.En la actualidad, varias compaas de bio- tecnologa estn trabajando sobre vacunas elaboradas con virus atenuados que muestran eficacia para prevenir la enfermedad en animales de laboratorio. Otro mtodo para inducir inmunidad es introducir el gen de la protena de la cubierta del HIV en el DNA de otro virus, por ejemplo el virus de la vacuna, y emplear el virus vivo as manipulado como agente inmunizan- te. Por ejemplo, el virus de la vacuna manipulado causara una infeccin leve y estimularaal cuerpo a producir anticuerpos y clulas inmunes contra la protena HIV generada durante la infeccin con el virus de la vacuna. Los investigadores del SIDA se muestran muy pesimistas acerca de la probabilidad de desarrollaruna vacuna eficaz en el futuro cercano. Hay muchas razones para ese pesimismo, pero lo ms importante es que los investigadores todava no compren- den por completo cmo opera el virus dentro del cuerpo o por qu razn la respuesta inmunolgica normales tan ineficaz contra la infeccin. Otra com- plicacin se originaen la capacidad del virus para rnutar con demasiadarapi- dez, inclusomientras seest propagan- do dentro de un individuo infectado. Como resultado, un individuo infectado porta mltiples variantes del virus, cada una con diferentes propiedades. Estas diferencias seamplan cuando se examina la estructura del virus en los diferentes miembros de una poblacin (fig. PH 1-1). Puesto que una vacuna eficaz contra una cepa de virus puede ser totalmente intil contra otra cepa, el problema de desarrollar una cepa de virus para elaborar una vacuna eficaz contra todos es muy complicado. Otra forma alternativa para la pre- vencin y tratamiento del SIDA se ana- lizar en Laperspectiva humana del captulo 11. FI ADP + P la diferencia de energa libre estndar entre productos y reactantes es -7.3 kcai/mol. Con base en esta informacin, es evidente que en condiciones estndar la hidrlisis de ATP es una reaccin muy favorecida (exergnica), osea, tiende a una proporcin [ADP]/[ATP] mayor en el equilibrio. Hay varias razones por las cuales esta reaccin es tan favorecida; una es evidente en la figura 3-5. La repulsin electrosttica creada por las cuatro cargas negativas muy prximas en el espacio situadas sobre ATP4" se liberan par- cialmente por la formacin de ADP3~. Es importante tener muy clara la diferencia entre AGy AG0'. AG0' es un valor fijo que describe la direccin en la cual procede una reaccin cuando la mezcla reaccionante se encuentra en condiciones estndar. Puesto que en laclula no prevalecen condiciones estndar, los valores AG0' no pueden emplearse para predecir la direccin de una reaccin particular en un momento dado dentro de un comparti- miento celular particular. Para esto, es necesario conocer AG, determinada por la concentracin de reactantes y productos para la reaccin presente en ese momento. AG = AG0' + 2.303RTlog [AJ[B] AG = AG0' + 2.303 (1.987 cal/mol-0K) (298K) log AG = AG0' + (1.4 kcal/mol) log donde [A], [B], [C]y [D] son las verdaderas concentraciones en el momento dado. Los valores AGrevelan la direccin de la reaccin dentro de la clula y qu tan cerca se encuentra del equilibriola reaccin particular. Por ejemplo, la concentracin celular tpica de reactantes y productos en la hidrlisis de ATPpuede ser [ATP] = 10mM; [ADP] = 1 mM; [P] = 10 mM. Sustituyendo estos valores en la ecuacin, AG = AG0' + 2.303RTIog [ADP][Pi] [ATP] AG = -7.3 kcal/mol + (1.4 kcal/rnol) log [10-2] AG = -7.3 kcal/mol + (1.4 kcal/mol}(-3) AG = -11.5 kcal/mol Por lo tanto, aunque AG0' para la hidrlisis de ATP es -7.3 kcal/mol, en la clula la AG tpica para esta reaccin es de casi 12 kcal/mol debido a que la clula mantiene una elevada proporcin [ATP]/ [ADP]. Las clulas efectanmuchas reacciones con valoresAG0' positivos porque son capaces de mantener condiciones que favorecen el avance de las reacciones. Esto puede ocurrir de dos maneras. La primera ilustra la importante diferencia entre AG y AG0', y la segunda revela cmo pueden susti- tuirse reacciones con valor AG' positivo por diferentes reacciones con valor AG0' negativo empleando la energa qumica almacenada en la clula. Consideremos la reaccin de la gluclisis (vase figura 3-23) en la cual el fosfato de dihidroxiacetona se convierte en gceraldehido 3-fosfato. AG0' para esta reaccin es +1.8 kcal/mol, aunque la formacin del producto esta reaccin ocurre en la clula. La reaccin procede debido a que otras reacciones celulares mantienen la relacin entre reactante y producto por arriba de la relacin definida por la constante de equilibrio. En tanto esta condicin se mantiene, la AG0' ser negativa y la reaccin continuar espontneamente en la direccin de formar gliceraidehido 3-fosfato. Esto revela H,0 + 0-P-O-P-O-P-O CH Adenina AG" = -7.3 kcal/mol H-C 0~ 0~ I I "0-P-O-P-O CH O O " = +7.3 kcal/mol HJV. ty OH OH Trifosfato de adenosma (ATP| Rlbosa OH OH Difosfato de adenosina [ADP] 0~ + T>-P-0~ II O Fosfato inorgnico (P,) FIGURA 3-,. Hidrlisis del ATP. Como parte de muchos procesos Dirrurmeos se hidroliza el trifosfato de adenosina (ATP). En casi todas las reacciones, como la que se muestra aqu, el ATP se hidrolizapara formar ADP y fosfato inorgnico (P),pero en algunos casos (no mostrados] se hidroliza para formar AMP, un compuesto con un solo grupo fosfato y pirofosfato (PPi). Ambas reacciones tienen prcticamente la misma AG0' de -7.3 kcal/mol. 85. CAPITULO 3 85 una caracterstica importante del metabolismo celular; a sa- ber, las reacciones especficas no pueden considerarse de manera independiente como si ocurrieran aisladas en un tubo de ensaye. Cientos de reacciones ocurren de manera simultnea dentro de una clula. Todas se relacionanentre s porque el producto de una reaccin es el sustrato para la siguiente reaccin de la secuencia, y as sucesivamente a lo largo de una va metablica y en las subsecuentes. Para mantener la produccin de gliceraldehido 3-fosfato a ex- pensas del fosfato de dihidroxiacetona, la reaccin debe ocurrir de modo que la siguiente reaccin de la secuencia elimine el producto a una velocidad bastante rpida para conservar una relacin favorable entre las concentraciones de estas dos molculas. Acoplamiento de reacciones endergnicas y exergnicas Las reacciones con valor positivo alto AG0', en condiciones tpicas se "inician" por ingreso de energa. Consideremos a formacin del aminocido glutamina a partir de cido glutmico: AGor = +3.4 kcal/mol Acido glutmico + NHs -> glutamina Esta reaccin aparentemente endergnica tiene lugar en la clula porque la formacin de glutamina a partir de cido glutmico ocurre en dos reacciones secuenciales, ambas fa- vorecidas: la. reaccin: Acido glutmico + ATP > fosfato de glutamilo + ADP 2a. reaccin: Fosfato de glutamilo + NHs -> glutamina + P Reaccin total: Acido glutmico + ATP + NH3 > glutamina + ADP + P AG' = -3.9 kcal/mol Se dice que la formacin de glutamina est acoplada a la hidrlisis de ATP. Puesto que AGpara la hidrlisisde ATP es ms negativa en comparacin con AGpara la sntesis de glutamina a partir de cido glutmico, que es positiva, se puede emplear la reaccin de la hidrlisis de ATP "cuesta abajo" para iniciar la sntesis "cuesta arriba" de glutamina. Todo lo que se requiere para acoplar las dos reacciones qumicas es que el producto de la primera reaccin se utili- ce como sustrato para la segunda. E' puente entre las dos molculas, fosfato de glutamilo en este caso, se denomina intermediario comn. Lo que en realidad ocurre es que la hidrlisis exergnica del ATP se lleva a cabo en dos pasos. En el primero, la glutamina acta como aceptor del grupo fosfato, en tanto que en el segundo el agua se convierte en aceptor de fosfato y la hidrlisis se completa. La hidrlisis del ATP puede usarse en las clulas para iniciar reacciones que conducen a la formacin de molculas como la glutamina, debido a que la concentracin de ATP se mantiene en cifras 108 veces aproximadamente ms altas (en relacin con la concentracin de ADP) de las que se encontraran en el equilibrio.Podra esperarse que la concentracin de ADP en el equilibriofuera mucho mayor que la concentracin de ATP, pero en realidad la mayor parte de las clulas contienen concentraciones ms altas de ATP que de ADP. Estees un punto crucial; lo importante no es la cantidad de ATP que una clula contiene, sino lo que inte- resa es su concentracin relativa de ADP y de P. Si en el equlibrio una clula contiene una mezcla de ATP, ADPyP, no importara cunto ATP estuviera presente, sino la capacidad para ejecutar trabajo. La hidrlisis del ATP se emplea para impulsar la mayor parte de los procesos endergnicos dentro de la clula, incluyendo reacciones qumicas como la que acabamos de describir, separacin de cargas a travs de una membrana, concentracin de un soluto, movimiento de las fibrillas de una clula muscular y generacin de calor (fig.3-6). En la ib) Acido glutmico + NHa Acido glutmico + ATP + NH3 (O (d) Glutamina Glutamina + ADP+ P FIGURA 3-6. Algunas funciones de la hidrlisis del ATP. En la clula, el ATP se puede usar para: a) separar cargas a travs de una membrana; b) concentrar un soluto particular dentro la clula; c) iniciar una reaccin qumica desfavorecida; d) deslizar filamentos uno sobre otro, como ocurre durante el acortamiento de una clula muscular; e) aumentar la temperatura de la clula como resultado de un incremento de la velocidad de los movimientos moleculares. 86. 86 CAPITULO 3 Energa, enzimas y metabolismo mayor parte de las reacciones acopladas el grupo fosfato se transfiere del ATP a un aceptor (como el cido glutmico, un azcar, o a menudo una protena) y despus, en un segundo paso, se elimina (como ejemplo, vase la fig. 4-42). Equilibrio comparado con el metabolismo en estado estacionario En tanto las reacciones tiendan hacia el equilibrio, la energa libre disponible para hacer trabajo disminuye hasta un mnimo y la entropa aumenta hasta un mximo. Por lo tanto, cuanto ms alejada se mantenga una reaccin de su estado de equilibrio, menor ser la prdida de su capacidad para hacer trabajo causada por el incremento de entropa. El metabolismo celular es prcticamente un metabolismo en desequilibrio; o sea, se caracteriza por reacciones en desequilibrio de productos respecto de reactantes. Esto no significa ausencia de reacciones en equilibrio o cerca del mismo dentro de la clula. En realidad, muchas reacciones de una va metablica pueden estar prximas al equilibrio (fig. 3-24). Sin embargo, cuando menos una y con frecuencia varias reacciones de una va se colocanlejos del equilibrioy esto las hace prcticamente irreversibles. Son lasreacciones que conservan la va al ir en una sola direccin. Los principios bsicos de la termodinmica se formula- ron utilizando sistemas cerrados, no vivos (sin intercambio de materia entre el sistema y su entorno), bajo condiciones de equilibrioreversible. Las caractersticas nicas del metabolismo celular requieren una perspectiva diferente. El metabolismo celular se puede mantener por s mismo en condiciones irreversibles de desequilibrio debido a que, a diferencia del medio en un tubo de ensaye, la clula es un sistema abierto. Los materiales fluyen continuamente al interior de la clula procedentes de la corriente sangunea o de un medio de cultivo. Lo extenso del ingreso de materia al interior de las clulas desde el exterior se manifiestacon slo contener la respiracin durante un minuto o dos. Mi- nuto a minuto dependemos de la fuente externa deloxge- no porque ste es un reactante muy importante en el metabolismo celular. Como consecuencia del flujo continuo de oxgeno y de otros materiales hacia adentro y afuera de las clulas y las relaciones entre las reacciones bioqumicas, se dice que el metabolismo celular transcurre en estado estacionario (fig.3-7). En estado estacionario la concentracin de reactantes y productos permanece prcticamente constante, aunque lasreaccionesindividuales no necesariamente se encuentren en equilibrio. Puesto que los productos de una reaccin se emplean como sustratos de la siguiente reaccin, la concentracin de cada intermediario metabli- co puede permanecer prcticamente constante en tanto nuevos sustratos lleguen hacia adentro procedentes del exterior y se eliminen los productos terminales en el otro extremo. -2 Enzimas Justo antes de iniciarseel presente siglo, comenz un acalo- rado debate acerca de si el proceso de formacin de etanol requera o no la presencia de clulas intactas de levadura. Por un lado se encontraba el qumico orgnico Justus von Estado estacionario (a) ADP ATP Estado estacionario Equilibrio AOP ATP Equilibrio FIGURA 3-7. Estado estacionario en comparacincon equilibrio. a) En tanto esta amiba pueda captar nutrientes procedentesdel mundo exterior dispondr de la energa necesaria para mantener la concentracin de los compuestos en estado estacionario,que puede estar bastante lejos del equilibrio. Las concentraciones de ATP y ADPen el estado estacionario se indicanpor los puntos coloreados y el histogra- ma. b) Cuando la amiba muere, las concentraciones de ATP y ADP (y tambin otras sustanci

biologia celular y molecular - gerald karp

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