Laclulaesl aunidadbsicaenbiologa.Cadaorganismo obienesunanicaclulaoestformadoporclulas.Por lotanto,ni cament epodremosapreciarlascapacidadesy laslimitacionesdelosorganismosvivos,tantoanimales comovegetalesomicroorganismos,sicomprendemosla estructuray lafunci ndelasclulas. Estamosenmediodeunarevolucindelabiologaque hatradoconsigotremendosavancesenelentendimientode cmoestnconstruidaslasclulasydecmorealizanlas complicadas funciones necesariasparala vida.La naturaleza dinmicadelaclulaesparticularmentesignificativa,como seponedemanifiestoporsucapacidaddecrecer,reprodu-cirseyespecializarse,yporsuhabilidadpararespondera estmulosyadaptarseacambiosenelmedi oambiente. Lapropiabiologacelularestcambi andoalt i empo quecientficosdediversasdisciplinasrelacionadasdirigen susesfuerzoshaciaelobjetivoconuindelaadecuadacom-presindecmofunci onanlasclulas.Laconvergenciade la citologa,lagenticayla bi oqu mi cahahechodelabio-logacelularmodernaunadelasdisciplinasmsexcitantes ydinmicasdelabiologacont empornea. Enestecaptulotrataremosbrevementelosprincipiosde la biologa celular como disciplina. Luego consideraremos las trescorrientesprincipalesquehandadolugaralacompren-sinactualdeloquesonlasclulasydecmofunci onan. Lateoracelular:unahistoriabreve Lahistoriadelabiologacelularcomenzhacemsde300 aoscuandoalgunoscientficoseuropeoscomenzarona enfocarsusmicroscopiosadiversosmaterialesbiolgicos, desdelacortezadeosrboleshastaelespermahumano. UnodeesoscientficosfueRobertHooke,conservador dei nst rument osdelaRoya!SocietydeLondres.En1965, Hookeempleunmicroscopioconst rui doporlmi smo paraexaminarseccionesfinasdecorchocortadasconun cortaplumas.Observunareddepequeoscompart i men-tosenformadecajaquelerecordaronaunpanal.Hooke denomi naesospequeoscompart i ment oscellulaeun t rmi nodellatnquesignificapequeashabitaciones.El t rmi noactualdeclulaprocededeestapalabra. Enrealidad,loqueHookeobservnoeranclulassino lasparedescelularesvacasdeuntejidovegetalmuerto, queesloquerealmenteeslacorteza de losrboles.Sinem-bargo,Hookenopensensuscellulaecomoestructuras muertasyaquelnoentendaquepudiesenestarvivas. Aunquesediocuentadequelas clulasenotrostejidos ve-getalesestabanllenasdeloqueelllamjugos,prefiri concentrarseenlasprominentesparedescelularesqueha-baencont radoinicialmente. Unadelaslimitacionesinherentesalasobservaciones deHookeconsisteenquesumicroscopioaument abani-camente30veceslosobjetos,locualdificultaelaprendizaje de laorganizacininternadelasclulas.Esteobstculofue superadounosaosmstardeporAntonievanLeeuwen-hoek,uncomercianteholandsquededicgranpartede sut i empolibreadisearmicroscopios. VanLeeuwenhoek fabriclentespulidasamanoquepodanmagnificarlos objetos casi300veces. Utilizandoestaslentesmspotentes, fueelprimeroenobservar clulasvivas, incluyendoclulas sanguneas,espermatozoidesyorgani smosunicelulares presentesenel aguadelas charcas.Comuni csusobserva-cionesalaRoyalSociety enunaseriedeartculosdurant eel ltimocuartodelsigloxvn.Susdescripcionesdetalladas La teoracelular:unahistoriabreve1 UNI DADESDEMEDIDAENBIOLOGACELULAR Eldesafi odelacompr ens i ndelaest r uct ur ayorgani zaci n celularsecompl i caporelpr obl emadelt amao.Lamayor ade lasclulasysusor gnul ossont anpequeosquenopuedenser obser vadosdi r ect ament eporeloj ohuma no.Adems,las uni dadesempl eadasparamedi r l ossonpocofamiliarespar a muchosest udi ant esy,porlot ant o,ame nudosondifcilesde apreciar.Elpr obl emapuedeabor dar sededosmaner as: dantestimoniode la calidaddesuslentes y desuprofunda capacidaddeobservacin. Dosfactoresrestringieronla comprensinde lanat ura-lezadelasclulas.Unofuelaresolucindelosmicrosco-piosdelapoca,queeralimitadainclusoenlosmejores i nst rument os devanLeeuwenhoek.Elsegundofactor,pro-bablementemsfundament al ,fuelanaturalezaesencial-ment edescriptivadelabiologadelsigloxvn,stafueb-sicamenteunapocadeobservacinenlaquesededic pocoesfuerzoapensarenexplicarlosintrigantesdetalles estructuralesdelosmaterialesbiolgicos,queestaban empezandoaresidirenlacapacidaddelaslentesdelmi -croscopio. Pasmsdeunsigloantesdequelacombinacinde microscopistasconmentesmsexperimentales,juntocon lasmejorasdelosmicroscopios,dieranlugar aunaseriede avancesqueculminaronenelent endi mi ent odelai mpor-tanciadelasclulasenlaorganizacinbiolgica.Enlad-cadade1930,lasmejorasenlaslentesconduj eronauna Conoci endoquer eal ment eslohaydosuni dadestilespar a expresarladi mens i ndelamayor adeest r uct ur asquenos i nt eresanymedi ant elai l ust raci ndediversasest r uct ur asque puedensermedi dasapr opi adament econcadaunadeesas uni dades.Elmi c r me t r o(/ i m)eslauni dadmstilpar a expresarelt a ma odelasclulasydelosor gnul osms grandes.1fin i(al gunasvecest ambi nl l amadomiera) GE) Bacteria (1x 2 un) mayorcapacidadde aument oyaunamej orresolucin,de formaquesepudierondistinguirestructurasseparadas nicamentepor1mi cromet ro(/m).(Unmicrmetroes iguala10"6m,oalamillonsimapartedeunmet ro;va-se Anexo1Aparaunadiscusindelasunidadesdemedida apropiadasenbiologacelular.) El bot ni coinglsRobertBrown, ayudadopor lamej o-radelaslentes,descubriquecadaplantaqueobservaba contenaunaestructuraredondeadaalaquelllamnu-cleus,unt rmi nolatinoderivadodelgermnicokernel: grano.En1838,sucolegaalemnMatthiasSchleidenal-canzla i mport ant e conclusindeque todos los tejidos ve-getalesestncompuestosporclulasydequeunembri n vegetalseoriginasiempre apartir deunanicaclula.Slo unaomstardeTheodorSchwanncomuni cconclusio-nessemejantesrespectoalostejidosanimales,desechn-doseaslasespeculacionesanterioresdequelasplantasy losanimalesnoseparecenestructuralmente.Esfcilcom-prendercmosepudi eronoriginaresasespeculaciones. xCloroplasto Clula vegetalClulaanimal (20 x30 im)(20jim) Figura1A.1Elmundodelmicrmetro.Casitodaslasclulasyalgunos desusorgnulosms grandes,comoelncleo,mi t o con driasycloro plastos sonestructuras condimensiones que puedenmedirseconvenientementeenmicrmetros. 2Captulo 1Linavisin dela clula corresponde alamillonsimapartede1m.Engeneral las clulasbacterianastienenundimetrodepocosmicrmetros,y las clulasanimalesy vegetalessonde10a20vecesmsgrandes encualquieradesusdimensiones.Losorganilloscomo mitocondriasyel oro pas tos tienden a tener dimetros o longitudesdeunospocosmicrmetrosysonporlotanto comparablesent amaoalasclulasbacterianascompletas.Los orgnulosmspequeosestnhabi t ual ment eenelrangode 0,2-1iim.Comoreglageneral,sialgosepuedeverconun microscopioptico,susdimensionespuedenexpresarse probablementeenmicrmetros,yaqueellmitederesolucin delmicroscopiopticoesalrededorde0,2-0,35/un.LaFigura 1A.1ilustradiversasestructurasqueusualmentesemidenen micrmetros. Elnanmet r o(nm),porotroladoeslaunidadqueseemplea paramolculasyestructurassubcelularesquesondemasiado pequeasodemasiadodelgadasparaserobservadasconun microscopioptico.1nanmet roesunabillonsimapartede1 m(10~9).1mi crmet roesiguala1.000nanmetros.(Un trminoalternativoananmet roesporlotantomilimicra,m/i). Comoreferenciaenlaescaladelosnanmet rosunribosoma tieneundimetrodeunos25-30nm.Otrasestructurasque puedensermedidasennanmet rossonlosmicrotbulos, microfilamentos,membranasymolculasdeDNA.EnlaFigura IA.2seindicanlasdimensionesdeestasestructuras. Otraunidadusadafrecuentementeenbiologacelularesel ngstrom(A)quecorrespondea0,1nm.Enparticular,las dimensionesmolecularesseexpresanfrecuentementeen ngstrom. Sinembargo, debidoaque e!ngstromsediferencia delnanmet rosolamenteporunfactorde10,aadepoca flexibilidadparaexpresindedimensionesanivelcelularypor lotantonoserempleadoenestetexto. Despusdetodo,lasparedesdelasclulasvegetalesconsti-tuyenbarrerasent relasclulasquesonvisiblesinclusocon unmi croscopi oordi nari o,mi ent r asquelasclulasani ma-les,quecarecendeparedcelular,sonmuchomsdifciles dedistinguirenunamuest r adetejido.ni cament ecuan-doSchwannexami nclulasdecartlagoseconvencide lassimilitudesf undament al esent relostejidosanimalesy vegetales, yaquelasclulasdelcartlago, alcont rari oque la mayor adelasclulasanimales,t i enenlmitesbienestable-cidospordepsi t osgruesosdefibrasdecolgeno. Schwannreuni t odasestasobservaci onesenunateora unificadadelaorgani zaci ncelular,quesehamant eni do antelapr uebadelt i empoyquecont i nasi endolabasede nuest roent endi mi ent odelai mpor t anci adelasclulasy delabiologacelular. Lateoracelulartalyc omofueor i gi nar i ament epost u-ladaporSchwannt i enedospri nci pi osi mport ant es; 1.Todoslosorgani smosconsistenenunaomsc-lulas. 2.Laclulaeslauni dadbsicadelaest ruct uradet o-doslosorgani smos. Menosde20aosdespusseaadi untercerprinci-pio.stesegenerapartirdeladescripcinoriginalde Browndelosncleos,supl ement adaporKartNgelipara incluirsusobservaci onessobrelanat ural ezadeladivisin celular.Hacia1855,elfisilogoal emnRudolfVirchow concluyquelasclulassegeneranni cament emedi ant e ladivisindeot rasclulaspreexistentes.Virchowdescri bi estaconcl usi nenlaahor afamosafrasedellatnomnisce-lulaecellula,cuyat raducci nseconvierteeneltercer pri nci pi odelateoracelularmoder na: 3.Todaslasclulasseori gi nanni cament eapart i rde clulaspreexistentes. As,laclulanoesslolauni dadbsicadelaest ruct u-radet odoslosorgani smossinot ambi nlauni dadbsica dereproducci n.Enot raspalabras,t odaslasf or masde vi datienenunabasecelular.Entonces,noresultasorpren-La teoracelular:unahistoriabreve3 r dentequeelentendimientodelasclulasydesuspropie-dadesseatanfundament alparalaapreciacincorrectade otrosaspectosdelabiologa. Laemergenciadelateoracelular moderna Lateoracelularmodernaimplicaelentretejidodetreshe-brasoramasdiferentesenunanicacuerda.Comoilustra laFigura1.1, cadaunadeestasramastieneorgeneshist-ricosdiferentes,ylamayorpartedesuentrelazamientose haproduci doni cament eenlosltimos75aos.Cada ramadebeserapreciadai ndependi ent ement edequecada unaaport aunacont ri buci nindependienteysignificati-va.Losbilogoscelularescont emporneosdebenconocer adecuadament ecadaunadelasramas,independiente-ment edesusinteresesinmediatos. Laprimeradeesasramashistricaseslacitologa,que principalmentesepreocupadelaestructuracelular.(El prefijogriegocyto-,aligualqueelsufijo-citosignificac-lula).Comoyahemosvisto,lacitologatienesusorgenes hacemsde300aosysudesarrolloinicialdependi en granmedidade lamicroscopaptica.Laincorporacinde lamicroscopaelectrnicaydediversastcnicas pticasre-lacionadasconstahaconduci doaunconsiderableincre-ment odelaactividadyelent endi mi ent odelacitolologa. Lascontribucionesdelabioqumicaanuestroentendi-mientode lafuncincelular representalasegundarama.La mayorpartedelosavances eneste camposehanproduci do enlosltimos75aos,aunquedenuevo,susorgenesre-trocedenmuchomseneltiempo.Eldesarrollodetcnicas como laultracentrifugacin, la cromatografay la electrofo-resis,hasidoespecialmentei mport ant eparalaseparacin deloscomponent escelularesymoleculares.Lautilizacin decompuestosmarcadosradioactivamenteenelestudiode reaccionescatalizadasenzimticamenteyderutasmetab-licashasupuestootracontribucinmuysignificativadela bioqumicaanuestroentendimientodecmofuncionan lasclulas.Encaptulossucesivosdetallaremosstasyotras tcnicasrelevantescuandosuentendimientoseanecesario paraexplorardiversosaspectosdelaestructurayfuncin celular.VaselaGuadeTcnicasyMtodosadjuntapara localizardiscusionessobretcnicasespecficas. Laterceraramaeslagentica.Surecorridohistrico retrocedemsde150aoshastaGregorM en del Sinem-bargo,denuevogranpartedenuestroent endi mi ent oac-tualdelagenticahasurgidodurant elosltimos75anos. Lademost raci ndequeelDNA(cidodesoxiribonuclei-co)eselport adordelainformacingenticaenlamayor partedelasformasdevida,yespecificaelordendesubu-nidades, y de ahlas propiedadesde lasprotenasresponsa-blesdelamayoradelascaractersticasfuncionalesyes-tructuralesdelasclulas,constituyunhitoespecialmente i mport ant eenlaramadelagentica. Loslogrosrecientesenlar amadelagenticaincluyen lasecuenciacindelosgenotnasntegros(todoelDNA)del hombr eydeotrasespeciesyelclotiaje(produccindeor-ganismosidnticosgenticamente)demam ferosinclui-dosovejasygatos. Elent endi mi ent odelabiologacelularactualsupone, por lotanto, la apreciacinde sus diversasracesy de laim-portanciadelascontribucionesquecadaunadelasco-rrientesquelacomponenhanrealizadoparanuestroen-t endi mi ent odeloqueunaclulaesydeloquepuede hacer.Acont i nuaci nsediscute demanerabrevecadauna deiascorrientes histricasdela biologacelularsibienob-t endremosunaapreciacinmscompletacuandoexplore-mosdiversosaspectosdelaestructura,lafunci nylage-nticacelularenotroscaptulos. Laramadelacitologaestudialaestructuracelular Habl andoestrictamente,lacitologaeselestudiodelas clulas(dehecho,elsignificadoliteraldelapalabragrie-gacytosrecipientehueco,encajabienconlaimpresin inicialdeHookedelasclulas).Sinembargo,histri-camentelacitologasehaocupadopri nci pal ment ede estructuracelular,f undament al ment eatravsdelusode tcnicaspticas.Aqusedescribenbrevementealgunos aspectosdelamicroscopaquehansidoi mport ant esen biologacelular. Vaseelapndiceparaunadiscusinms detallada. El microscopio ptico.El microscopio ptico fue la pri me-raherrami ent adeloscitlogosycontinateniendounpa-pelfundament alennuestraelucidacindelaestructura celular.Lamicroscopapticaposibilitaloscitlogosla identificacindeestructurasrodeadaspormembr anas comoncleos,mitocondriasycioroplatosendiversosdeti-poscelulares.Estasestructurassedenomi nanorgnulos (pequeosrganos)ysupresenciaesunacaracterstica promi nent edelamayorpartedeclulasanimalesy vegeta-les(peronodebacterias). Ot rosavancessignificativosincluyenlainvencindel mi cr t omoen1870yladisponibilidad,msomenosal mi smotiempo,dediversostintesycolorantes.Unmicrto-mo esuni nst rument oquepermiteobtenerseccionesfinas apartirdemuestrasbiolgicas,normal ment edespusde questashansidodeshidratadaseincluidasenparafinao plstico.Latcnicaposibilitalapreparacinrpidayefi-cientedeseccionesfinasdetejidodeungrosoruni forme. Loscolorantes,quehandesempeadounpapeltani mpor-tanteenlatincinylaidentificacindeestructurassubce-lulares,fuerondesarrolladosprincipalmenteenlasegunda mitaddelsigloxixporqumicosindustrialesalemanestra-baj andoconderivadosdelalquitrn. stos y otrosavancesrelacionados, j unt oconlamejora delaptica ylageneracindelentesms sofisticadas, con-duj eronalamicroscopapticatanlejoscomopodair, 4Captulo1Linavisindelaclula CLULABIOLGICA 2000-1975-1950-1925-1900-1875-1850-1825-Feulgen desarrollala^ tincindelDNA Suttonformulala^ teoracromosmica delaherencia Rouxy Weissman: loscromosomasson portadoresdela informacingentica Espectroscopiademasasempleada para estudiar proteomas % Secuenciacindelgenomahumano-Utilizacindelaproteinafluorescente verde\ para detectarprotenas funcionales enclulasvivas Alienylnouperfeccionaron, la vdeo-microscopade contraste Sedesarrollaronlosmtodos desecuenciacindelDNA Berg,Boyer yCohndesarrollan -las tcnicasdeclonacindelDNA Palade,SjastrandyPorer desarrollan tcnicasdemicroscopaelectrnica Avery,MacLeodyMcCarty muestranqueel DNAeselagentedetransformacingenticav Krebsdescubreelciclodelos TCA Svedberg desarrolla la uitracentrfuga EmbdenyMeyerhofdescriben-la vadelaglucolisis BuchneryBuchnerdemuestran fermentacinconextractoscelulares Pasteur une organismos _ vivosaprocesosespecficos Se describe -elcomplejo deGolgi Invencin _ delmicrtomo Desarrollode. tintesycolorantes Sedesarrollalabioinformtica paraanalizarlosdatosdesecuenciacin Seemplealaestereo-microscopaelectrnica paragenerarimgenestridimensionales Se clona la oveja Dolly Produccindelosprimerosanimalestransgnicos Heuser.Reese ycolaboradoresdesarrollan las tcnicasdelgrabadoporcongelacin Seelucidaelcdigogentico KornbergdescubrelaDNApolimerasa WatsonyCrickproponenladoblehlicepara elDNA Hershey y Chase establecen que el DNA es el material gentico Claudeaislalasprimerasfraccionesmitocondrales Invencindelmicroscopioelectrnico Levenepostula que elDNAtiene una estructurarepetidadetetranucletidos Morganycolaboradoresdesarrollan lagenticadeDrosophila Flemmingidentifica loscromosomas Correns,von TschermakydeVries redescubrenlasleyesdeMendel Miescher descubreelDNA Mendelformula susleyes fundamentalesdelagentica Whlersintetiza urea en ellaboratorio S chele i den ySchwannformulan lateora celular Browndescribe losncleos -KllikerdescribeGENTICA lasmitocondrias enclulasmusculares Vrchow:cada_ clulaprocede deotra clula BIOQUMICA 1800 1700 1600 -VanLeeuwenhoekmejoralaslentes Hookedescribelasclulas CITOLOGA Figura1, 1Lalneadeltiempoenbiologacelular.Aunquelacitologa, iabioqumicay lagenticacomenzaron como disciplinasseparadas, se hanidouniendo progresivamentedesde elsegundocuartodelsigloXX. la emergencia de la teora celular moderna5 hastaloslmitesdelaresolucindet ermi nadosporlalon-gituddeonda de laluz visible.Taly comose empleaenmi -croscopa,ellmitederesolucinhacereferenciaacmo deseparadostienenqueestarlosobjetosadyacentespara serdistinguidoscomoentidadesseparadas.Porejemplo, afi rmar que ellmitederesolucindeunmicroscopioes de 400nanmet ros(nm)significaquelosobjetosnecesitan estarseparadosalmenos400nmparaserreconocidos comoentidadesseparadas,mi ent rasqueunaresolucinde 200nmsignificaquesepuedendistinguirobjetossepara-dostanslopor200nm(unnanmetroes10"'9metros; 1nm=0,001fin).Cuant omspequeoesellmitedere-solucindeunmicroscopio,mayoressupoder deresolu-cin.Expresado ent rmi nos de/., lalongituddeondadela luzusadaparailuminarlamuestra,ellmitederesolucin tericoparaelmicroscopiopticoesdeA/2.Ellmitede resolucinparaaluzvisible,enunrangodelongitudesde ondade400-700nm,esdealrededorde200-300nm.La Figura1.2ilustraelrangotildelmicroscopiopticoy comparasupoderderesolucinconeldel oj ohumanoy el delmicroscopioelectrnico. Visualizacindeclulasvivas.Elt i podemi c r o s c o p ades -critohastaahorasedenomi namicroscopadecampoclaro porque laluz blancapasa directamente atravsdela mues-tra,lacualpuedeestarteidaono,dependi endodelasca-ractersticasestructuralesquevayamosaexaminar.Unali-mitacinsignificativadeestaaproximacinesquelas muestrasdebenestarfijadas(preservadas),deshidratadas, eincluidas enparafina oenplstico.Lamuestraporlotan-tonoestarviva,loqueconllevalaposibilidaddequeal-gunasdelascaractersticasobservadasconestemt odo, puedanserartefactosodistorsionesdebidasalprocesode fijacin,deshidratacinodeinclusin.Parasolventaresta desventaja,sehandesarrolladodiversastcnicaspticas especialesquehacenposibleobservardirectamenteclulas vivas.Entrestas,seincluyenlamicroscopadecontraste defase,lamicroscopadecontrastedeinterferenciadife-rencial1amicroscopadefluorescencia, lamicroscopacon-focalylavideomicroscopadigital.LaTabla1.1muestra imgenesobservadasconcadaunadeesastcnicasylas comparaconimgenesobservablesconmicroscopade campoclaroparamuestrasteidasysinteir.Cadauna deestastcnicassediscutirenelapndice;enestemo-ment onosconformaremosconunabrevedescripcinde cadaunadeellas. Lamicroscopadecontrastede faseydecontrastedein-terferenciadiferencialhacenposibleobservarclaramente clulasvivas(vaseTabla1.1).Estasdostcnicasi ncremen-tanyamplificanlospequeoscambiosdefasedelaluz trasmitida,cuandostaatraviesaunaestructuraquetiene distintondicederefraccinqueelmedi oquelarodea.La mayoradelosmicroscopiospticos actuales,ademsde la simpletransmisindeluz,estnequipadosconcontraste defaseycontrastedeinterferenciadiferencial,deforma Figura1.2Microscopaelectrnicadebarrido.Seutilizun microscopioelectrnicodebarri doparavisualizarclulasde neuroblastomahumano{a)yungranodepolen(b). quesepuedecambiardeunmododeusoaotrointercam-bi andocomponent espticos. Lamicroscopade fluorescenciaposibilitaalosinvestiga-doresdetectarprotenasespecficasuotrasmolculasal hacerlasfluorescentesmedianteelacoplamientodeunco-lorantefluorescente.Sepuedeestudiarladistribucinde diferentestiposdemolculasenlamismaclulamediante elusosimultneodedosomsdeestoscolorantes,cada unoacopladoauntipodemolcula. 6Captul o1Linavisindelaclula r Tabla1. 1Comparaci nentredi sti ntosti posdemi croscop apti ca Tipo demicroscopaMi cronograf aspticasdeclulasepitelialeshumanasdelamucosa ora!Tipo demicroscopa Campod a r o( muest r asinteir); laluzpasadi rect ament e atravsde lamuestra;laimagentienepoco contrasteanoserqueseaunaclula pi gment adaoquesetina artificialmente. Cont r ast edefase:i ncrement ael contrastedelasclulassinteir ampl i fi candolasvariacionesenel ndicederefraccin dent r odela muest ra;esespecialmentetilpara exami narclulasvivassin pi gment aci n. Campoclaro( muest r at ei da): latincincondiversoscolorantes i ncrement aelcontrasteperolos protocolosdetincinrequierenque lasclulasestnfijadas (preservadas). Cont r ast edei nt erferenci a di ferenci al :empleat ambi n modificacionespticaspara exagerarlasdiferenciasdelos ndicesderefraccin. Fluorescencia:muestrala localizacindemolculasespecficas enlaclula.Lassustancias fluorescentesabsorbenradiacin ultravioletayemi t enl u;visible.Las molculasfluorescentespueden existir demaneranaturalenla muestra,peroamenudosegeneran uni endocolorantesoanticuerpos fluorescentes alas molculasde inters. Confocal :emplealuzlseryun sistemapticoespecialpara i l umi narunnicopl anodent rode lamuest ra.Seobt i enenimgenes ni cament edelasregiones cont eni dasenunaprofundi dadde focoestrecha.Lasregionespor encimaypordebaj odelpi anode visinseleccionadoaparecenen negroynodesenfocadas. Futa?: tomado de Cnmpbdl y Rcece, Biologa, sexta edicin(SanFrancisco: BenjamnCnnimines, 2002), p.110 Unalimitacininherentealamicroscopadefluores-cenciaesqueelobservadorni cament epuedeenfocarun planodelamuest raenunmoment odet ermi nado,aunque t odoelespesordelamuest ra emitaluzfluorescente.Como consecuencia, laimagenvisibleesborrosapor laluzemiti-dadesderegionesdelamuest raporencimaypordebajo delplanode foco,loquehistricamentelimitestatcnica alestudiodeclulasaplanadasconunespesorm ni mo. Esteprobl emasehasolucionadoengranmedidamedian-telamicroscopaconfocalenlaqueseempleaunhazdeluz lserparailuminarenunmoment odet ermi nadounnico planodelamuestra.Estaaproximacinconfieremucha mej orresolucinquelamicroscopadefluorescenciatra-dicional,cuandoseempleaenmuestrasgruesascomoc-lulas completas. Adems, elhazde luzlser sepuededirigir secuencialmenteaplanosdefocosucesivosgenerandode estaformaseriesdeimgenesquesepuedencombi nar paraobtenerunaimagentridimensionaldelaclula. Ot r oavancerecienteenmicroscopapticaeslavideo-microscopadigital,queemplea cmarasdevdeoyalmace-nami ent oinformtico,y permiteelprocesamientodeim-genesdigitalizadasparaoptimizaryanalizarimgenes.El acoplamientodecmarasdevdeodealtasensibilidadlu-mnicaalosmicroscopios,haceposiblelaobservacinde clulasdurant eperi odosprolongadosdetiempo,usando nivelesmuybajosdeiluminacin.Estaintensificacindela imagenesparticularmentetilparalavisualizacinde molculasfluorescentesenclulasvivasconunmicrosco-piodefluorescencia. Elmicroscopioelectrnico.Apesardelosavancesenlas tcnicaspticasyene!incrementoenelcontraste,lami-croscopapticaestlimitadainevitablementeporellmi-tederesolucin, det ermi nadopor lalongitudde ondade la luzempleadaparalavisualizacindelamuestra.Incluso la utilizacinderadiacinultravioleta,conlongitudesde ondamscortas,incrementanlaresolucinnicamente porunfactordeunoodos. Eldesarrollodelmi croscopi oel ect rni co,inventado en Alemaniaen1932ycuyautilizacinenestudiosdebio-logaseextendiaprincipiosdeladcadadelosaos50, t raj oconsigounadelantodecisivoenelpoderderesolu-cin.Enlugardeluzvisible y lentespticas,elmicroscopio electrnicoempleaunhazdeelectronesqueesdesviadoy enfocadoporuncampoelectromagntico.Debi doaquela longitudde ondadeloselectronesesmuchoms cortaque ladelosfotonesdelaluz visible, ellmitederesolucindel microscopioelectrnicoesmuchomej orqueeldelmi -la emergenciadelateoracelularmoderna7 croscopioptico:alrededorde0,1-0,2nmparaelmicros-copioelectrnicoencomparacincon200-350nmparael microscopioptico. Peseatodo,ellmitederesolucinprcticoparamues-trasbiolgicasnormal ment enoesmej orde2nm;debido aprobl emasdecontrasteydepreparacindelamuestra. Sinembargo, elmicroscopioelectrnicotienealrededor de 100vecesmspoderderesolucinqueelmicroscopiop-tico(vaseFigura1.2).Comoresultado,lacapacidadtil deaument ar es t ambi nmayor:hasta100.000 vecesparael microscopioelectrnico,comparadocon1.000-1.500ve-cesparaelmicroscopioptico. Existendosdiseosbsicosdemicroscopioelectrni-co:elmicroscopioelectrnicode transmisin(TEM)yel microscopioelectrnicodebarrido(SEM).Losdosse describendetalladamenteenelapndice.Losmicroscopios electrnicosdetransmisinydebarri dosonsimilares,ya queambosempl eanunhazdeelectrones,perousanmeca-nismosdiferentesparalaformacindelaimagen.Como sunombreimplica,eTEMformalaimagenapartirde electronesquesetransmitenatravsdelamuestra.En cambio,elSEMescanealasuperficiedelamuestray forma unaimagenporapartirdeloselectronesdesviadosdela superficieexternadelamuestra.Lamicroscopaelectrni-cadebarri doesunatcnicaespecialmenteespectacular por lasensacin deprofundi dadquedaa lasmuestrasbio-lgicas(Figura1.3).Lamayorpartedelasmicrografas electrnicasdeestelibrohansidoobtenidasmediantela utilizacindelTEMoelSEMyseidentificanalfinalde cadapedefiguramediantelaabreviaturadetresletras. Lasmuestrasquesepreparanparamicroscopaelectr-nicadebenserext remadament efinasdebidoalbajopoder depenet raci ndeloselectrones.Eli nst rument oquese empleaparaestefinsedenomi naultramicrtomo.Est equipadoconunacuchilladediamanteypuedecortarsec-cionestanfinascomo20nm.Tambinsepuedenestudiar muest rassustancialmentemsgruesasmediantemicros-copaelectrnicaperoentoncesesnecesariounmayorvol-tajeparaincrementaradecuadament eelpoderdepenetra-cindeloselectrones.Estosmicroscopioselectrnicosde altovoltajeusanvoltajesdeaceleracindehastavariosmi -lesdekilovoltios(kV), comparadosconelrangode50-100 kVcomnment eempleadoenlamayoradelosinstru-mentosconvencionales.Coneli nst rument odealtovoltaje sepuedenestudiar seccionesdehasta]f i m degrosor y esto nospermiteexaminarenmayorprofundi dadorgnulosy otrasestructurascelulares. Actualmenteseempleandiversastcnicasespecializadas demicroscopaelectrnicadetransmisin,paralascuales sepreparanlasmuestrasdeformaalternativa.Entre ellasse incluyenlatincinnegativa,el sombreado,lacro fractura y el grabado porcongelacin,lascuales permi t enlavisualizacin demuestrasentresdimensiones.Latcnicadenomi nada estereo-microscopaelectrnicaesunatcnicaadecuadapara estepropsitoy enellalamuestra esfotografiadadesdedos ngulosligeramentediferentesusandounsoportequepue-deserinclinadoconrespectoalhazdeelectrones.Estas tcnicassedescribenendetalleenelapndice. Lamicroscopaelectrnicaharevolucionadonuestro ent endi mi ent odelaarquitecturacelularhaciendoposible (a)Clulasdeneuroblastomahumano50^m(b) Granodepolenl Of i m Figura1.3Microscopaelectrnicadebarrido.Se utilizunmicroscopioelectrnicodebarri do paravisualizarclulasdeneuroblastoma humano(a)yungranodepolen(b). 8Captulo1Linavisin de la clula investigacionesultraestructuralesdetalladas.Algunosor-gnulos(comolosncleosolasmitocondrias)sonsufi-cientementegrandesparaserobservadosconunmicros-copiopticoperopuedenserestudiadosconmuchoms detalleconunmicroscopioelectrnico.Adems,1ami-croscopaelectrnicahapuestodemanifiestolaexistencia deestructurascelularesquesondemasiadopequeaspara serobservadasamicroscopaptica.stasincluyenriboso-mas,membranas,microtbulosymicro filamentos(vase Figura1A.2enpgina3). La bioqumica estudia laqumicadeiaestructura yla funcinbiolgica Enelmoment oenelqueloscitlogosestabancomenzan-doaexplorarlaestructuracelularconsusmicroscopios, otroscientficosestabanhaciendoobservacionesqueco-menzaronaexplicaryaclarificarlafuncincelular.Gran partedeloqueahorasedenomi nabioqumicaprocedede undescubri mi ent odescritoporelqumicoalemnFrie-drichWhl eren1828.Whlerfuecont emporneo(as comocompat ri ot a)deSchleidenySchwann.lrevolucio-nnuestropensami ent oacercadelabiologaylaqumica mediantelademostracindequelaurea,uncompuest o orgnicodeorigenbiolgico,podrasersintetizadaenel laboratoriopart i endodeunmaterialinorgnicocomoel cianatodeamonio.Hastaentonces,sehabamant eni do quelosorganismosvivosconstituanunmundoaislado, nogobernadoporlasleyesdelaqumicay delafsica,que rigenelmundoinerte.Mediantelademost raci ndeque uncompuest ohechopororganismosvivosbi oqu mi -copodr asersintetizadoenunlaboratorioigualque otroscompuestosqumicos,Whlerayudaromperla distincinconceptualentre losmundosvivoeinerte y a di-siparlanocindequelosprocesosbioqumicosestabande algunaformaexentosdelasleyesdelaqumicaylafsica. Ot r ogranavance vino40aosmstarde, cuandoLouis Pasteuruni laactividaddelosorganismosvivosaproce-sosespecficos,most r andoqueparallevaracabolafer-mentacindelazcarenalcoholerannecesariaslevaduras vivas.Estaobservacinfueseguidaen1897poreldescu-bri mi ent odeEduardyHansBuchnerdequelaferment a-cinpodatenerlugartambinapartirextractosdeleva-duras,esdecir,lasclulasintactasnoerannecesarias. Inicialmente, estosextractossedenomi naronfermentos, perogradual ment esefueclarificandoquelosagentesacti-vosenlosextractoserancatalizadoresbiolgicosespecfi-cosquedesdeentoncessehandenomi nadoenzimas. Enlasdcadasde1920y1930sepr oduj ounprogreso significativoennuestroent endi mi ent odelafunci ncelu-laralelucidarlasvasbioqumicasdelafermentaciny otrosprocesoscelularesrelacionados.Esteperiodoestuvo domi nadoporlosbioqumicosalemanescomoGustav Embden,Ot t oMeyerhof,Ot t oWarburgyHansKrebs,Al-gunosdeelloshanquedadoinmortalizadosdesdeenton-cesporlasvasmetablicasquellevansusnombres.Por ejemplo,lavaEmbden-Meyerhof delaglucolisissupuso ungrant ri unfodelainvestigacindelosprincipiosdelos aos30.PocodespusfueseguidoporelciclodeKrebs (tambinconocidocomoelciclodelosTCA).Estasdos vassoni mport ant esporsuimplicacinenelproceso medianteelcuallasclulasobtienenenergaapartirdesus nutrientes.Aproxi madament ealmi smotiempo,Fritz Li pmann,unbi oqu mi coamericano,describiqueel compuest odealtaenergaadehosinatrifosfato(ATP)esel principalcompuest odealmacenamientodeenergaenla mayoradelasclulas. Cuandoseempezaronausaristoposradioactivos como?H,14Co32Pparamarcareldestinodet omosy molculasespecficassepr oduj ounavancei mport ant een elestudiodelasreaccionesylasvasbioqumicas.( Como podrrecordardelaqumica,distintost omosdeunele-ment opuedentenerelmi smonmer oatmicoycasipro-piedadesidnticasperodiferirenelnmer odeneutrones y, por lotanto, enelpeso atmico;unistopo serefiere alos t omosconunnmer oespecficodeneut ronesyconello unpesoatmicoparticular.Unistoporadioactivo,ora-dioistopoesunistopoinestable,queemitepartculas subatmicas[partculasalfaobeta]yenalgunoscasos,ra-yosgamma,mi ent rasseconvierteespont neament een unaformaestable.)MelvinCalvinysuscolegasdelaUni-versidaddeCaliforniaenBerkeleyfueronpioneroseneste campoaltrazar eldestinodeldixidode carbonomarcado con14C,1 4C02 ,enalgasiluminadasqueestabanrealizan-dolafotosntesisactivamente.Sutrabajo,desarrolladoafi-nales delos aos40yprincipios delos50,conduj o a la elu-cidacindelciclodeCalvin,nombr equerecibelavams comndelmetabolismofotosintticodelcarbono.Elciclo deCalvinfuelapri meravametablicadescubiertame-dianteelusodeunradioistopo. Labioqumicadioot rogranpasoadelanteconelde-sarrollodelacentrifugacincomomt odoparaseparary aislarestructurassubcelularesyma ero molculasenbase a sut amao,forma,y/odensidad,procesodenomi nado fraccionamientosubcelular.Lastcnicasdecentrifuga-cinusadasparaesteobjetivoincluyenlacentrifugacindi-ferencialylacentrifugacinengradientededensidad,que separanorgnulosyotrasestructurassubcelularesenbase adiferenciasent amaoy/odensidad,ylacentrifugacinen equilibriodedensidad,esunatcnicapoderosaparasepa-rarorgnulosymacromolculasenbasealasdiferencias dedensidad.Cadaunadeestastcnicas se describedetalla-dament eenel Anexo 12Aenlaspginas322-326.Laultra-centrfuga,desarrolladaenSueciapor TheodorSvedberga finalesdelosaos20,esespecialmentetilparalaresolu-cindepequeosorgnulosymacromolculas.Unaultra-centrfugaescapazdedesarrollarvelocidadesmuyaltas msde100.000r pi nypuedeporlotantosometerlas muestrasafuerzasquesuperan500.000veceslafuerzade lagravedad(g).Engranmedidalaultracentrfugaestan la emergenciadelateoracelular moderna9 fundament alparalabioqumicacomoelmicroscopio electrnicoloes para lacitologa.Dehecho,ambosinstru-mentosse desarrollaronms omenosalmi smo tiempo,de formaquelacapacidaddeverorgnulosyotrasestructu-rassubceluiaressepr oduj ocasisi mul t neament econla capacidaddeaislarlosypurificarlos. Otrastcnicasbiolgicasquehansidomuytilespara aislarypurificarcomponent essubceluiaresincluyenla cromatografaylaelectroforesis.Cromatografaesuntr-mi nogeneralqueincluyeunavariedaddetcnicasenlas quesefraccionaprogresivamenteunamezclademolculas mi ent raslasolucinfluyeatravsdeunafaseinmvily absorbente,contenidageneralmenteenunacol umna.Las tcnicascromatogrficasseparanmolculasenbasealta-mao,lacargaolaafinidadpormolculasogruposfun-cionalesespecficos.EnlaFigura7.9delapgina181se muestraunejemplodeunatcnicacroma togrfca. Electroforesishacereferenciaadiversastcnicasrela-cionadasqueutilizanuncampoelctricoparasepararmo-lculasenbaseasumovilidad.Elri t moalquecualquier molculasemuevedurant elaelectroforesisdependedesu cargay desutamao.Elmedi omscomnparalasepara-cinelectroforticadeprotenasycidosnucleicosesun geldeagarosaodepoliacrilamida.EnlaFigura7.22dela pgina194seilustralautilizacindeelectroforesisengel depoliacrilamidaparalaseparacindeprotenas. Debidoaiincrementodelahabilidadparaver,fraccio-nar y aislarestructuras subceluiares,losot l ogosy los bio-qumicoscomenzaronadarsecuentadequeelalcancede susobservacionessobrelaestructuraylafuncincelular respectivamentepodancomplementarse,estableciendo losfundament osdelabiologacelularmoderna. Larama dela gentica se centra enei flujo deinformacin Latercerahebraoramadelacuerdadelabiologacelular esla gentica. Aligualquelasotrasdos,tieneracesi mpor-tantesenelsigloXIX.Enestecaso,lahebracomienzacon GregorMendel,cuyosestudiosenlasplantasdeguisante quecultiveneljardndesumonasterioestnseguramen-teentrelosexperimentosmsfamososdetodalabiologa celular.Susdescubrimientosfueronpublicadosen1866, estableciendolosprincipiosdelasegregacinyladiversi-daddelosfactoreshereditariosquehoyconocemos comogenes.Estosprincipiostuvieronunaimportancia singularyconstituyenlosf undament osdeloqueposte-ri orment ehemosconocidocomolagenticamendeliana. Sinembargo,Mendelfueclaramenteunhombr eadelanta-doasutiempo.Sut rabaj opasinadvertidocuandosepu-blicnicialmenteynofueapreciadocompl et ament ehas-tasuredescubrimientocasi35aosmstarde. Comopreludiodeeseredescubrimiento,enladcada posterior altrabajodeMendelse comenzaapreciar el pa-pe!de)ncleoenlacontinuidadgenticadelasclulas.En 1880,WaltherFlemmingidentificloscromosomascomo cuerposconf or madehebrapresentesenlasclulasquese dividen.Fl emmi ngdenomi nmitosisalprocesodedivi-sin,apartirdelapalabragriegaparahiloofibra.Poco despussereconocielnmerode cromosomas comouna caractersticadistintivadecadaespeciequepermanece constante de generacinengeneracin.Elhechodeque los cromosomasfueranportadoresde lai nformaci ngentica fuesugeridoporWilhelmRouxyaen1883,y f uecomuni -cadomsformal ment eporAugustWeissmanpocot i empo despus. Unavezqueseesclarecilafuncindelncleoylos cromosomas,seestablecielescenarioparaelredescubri-mientodelasobservacionesinicialesdeMendel.Estose pr oduj oen1900,cuandosusestudiosfueroncitadoscasi si mul t neament eportresgenticosdeplantast rabaj ando i ndependi ent ement e:CariCorrensenAlemania,Ernst vonTschermakenAustria y Hugode VriesenHol anda.En tresaosformul lateoracromosmicadelaherencia WalterSutton,quefueelpri meroenunirloshiloscro-mosmicosdeFlemmingconlosfactoreshereditarios deMendel. LateoradeSuttonpropusoquelosfactoresheredita-riosresponsablesdelaherenciamendelianaselocalizanen loscromosomasdentrodelncleo.Estahiptesisrecibi suconfirmacinmsfuerteapartirdeltrabajodeTomas HuntMorganysusestudiantesdelaUniversidaddeCo-lumbiadurant elasprimerasdosdcadasdelsigloxx.Ellos eligieronDrosophilamelanogaster,lamoscacomndela fruta,comoespecieexperimental.Morganysuscolabora-doresfueroncapacesderelacionarrasgosdefinidoscon cromosomasespecficosmediantelaidentificacindedi-versosmut ant esmorfolgicosdeDrosophila, Mientrastanto,losf undament osdenuestracompren-sindelabasequmicadelaherenciaestabansiendoesta-blecidoslentamente.Eldescubri mi ent odelDNAporJo-hanFriedrichMiescheren1869fueunhitoi mport ant e. Miescheraislydescribiloquedenomi nnuclenauti-lizandofuentesaparent ement etani mpr opi adascomoel espermadesal mn y elpushumanodelasbandejasdeci-ruga.PeroMiescher,aligualqueMendel,estabaadelanta-dorespectoasupocayaquepasaronaproxi madament e 75aosantesdequeseconsiderasecompl et ament eei papeldesunuclenacomolainformacingenticadela clula. ElDNAfueidentificado,yaen1914,comouncompo-nentei mport ant edeloscromosomasmediantelatincin deRobertFeulgenqueanseusaenlaactualidad.Perose ledioescasaconsideracinalaposibilidaddequeelDNA pudieraserelport adordelai nformaci ngentica.Dehe-choseconsideralgoimprobable,comoconsecuenciade laestructuraaparentementecarentedeintersdelosmo-nmerosconstituyentesdelDNA(denomi nadosnucleti-dos)queseconocieronalrededor de1930.Hastamediados delsigloxx,seaceptabacomnment equelosgenesesta-10Captulo1Linavisindelaclula batconstituidos por protenas, yaquestaseranlosnicos component esnuclearesqueparecanjustificarladiversi-dadobviadelosgenes. En1944,OswaldAvery,ColinMacLeodyMaclyn McCartydescribieronunexperi ment oclavequeapuntaba claramentealDNAcomoelmaterialgentico.Sut rabaj o secentrenelfenmenodet ransformaci ngenticade bacteriasquesediscutirenelCapitulo18.Suevidencia eraconvincente,perolacomuni dadcientficapermaneci durant ebastantet i empopococonvencidadelaconclu-sin.Sinembargo,sloochoaosmstarde,comoconse-cuenciadelt rabaj odeAlfredHersheyyMarthaChasese acogideformamsfavorableelhechodequeelDNA,en lugardelasprotenas,entraenlaclulabacterianacuando esinfectadaporunvirusbacteriano, Almi smotiempo,GeorgeBeadleyEdwardTatum,tra-baj andoenlosaos 40del sigloXXenelmohodelpanNeu-rosporacrassa,formul aronelconceptodeungen-unaen-zima,afi rmandoquelafunci ndeungenescontrolarla produccindeunanicaprotenaespecfica.Pocot i empo despus,en1953,JamesWatsonyFrancisCrickpropusie-ronsuahorafamosomodel odedoblehliceparalaes-tructuradelDNA,incluyendopropiedadesqueinmediata-ment esugirieroncmopodansucederlareplicacinylas mutacionesgenticas.Pocodespus,sedescubrieronlas propiedadesdelafunci ndelDNA,establecindosequeel DNAespecificaelordendemonmeros(aminocidos)y por lotantolaspropiedadesdelas protenas, yquediversos tiposdemolculasdeRNA(cidoribonucleico)actan comointermediariosenlasntesisdeprotenas. Losaos60conduj eronaavancesespecialmentesigni-ficativos,incluyendoeldescubri mi ent odelasenzimasque sintetizanelDNAyelRNA(DNApolimerasasyRNApo-limerasas,respectivamente)yalestallidodelcdigoge-ntico,queespecificalarelacinentreelordendenucle-tidosenunamolculadeDNA(oRNA)yelordende aminocidosenunapro tena.Alrededordelmi smotiem-po,lacquesMonod yFrangoisJacobdeduj eronelmecanis-moresponsabledelaregulacindelaexpresingnicaen bacterias. Las tcnicasi mport ant esdelaramade lagentica,ilus-tradasenlaFigura1.1,incluyenlaseparacinporultra-centrifugacinyelectroforesisengeldemolculasyfrag-ment osdeDNA.Lahibridacindecidosnucleicostiene igualimportancia,sinomayor,eincluyeunavariedadde tcnicasrelacionadas,quedependendelacapacidadde dosmolculasdecidonucleicodehebrasencillaconse-cuenciadebasescomplementarias,paraunirseohibridar-se entreellas,f or mandoasunh bri dodedoblehebra.Es-tastcnicassepuedenaplicarainteraccionesDNA-DNA, DNA-RNA,einclusoRNA-RNA,ysonmuytilesparael aislamientodemolculasdeDNA oRNA ofragmentoses-pecficosdestas. EldesarrollodelatecnologadelDNArecombinante enlosaos 70 es el avancetecnolgicoque sindudams ha cont ri bui doalent endi mi ent odelaexpresingnica.Esa tecnologasehizoposiblegraciasaldescubrimientodelas enzimasderestriccin.Estasenzimastienenlahabilidadde cortarmolculasdeDNAensecuenciasespecficas llamadassitiosderestriccin,loquelashaceherramientas poderosasparacortarmolculaslargasdeDNAenfrag-mentosderestriccinmspequeosquepuedenserrecom-binadosde variasformas.Usandoestasenzimas,loscient-ficospuedencrearmolculasdeDNArecombinanteque contengansecuenciasdeDNAcondosorgenesdiferentes. Estoconduj orpi dament eaidesarrollodelclonajegnico, unprocesoquepermitelageneracindenumerosascopias desecuenciasespecficas deDNA.Estastcnicas se explica-rny se explorarn detalladamente enlos Captulos18y20, Alrededordelamismapoca,seinventaronmtodos paradet ermi narrpi dament elassecuenciasdebasesen fragment osdeDNA.Esmuydifcilsobrestimarlai mpor-tanciadelatecnologadesecuenciacindelDNA,Dehe-cho,latecnologaestrivialyautomatizaday seaplicaruti-nari ament enosloparagenesindividualessinopara genomascompletos(elcont eni dototaldeDNAdeuna clula).Inicialmente, lasecuenciacindelgenomaseapli-cabaprincipalmenteagenomasbacterianosyaquegene-ralmentesonrelativamentepequeos,deunospocosmi-llonesdebases.PerolasecuenciacindeDNAhasido empleadadesdeentoncesconxitoagenomasmuchoms grandes,incluyendoaquellosdeespeciescomolevaduras, lombrices,plantasyanimalesquesondeespecialinters paralosinvestigadores.Lasecuenciacindelgenomahu-manoentero,quecontienecercade3,2billonesdebases, constituyeunt ri unfoesencial.Estahazaasealcanzgra-ciasalProyectoGenomaHumano,unesfuerzodecoopera-cininternacionalque comenzen1990,implicacientos decientficos,yestableciiasecuenciacompletadelgeno-mahumanoalrededorde2003. Eldesafodeanalizarlagrancantidaddedatosgenera-dosporlasecuenciacindelDNAhadadolugarauna nuevadisciplinal l amadabioinformticaquecombi nala informtica y la biologacon objetode darsentidoa ios da-tosdesecuenciacin.Enelcasodelgenomahumano,esta aproximacinhaconduci doalreconocimientodque existenporlomenos35,000genesquecodificanparapro-tenasenelgenomahumano.Aproxi madament elamitad deellosnoseconocanantesdelasecuenciacindelgeno-ma.AhoraqueseconocenlassecuenciasdelDNAdeesos genes,ios cientficos estn comenzandoa observar ms alia delgenomaparaestudiarelproteoma,queabarcalaestruc-t uraylaspropiedadesdecadaprotenaproducidasporun genoma. stasyotrastcnicashanayudadoaf undarlaeradela genticamolecularquecont i narevolucionandolabiolo-ga.Enesteproceso,laramahistricadeiagentica,que retrocedehastaMendel,seentrelaza nt i mament econla citologaylabioqumicaenladisciplinadebiologacelu-lartaly comolaconocemosactualmente. laemergenciadelateoracelularmoderna11 BIOLOGA,HECHOSYELMTODOCIENTFICO Sinospregunt anquesperamosobt enerdeunlibrodeciencia, lamayoradeloslectoresprobabl ement erespondernque pret endenaprenderloshechosrelevantesdelreacientficaque trataellibro,biologacelular,enelcasodellibroqueest leyendoahora.Sinoshacenexplicarquesunhecho,la mayoradelagenteprobabl ement eresponderqueunhechoes algoquesabemosqueescierto.Esesignificadodelapalabra coincideconeldiccionarioyaqueunadelasdescripcionesde hechoesi nformaci nquetieneunarealidadobjetiva. Sinembargo,parauncientficounhechoesuna i nformaci nmuchomsdbildeloquepuedeimplicarla definicin.Loshechosencienciasonni cament ei nt ent osde explicarnuest roent endi mi ent oactualdelmundonat uralque nosrodeabasndonosenobservacionesyexperi ment osque podemosrealizar.Laverdadparauninvestigador,talcomolo describitanapropi adament euncientfico,noesunreduct o decertezaquedebamosdefendercontraelerrorsinoqueesun lugardesombr adondepodemoscomerantesdecont i nuarla marcha(Whi t e,1968,p.3). Labiologacelularesricaenej empl osdehechosque fueronaceptadosdef or mageneral,peroquepost eri orment e fueronrechazadosamedi daquelosbilogoscelulares cont i nuar onsumarchaparai nt ent arexplicarlosf enmenosa losqueserefierenesoshechos.Porej empl o,yaenelsigloXIXse mant en adef or mageneralizada(esdecir,consi derndol o comounhecho)quelamateriavivaconsistaensustancias distintasdelamateriainerte.Deacuerdoconesta i nt erpret aci n,denomi nadavitalismo,lasreaccionesqu mi cas quesucedenenlamateriavivanosiguenlasleyesdelaqu mi ca ydelafsica,sinoquesonguiadasporunafuerzavital. Entoncesaparecilademost raci ndeFredrtchWhl er(en 1828)dequeelpr oduct obiolgicoureapod asersintetizado enell aborat ori oapartirdeuncompuest oinorgnico,echando abaj ounodeloshechosdelvitalismo.Elot r ohechofue refut adoporelt rabaj odeEduardyHansBuchnerque most r ar on(en1897)quelosextractossinvidaobt eni dosa part i rdelevaduraspodr anf er ment arelazcarenetanol.De estaf or ma,loquesehabaconsi deradocomounhecho dur ant egeneracionesdecientficos,fuefi nal ment e desacreditadoyreempl azadoporunnuevohecho consistenteenqueloscomponent esenlasreaccionesdela materiavivanoconstituyenunmundoapart esinoquesiguen lasleyesdelaqu mi caydelafsica. Comoej empl omscont emporneo,consi deremosl oque sabemosacercadelaenerganecesariaparamant enerlavida. Hastahacepocoseconsiderabacomounhechoelqueelso)era lafuent eltimadetodalaenergadelabiosfera,def or maque todoslosorgani smosobienusanalaenergasolar di rect ament e(porejemplo,lasplantasverdes,lasalgasyalgunas bacterias)obienespart edeunacadenaalimenticiamant eni da porlosorgani smosfotosintticos.Entoncessedescubrilos afl orami ent osdeaguastermalesdelf ondodelmarylas comuni dadesprsperasdeorgani smosquevivenal rededorde ellas,ni ngunadelascualesdependedelaenergasolar.Porel cont rari o,estosorgani smosdependendelaenergaquees extradaapartirdelosenlacesdesul furodehi drgeno(H2S) porlasbacteriasquevivenal rededordelosafl orami ent os termalesyqueemplearparasintetizarcompuest osorgnicosa partirdedi xi dodecarbono.Esasbacteriasconstituyenlabase delascadenasalimenticiasqueincluyenalzooplancton (animalesmicroscpicos),agusanos,yaot rosresidentesenel medi odelosafl orami ent ostermales. As,loshechosquesepresentanenloslibrosdetextode biologacomostenosonmsquenuestrosmejoresi nt ent osde describiryexplicarelf unci onami ent odelmundobiolgicoque nosrodea.Estnsomet i dosacambi osamedi daqueconocemos i nformaci nnuevaomejor, Cmodi sponemosdei nformaci nnuevaymejor?Los cientficosnor mal ment eadquiereni nformaci nnueva medi ant eunaaproxi maci nsistemticadenomi nadaelmtodo cientfico.ComoseindicaenlaFigura1B-1elmt odocientfico comienzacuandouninvestigadorrealizaobservacionesenel campooenunl aborat ori odeinvestigacin.Enbaseaesas observacionesyalconoci mi ent oobt eni doenestudiosprevios, loscientficosformul anunahiptesiscomprobable,una explicacinposibleounmodel ocompat i bl econlas Hechosye!mt odoci ent f i co Fami l i ar i zar s econunar a madel aci enci ac o mol abi ol og a cel ul arsi gni f i ca,alme n o senpar t e,a p r e n d e ral gunoshe-chosacercadeella.I ncl us oenest ebr evecap t ul oi nt r oduc -t or i onosh e mo se n c o n t r a d oal gunoshe c hosdel abi ol og a cel ul ar.Cu a n d ode c i mosp o re j e mpl oquet odosl osor ga-n i s mo sest nf o r ma d o sporu n aom scl ul asoq u eel DNAeselp o r t a d o rdel ai n f o r ma c i ngent i ca,r econoce-mo sest asa f i r ma c i one sc o mohe c hosdel abi ol og acel ul ar. Per ot a mbi nr e c onoc e mosq u el ap r i me r adeest asa f i r ma -ci onesf uec ons i de r a dai ni ci al ment ec o mopa r t edeu n a t eor ayLas e gundaa f i r ma c i nr e e mpl a z alc onc e pt oe r r -ne odeq u el osgeneses t abanf o r ma d o sporpr ot e nas . Porl ot ant o,unhechoci ent f i coesunai n f o r ma c i n mu c h om sdbi lquelasi mpl i caci onesdels ent i docot i di a-nodel apa l a br ahecho.Par aunci ent f i counhechoes s i mp l e me n t euni nt e nt odeest abl ecernue s t r ome j o ren-t e ndi mi e nt odeunf e n me n oespec f i co,yes n i c a me n t e vl i dohas t aq u eesr evi s adoor e e mpl a z a doporu n aexpl i -caci nme j or .El Ane xo1Bexpl i caels i gni f i cadodeal gunos hechosenbi ol og ayelm t o doci ent f i come d a n t eel cualo b t e n e mo si n f o r ma c i nnuevayme j or . Talyc o moc o n s i d e r a mo selm t o d oci ent f i co,de be -mo sc onoc e ra l gunost r mi n o si mp o r t a n t e sq u el osci ent -f i cosus anpar ai ndi carelgr a dodever aci daddeunaexpl i -caci nounc onc e pt oc ons i de r a doc o mover dader o.Hay 12Captulo1Linavisindelaclula fT)Interpretarresultados ( 6^ Elaborarconclusionesrazonables Figure 1B.1El mtodo cientfico. observaci onesy cone!conoci mi ent oprevi oyquepuedeser compr obadoexper i men t al ment e.Acont i nuaci n,el i nvest i gadordiseaunexperimentocontroladoparacompr obar lahi pt esi svar i andoal gunascondi ci onesymant eni endot odo lodemst anconst ant ec omoseaposible.Ent onces,elcientfico recogelosdatos,interpretatosresultadosyestablececonclusiones razonablesqueobvi ament edebensercompat i bl es,noslocon losresul t adosdeeseexper i ment oenpar t i cul arsi not ambi n conelconoci mi ent oprevi o. Paraunci ent fi coenactivoelm t odoci ent fi coesmsuna f or madepensarqueunpr ot ocol oquedebesersegui do.staes, muypr obabl ement e,l aformaenquenuest r osant ecesores expl i caronei nt er pr et ar onlosf enmenosnat ural esmuc ho ant esdequeloscientficosf uer anf or madosenlas uni versi dadesymuc hoant esdequelosest udi ant esleyesen ensayossobr eelmt odocientfico. Cua ndoseilustraenundi agr amacomoeldelaFiguraIB-1 elmt odoci ent fi coparecemuyprecisoyor denado.Sin embar go,not odosl osdescubr i mi ent oscientficossehacende estaf or ma.Muchosavancesi mpor t ant esenbiologasehan real i zadodef or maacci dent almsquedef or mapl aneada.Un ej empl oclsicoeseldescubr i mi ent odelapeni ci l i naen1928 porAl exanderFl emi ng.Fl emmi ng,unmdi coybact eri l ogo escocs,dej acci dent al ment esint aparunaplacadecultivode bact eri asStaphilacacus,deformaqueest uvoexpuest aala cont ami naci nporot r osmi cr oor gani smos.Fl emmi ngest uvoa punt odedesecharelcul t i vocont ami nadocuandosedi ocuent a delapresenciadeal gunaszonasclarasenlasquelasbact eri as noest abancreci endo.Fl emmi ngma nt uvolaplacasecultivo,y r azonandoqueelcr eci mi ent obact er i anopodr ahabersi do i nhi bi doporal gncont ami nant edelaireyr econoci endola i mpor t anci aquepodr at eneruni nhi bi dordelcreci mi ent o bact eri ano,comenzai nt ent araislarycaract eri zarlasust anci a. Lai dent i fi caci ndelapeni ci l i naylademost r aci ndequeerael pr oduct oder i vadodeunmohofuerealizadaporot ros,pero Fl emi ngesreconoci doporeldescubr i mi ent oinicial. LosAnexosdeloscap t ul ossiguienteslepondr nal corri ent edeot r osej empl osdedescubr i mi ent osapar ent ement e acci dent al es.I ndependi ent ement edec modeaccidentales puedanpareceresosdescubr i mi ent oscasisi empr eesverdad quelacasual i dadfavorecealasment espreparadas.Det rsde l aapar ent ecasualidaddecadadescubr i mi ent ohayuna ment epr epar adaquehasidoent r enadaparaobser var cui dadosament eypensarast ut ament e. Amedi daqueavanceestet ext ot rat edeaplicarelm t odo cientfico.I ndependi ent ement edel aapr oxi maci n,observar quelasconcl usi onesdecadaexper i ment opr opor ci onan i nf or maci ndec mof unci onanl ossistemasbi ol gi cosy babi t ual ment enosconduci r nanuevaspr egunt as, cont i nuandoelciclodelainvestigacincientfica.Estoesbueno siaspiraadedi carselainvestigacinyaqueelme j orseguropara comenzaresqueanexistanpr egunt asporresponder. t r est r mi n o sq u es o ne s p e c i a l me n t es i gni f i cat i vos :hipte-sis,teorayley. Dees t ost r e st r mi n o s ,hi p t e s i se se lm spr ovi s i ona l . Un ahi pt e s i se ss i mp l e me n t eu n aa f i r ma c i nou n aexpl i -c a c i nc o mp a t i b l ec o nl ama y o rp a r t edel aso b s e r v a c i o -ne syl ase vi de nc i a se x p e r i me n t a l e sd i s p o n i b l e sh a s t ael mo me n t os o b r eu nt e ma .S u p o n g a mo sp o re j e mp l oq u e us t e dhas e n t i d oa r d o rdee s t ma g ot r esvecesd u r a n t ee l l t i mome s ,yq u ec a d avezhac o mi d opi zzadepepperoni p o c oa nt e sdes e nt i re la r d o rdee s t ma g o .Un ahi pt e s i s r a z o n a b l ep o d r aserq u ee la r d o rdee s t ma g oest deal -g u n af o r maa s oc i a doalc o n s u modepi zzadepepperoni.A me n u d o ,u n ahi pt e s i ss et r a n s f o r mae nu nmodeloq u e pa r e c ep r o p o r c i o n a ru n ae xpl i c a c i nr a z o n a b l ea if e n -me n oe nc ue s t i n. Par asert i lal osci ent f i cos ,u n ahi pt e s i sd e b eser comprobable,esdeci r ,d e b eserp o s i b l ed i s e a rune xpe r i -me n t oc o n t r o l a d oq u ec o n f i r ma r or e c ha z a r l ahi pt es i s . Enba s eao b s e r v a c i o n e si ni ci al esyalc o n o c i mi e n t op r e v i o ( mu yp r o b a b l e me n t eapa r t i rdelt r a b a j odeot r osi nves t i -ga dor e s )l osci ent f i cosf o r mu l a nu n ahi pt e s i sc o mp r o b a -bl eydi s e a nune x p e r i me n t oc o n t r o l a d op a r ad e t e r mi n a r sil ahi pt e s i sesr e s p a l d a d ap o rd a t o suo b s e r v a c i o n e s (vaseFi gur aI B.1). C u a n d ou n ahi pt e s i sounmo d e l os eh a nc o mp r o b a -d od ema n e r acr t i ca,e ndi ver s asc o n d i c i o n e sn o r ma l -la emergencia de la teora celular moderna13 mentepordiversosinvestigadoresusandodiversasaproxi-maciones-y esrespaldadaporlaevidenciadeformacon-sistente,adquieregradualmenteelestatusdeteora.Cuan-dounaexplicacinounmodel oset ransformanenuna teoraesporquegeneralmenteesaceptadaporlamayora deloscientficosdeundet ermi nadocampo.Lateoracelu-lardescritaant eri orment eenestecaptuloesunejemplo excelentedeesto.Noexisten,ohaymuypocosdesacuerdos entrelosbilogosrespectoasustrespostulados.Dosafir-macionesmsrecientesquehanadqui ri doelestatusde teorayqueencont raremosenelCaptulo7sonelmodelo quimiosmtico,queexplicacmolageneracindelATP mitocondrialseoriginaporungradientedeprot onesa travsdelamembranamitocondrialinterna(discutidoen elCaptulo10),yelmodelodelmosaicofluidosobrelaes-tructuradelamembrana. Cuandounateorasehacomprobadoyconfi rmado pormuchosinvestigadoresydurant eunperi ododetiem-posuficienteparaquenoexistandudas,puedeeventual-ment eserdenomi nadacomoley.Laleydelagravedad,as comodiversasleyesdetermodinmicaqueencont raremos enelcapitulo5sonbuenosejemplosquenosvienenfcil-ment ealamemori a.Tambinpuedeestarfamiliarizado conlaleydeladifusindeFick,lasleyesdelosgasesidea-lesyotrosconceptosdelafsicaydelaqumicaqueson generalmenteaceptadoscomoleyes.Algunosdelosejem-plosmssobresalientesdeleyesenbiologaprocedendela gentica,porejemplo,lasleyesdelaherenciadeMendely laley deHardy- Weinberg.Sinembargo,losbilogossonen generalbast ant econservadoresconelt rmi no.Lateora celularseconsiderani cament econunateoraincluso despusde150aos.Quizsnuestrasreticenciasadeno-mi naralgunasexplicacionesdef enmenosbiolgicoscon leyesreflejanlagrandiversidaddef or masdevida,yla consecuentedificultadparaconvencernosdequenunca encont raremosorgani smosoclulasqueconstituyenex-cepcionesinclusoparanuestrasteorasmej ordocumen-tadas. Perspectiva Elmundobiolgicoesunmundodec-lulas.Todoslosorgani smosvivosestn formadosporunaomsclulas,cadauna delascualesprocededeunaclulapree-xistente,Aunquelai mport anci adelasc-lulasenlaorganizacinbiolgicaseha reconoci dodurant e150aos,ladi sdpl i -nadelabiologacelular,talycomolaco-nocemosactualmente,tieneunorigen muchonisreciente.Labiologacelular moder nasehaproduci doporelentrela-zami ent odetresdisciplinashistricas distintascitologa,bioqumicaygen-ticaqueensusfasesinicialesprobable-ment enoparecanestartanrelacionadas. Elbilogocelularcont empor neodebe compr enderlastrescorri ent esyaques-tassecompl ement anenlabsquedapara aprenderqusonycmofunci onanlas clulas. Problemas Losproblemasdemayordificultadestnmarcadosconun*. 1.1Corrientes histricas de la biologa celular.Indique si cadaunodelossiguienteseventoseneldesarrollodelabiologa celularpertenecepri nci pal ment ealacitologa(C),ala bi oqu mi ca(B)oalagentica(G). (a)Kollckerdescribesarcosomas(ahoradenomi nados mitocondrias)enlasclulasmusculares(1857). (b)Hoppe-Seyleraislalaprotenahemogl obi naenforma cristalina(1864). (c)Haeckelpostulaqueelncleoesresponsabledelaherencia (1868). (d)Ostwaldpruebaquelasenzimassoncatalizadores{1893). (e)MullerdescubrequelosrayosXi nducenmut aci ones (1927). (()DavsonyDaniellipostulanunmodel oparalaest ruct ura delasmembr anascelulares(1935). (g)BeadleyTatumf or mul anlahiptesisdeungen-una enzima(1940). (h)Claudeaislalaspri merasfraccionesmi t ocondri al esapartir delh gadodelarata(1940). (i)Li pmannpostulalagrani mport anci adelATPenlas transaccionescelularesdeenerga(1940). (j)Avery,MacLeodyMcCart ydemuest ranquela t ransformaci nbacterianaesatribuiblealDNAynoalas protenas(1944). (k)Palade,Port erySjostranddesarrollantcnicasparala fijacinyelsecci onami ent odetejidosbiolgicospara microscopaelectrnica(1952-1953). (I)Lehningerdemuest raquelafosforilacinoxidativa dependedelt ransport edeelectronesenlami t ocondri a comofuent ei nmedi at adeenerga(1957). 1.2Tamaoscel ul ares.Considereestosej empl osespecficos paraapreciarlasdiferenciasent amaocelularilustradasenla Figura1A.1delapgina2.Escherichiacoli,unaclula bact eri anatpica,tienef or macilindricaconundi met rode al rededorde1/imyunal ongi t uddeal rededorde2im.Como ej empl odeclulaani maltpicaconsi deraremosunaclulade 14Captulo1Linavisindelaclula h gadohumanaquetieneformaapr oxi madament eesfricacon undi met rodeunas20/tn.Comoclulavegetaltpica consi deraremoslasclulascol umna resdelpar nqui maen empalizadalocalizadasi nmedi at ament epordebaj odela superficiedelhazdelashoj asdemuchasplantas.Estasclulas tienenf or macilindrica,conundi met rodeunas20fi myuna l ongi t uddeapr oxi madament e35xm. (a)Calculeelvol umenapr oxi madodecadaunodeestostres tiposcelularesenmi crmet roscbicos.(Recuerdeque V=7tr2 JiparauncilindroyqueV-4nr}/3parauna esfera.) (b)Cuntasclulasbacterianaspodr ancaber aproxi madament eenelinteriordeunaclulaheptica humana? (c)Cuntasclulashepticashumanaspodr ancaberdent ro deunacluladelpar nqui maenempalizada? 1.3Midiendoeltamaodelascosas.Considerelossiguientes clculosparaapreciarlost amaosdelasestructuras subcelularesmost radasenlaFiguraIA.2enlapgina3; (a)Todaslasclulasymuchasest ruct urassubcelularesestn rodeadasporunamembr ana.Asumi endoqueuna membr anatpicatiene8nradeancho,cuntasdeestas membr anasdeber anestarapiladaslateralmenteparaque sepudiesenobservarconunmicroscopioptico?Cuntas conunmicroscopioelectrnico? (b)Losri bosomassonest ruct urascelulareseniosquetiene lugarlasntesisdeprotenas.Unri bosomahumanoesuna est ruct uraaproxi madament eesfricaconundi met rode unos30nm.Cuntosri bosomascabranenelinteriorde unaclulahepticahumanadescritaenelProbl emaL2,si staserellenacompl et ament econribosomas? (q)ElmaterialgenticodeunacluladeEscherichiacoli,des-critoenelProblema1.2,consisteenunamolculadeDNA conundi met rode2nmyunalongitudtotalde1,36mm (dehecholamolculaescircularconunper met rode1,36 mni ).ParaqueestamolculatangrandedeDNAquepaen unaclulaqueslotieneunospocosmi crmet rosdelargo estfuert ement eenrolladaydobladaenunnucleoideque ocupaunaporcinpequeadelvol umendelaclula. Calculeelvol umenposiblemspequeoenelquepodra caberunamolculadeDNAyexprselocomoporcentaje delvol umeni nt ernodelaclulabacterianaquecalculen elProblemaI.2a. 1.4Lmitesderesolucin.Entonces y ahora.Contestecada unadelassiguientespreguntasenbasealoquehaaprendi doen estecaptuloacercadellmitederesolucindemicroscopio ptico.Asumaqueeloj ohuma notieneunlmitederesolucin deunos0,25mmyelmicroscopiopticomoder notieneuna capacidadtildeaument ardeunos1.000aument os. (a)Definaellmitederesolucinconsuspropiaspalabras. Culeraellmitederesolucindelmi croscopi ode Hooke?YeldelmicroscopiodevanLeeuwenhoek? (b)Culessonlasdi mensi onesaproxi madasdelaestructura mspequeaqueHookepudohabersidocapazde observarconsumicroscopio?Pudolhabersidocapazde observaralgunadelasest ruct urasmost radasenlaFigura 1 A. 1 ?Siesas,cules?Sinoeselcaso, por quno? (c)Culessonlasdi mensi onesaproxi madasdelaest ruct ura mspequeaquevanLeeuwenhoekpudohabersidocapaz deobservarconsumicroscopio?Pudoelhabersido capazdeobservaralgunadelasestructurasmost radasenla Figura1A.1?Siesas,cules?Sinoes elcaso,porquno? (d)Culessonlasdi mensi onesaproxi madasdelaest ruct ura mspequeaquelosbilogoscelularescont empor neos puedenobservarconunmicroscopiopticomoder no? (e)Considerelasochoestructurasmost radasenlasFiguras 1A.1y1A.2,culesfueroncapacesdeestudiart ant o HookecomovanLeeuwenhoekconsusrespectivos microscopios?Sieselcaso,culesfue capazdeobservar vanLeeuwenhoekperonoHooke?Expliquesu razonami ent o.Sieselcaso,culesseracapazdeverun bilogocelularcont empor neoquenofueroncapacesde verniHookenivanLeeuwenhoek? 1.5Lasramascontemporneasdelabiologacelular.Indi que sicadapardetcnicasenumer adascorrespondenalarama citolgica,bi oqu mi ca,ogenticadelabiologacelular(vdsela Figura1.1),Sugieraunaventajaquelasegundatcnicadecada partienesobrelapri mera. (a)Microscopapt i ca/ mi croscop aelectrnica. (b)Cent ri fugaci n/ ul t racent ri fugaci n. (c)Hibridacindecidosnucleicos/secuenciacndeDNA. (d)Secuenciacindeungenoma/ bi oi nformt i ca, (e)Microscopaelectrnicadet ransmi si n/ mi croscop a electrnicadebarri do. (f)Cromatografa/eleetroforesis. 1.6Loshechosde(a vi da.Cadaunadelassiguientes afi rmaci onesfueenunci adaensumoment ocomounhecho biolgicoperoahoraseent i endequenosonciertas.Indi queen cadacasoporqusepensquecadaafi rmaci neraciertaypor quahoranoseconsideranunhecho. (a)Lostejidosanimalesyvegetalesestnconst rui dosde maner adiferente,porquelostejidosanimalesnotienen barrerasquelosdividanenclulas. (b)Losorgani smosvivosnoestnsujetosporlasleyesdela qu mi caylafsicadelamateriainerte,sinoqueestn gobernadosporunafuerzavitalresponsabledela formaci ndecompuest osorgnicos. (c)Losgenesmuyprobabl ement eestnf or madospor protenasporqueelot roprobabl ecandidato,elDNA,es unamolcularelativamentepocointeresanteque ni cament econsisteencuat rotiposdemon meros (nucletidos)ordenadosenunasecuenciarelativamente invariantedecuatronucletidosrepetidos. (d)Laferment aci ndelazcarenalcoholsloseproducesi estnpresenteslevadurasvivas. 1.7Mashechosdelavida.Cadaunadelassiguientes afirmacioneshasidoconsideradaunhechobiolgicohastahace relativamentepocoperoahorahansidorechazadaso modi fi cadashastaciertopunt o.Discutaencadacaso,porquse considerciertacadaafi rmaci nytratededet ermi narqu evidenciaspuedenhabersidonecesariaspararechazaro modi fi carestasafirmaciones.(Nota:esteprobl emarequiereuna Probl emas15 bsquedamsactivaqueelPr obl ema1.6,peroparaayudaren labs quedaseincluyenreferenci asdeloscap t ul os. ) (a)Sepuedepensarenunamembr anabiolgicacomoun sndwi chdeprot e nas-l pi dosqueconsi st eenuni nt eri or f or madoexcl usi vament eporfosfol pi dos,recubi ert osen ambascarasporcapasfi nasdepr ot e nas( Cap t ul o7). (b)Lasenzi masr equer i dasparacatalizarlaconversi nde azcarenuncompues t odenomi nadopi ruvat oselocalizan i nvar i abl ement eenelci t opl asmadelaclula,enlugarde est arcompar t ment al izadasenest r uct ur asr odeadaspor me mbr a na s( Cap t ul o9). (e)Elmecani s moporelquelaoxi daci ndemol cul as orgni cascomoazcaresconducealageneraci ndeATP, requi ereunamol cul ai nt er medi ar i afosfori l adadealta energ a{Cap t ul o10). (d)Cua ndoeldi xi dodecar bonodelairesefija( une coval ent ement e)enformasorgni casporlosor gani smos fot osi nt t i cosc omolaspl ant asverdes,l apr i mer af or ma mol ecul arenqueapareceel t omodecar bonoessi empre elcompuest ot r i car bonado3-fosfogl i cerai o( Cap t ul o11). (e)ElDNAsi empreexistecomoundpl exdedoshebr as nicasenunahlicedext rgi ra( Cap t ul o18). (f)Elcdi gogentico,queespecificac molai nf or maci n cont eni daenlamol cul adeDNAseempl eaparahacer prot e nas,esuniversalenelsent i dodequet odoslos or gani smosutilizanelmi s mocdi go( Cap t ul o21). 1. 8Bi ol og a cel ul ar en1875.FriedrichMi escher(1844-1895),GregorMendel(1822-1884),LouisPast eur(1822-1895) yRudol f Vi rchow(1821-1902)f uer oncientficoseur opeos(de Suiza,Austria,FranciayAl emani a,respect i vament e)cuyos descubr i mi ent osmsi mpor t ant essehi ci eronenunper i odode 20aosent r e1855y1875.Asumaqueestoscuat r ohombr esse reuni eronenunaconferenci acientficaen1875par adiscutir suscont r i buci onesrespectivasenbiologa. (a)Quhabr ant eni doenc omnest oscuat r ocientficos? Bibliografarecomendada Lasreferenciasconimportanciahistricaestnmarcadascon*, laemergenciadelabiologacelular moderna Bonner ,J,T.SixtyYearsof Biology.NewYork:Pr i ncet on UniversityPress,1996. Bracegirdle,B.Mi cr oscopyandcompr ehensi on:The devel opmentofunder s t andi ngoft henat ur eoft hecell. TrendsBiochem.Sci.14(1989):464. Br adbur y,S.TheEvohitianoftheMicroscope.NewYork: Per gamon,1967. Cal vi n,M.Thepat hofcar bninphot osynt hesi s.Science135 (1962):879. Cl aude,A.Thecomi ngof ageoft hecell.Science189(1975):433. deDuve,C.Expl ori ngcellswi t hacent ri fuge.Science189 (1975):186. deDuve,C.yH.Beaufay.Ashor thi st ory of tissue f r act i onat i on. / .CellBiol.91(1981):293$ (b)QucreequePast eurhubi eseencont r adomsi nt ri gant eo relevanteenelt r abaj odeVirchow?Expl i quesurespuest a. (c)QucrecqueVi rchowhubi eseencont r adomsi nt ri gant e orel evant eenelt r abaj odeMendel?Expl i quesurespuest a. (d)Enelt r abaj odequi npi ensaustedqueMi escherhabr a est adomsi nt eresado?Expl i quesurespuest a. 1. 9Hechosy verdades.LynnWhi t e,Jr.hizouna caract eri zaci napr opi adadelhechocientfico.Co mosecitaen elAnexo1B,Whi t eescri bi quepar aunci ent fi colaverdadno esunr educt odecertezaquedebamosdef endercont r aeler r or si noqueesunl ugardes ombr adondepode moscomerant esde cont i nuarl amar cha.Expl i quel oqueWhi t equi sodecirconsu expresi n.Enqusent i dopodr aservirparaexplicarlos hechoscientficos?Cmoserelacionaestaaf i r maci nconel m t odocientfico? 1. 10Pi zza, ardordees t magoy elmt odoci ent fi co. Aunquepuederesul t arext r aodescri bi relmt odoci ent fi coen t r mi nosformalesocomoserepresent aenlaFigura1B.lenla pgi na15,enrealidadnoesmuydi st i nt oac molamayor ade nosot roscont est amospr egunt aspar aresolverlospr obl emas. Pr obabl ement eusteduseelm t odoci ent fi cof r ecuent ement e sindarsecuent adeello.Supongaporej empl oque r eci ent ement ehat eni doar dordeest magodemaner a frecuent e.Est udi andosushbi t osdecomi dadur ant eunas semanassedacuent adequeesmsf r ecuent equeelar dorde est magosucedalasnochesdespusdehabercenadopizza, especi al ment esiessupizzafavoritaconpepperoni,anchoasy cebolla.Ustedsepr egunt asielar dordeest magopuedeestar causadoporcomerpizza,ysiesasculdesusi ngredi ent es puedeserelcul pabl e. (a)Describac moharaparadet er mi narsielar dorde est magoesdebi doapizza,ysiesas,aculdesus i ngredi ent es. (b)Ahor acompar esuapr oxi maci nconelmt odoci ent fi co comosemuest r aenlaFiguraIB.1.Cmodeci ent fi cofue sumt odo? Fr ut on,J.S,Theemer genceof bi ochemi st ry.Science192 (1976):327. Gall,J.GK.R.Port eryP.Siekevitz,eds.Di seo ver y in cell biology./.CellBiol.91,par t3(1981). Henry,J.TheSci en ti fieRevolutionandtheOriginsof Moderti Science.NewYork:PalgravePress,2001. Judson,H.F.TheEighthDayof Crea t ion:Makersof the RevolutioninBiology.NewYork:Si mn&Schuster,1979. Kor nber g,A.Cent enar yoft hebi rt hofmode r nbi ochemi st ry. TrendsBiochem.Sci.22(1997):282. Minsky,M.Memoi ron nvent ngt heconfocalscanni ng mi cr oscope.Scanning10(1988):128. Mirsky,A.E.Thedi scoveryofDNA.Sci.Amer.218( June 1968):78. Pal ade,G.E.Al bertCl audeandt hebegi nn ngofbiologcal el ect rnmi croscopy. }.CellBiol.50(1971):5D. 16Captulo1Linavisindelaclula L o sestudiantesqueseinicianenbiologacelularalgunas vecessevensorprendidosocasionalmenteinclusocons-ternadosalencontrarquetodosloscursosylibrosde textorelacionadosconlabiologacelularimplicanuna cantidadconsiderablede qumica.Labiologaengeneral, y labiologacelularenparticular,sefundamentanengran medidatantoenlaqumicacomoenlafsica.Despusde todo, las clulas y los organismos se fundamentan en las le-yesdeluniversofsico,deformaquelabiologaesreal-mente el estudio de la qumica en sistemas vivos. De hecho, todoloquelasclulassony hacentieneunabasemolecu-lar yqumica.Porlotanto, nicamentepodremosapreciar yentenderlaestructuraylafuncincelularcuandopoda-mosdescribirlaentrminosmoleculares y expresar su fun-cinentrminosdereaccionesyeventosqumicos. Intentarapreciarlabiologacelularsinconocimientos de qumicaseracomointentarapreciarunatraduccinde Goethesinconocimientodelalemn.Probablementeen-tenderamoslamayorpartedelsignificado,perogranpar-te de labellezay la profundidad de la apreciacin se perde-raenlatraduccin.Porestaraznconsideraremosel sustratoqumiconecesarioparaelbilogocelular.Esteca-ptulosecentraespecficamenteenvariosprincipiosque subyacenengranpartedelabiologacelular,comoprepa-racinparaelcaptulosiguientequesecentraenlasprin-cipalesclasesdeconstituyentesqumicosenlasclulas. Losprincipalespuntosdeestecaptulosepuedenes-tructurar convenientementealrededordecincoprincipios: 1,Laimportanciadel carbono.Laqumica delasclulas esesencialmentelaquimicadeloscompuestosque contienen carbono, yaqueeltomo de carbonotie-nevariaspropiedadesnicasquehacenqueseaes-pecialmenteconvenientecomoespinadorsalde molculasconimportanciabiolgica. 2.Laimportanciadel agua.Laqumicadelasclulases tambinlaqumicadeloscompuestossolublesen agua, yaquelamolculade aguatienevariaspropie-dadesnicasquelahacenespecialmente convenien-tecomoelsolventeuniversaldelossistemasvivos. 3.Laimportanciadelasmembranasselectivamenteper-meables.Dadoquelamayorpartedelasmolculas conimportanciabiolgicasonsolublesenagua,las membranasquenosedisuelvenenaguaysonper-meablesdiferencialmenteparasolutosespecficos sonmuy importantes, tantoparadefinirlosespacios ycompartimentoscelularescomoenelcontrolde los movimientos delasmolculaseioneshaciaden-tro y hacia fuera de esos espacios y compartimentos. 4.Laimportanciadelasntesis ypolimerizacindepe-queasmolculas.Lamayoradelasmolculascon importanciabiolgicasonobienpequeasmol-culasorgnicassolublesenaguaquepuedenser transportadasatravsdemembranasograndes macromolculasquenopueden.Lasmacromol-culasbiolgicassonpolmerosformadosporla unindemuchasmolculaspequeassimilareso idnticas.La sntesis de macromolculas por polime-rizacindesubunidadesmonomricasesunprinci-pioimportante delaqumicacelular. 5.Laimportanciadelauto-ensamblaje.Lasprotenasy otrasmacromolculasbiolgicascompuestaspor subunidadesmonomricasrepetidassonamenudo capacesdea uto-ensamblarseennivelesmayoresde organizacinestructural.Elauto-ensamblaje espo-sibleporquelainformacinnecesariaparaespecifi-Lateoracelular:unahistoriabreve19 carlaconfiguracinespacialdelamolculaesinhe-renteenelordendemonmerospresenteenelpol-mero.El auto-ensamblaje es, sinembargo, enmuchos casoscontroladoporprotenasdenominadascha-peronasmolecularesqueparticipanenelproceso deensamblajeinhibiendolasinteraccionesincorrec-tasquepodrandarlugaraestructurasinactivas. Dadosestoscincoprincipios,debemosfamiliarizarnos conlosprincipalestemasdequmicacelularantesdeaven-turarnosenlaexploracindeloque significaserunaclula. Laimportanciadelcarbono Elestudiodelasmolculascelularesrealmente significa es-tudiar compuestosquecontienencarbono.Casisinexcep-cin,lasmolculasimportantesparaelbilogocelulartie-nenunaespinadorsal,oesqueleto,detomosdecarbono unidosc o val en teniente. En realidad, el estudio de los com-puestosquecontienencarbonoeseldomi ni ode laqumi-caorgnica.Ensusprimerosdas,laqumicaorgnicaera casisinnimodequmicabiolgicayaquelamayorade loscompuestosquecontienencarbonoquelosqumicos investigaroninicialmente se obtuvieronde fuentesbiolgi-cas{deaheltrminoorgnico,quehacereferenciaalori-gendeloscompuestosapartirdelosorganismos).Desde entonces,estostrminoshanrecorridocaminosseparados yaquelosqumicosorgnicoshansintetizadounavarie-dadincrebledecompuestosquecontienencarbonoque noexistennaturalmente(esdecir,noenelmundobiolgi-co).Laqumicaorgnica,porlotanto,incluyetodaslas clasesdecompuestosquecontienencarbono,mientrasque laqumicabiolgica(bioqumicaparaabreviar)serelacio-naespecficamenteconlaqumicadelossistemasvivosy constituye,comoyahemosvisto,unadelasdiversasco-rrientes histricasqueformanunaparteintegraldelabio-logacelularmoderna(vaseFigura1,1). Eltomodecarbono(C)eselt omomsimportante delasmolculasbiolgicas.Lasdiversidadyestabilidadde los compuestosquecontienencarbonosedebe a laspropie-dadesespecficasdelt omodecarbonoy especialmenteala naturalezadelasinteraccionesdelostomosdecarbono entre s as como conunnmerolimitadodeelementos que seencuentranenlasmolculasconimportanciabiolgica. Lapropiedadmsfundamentaldelt omodecarbono essuvalenciadecuatro,loquesignificaqueelorbitalde electronesmsexternocarecedecuatrodelosochoelec-tronesnecesariospararellenarlocompletamente(Figura 2.1a). Yaqueunorbitalexternocompletoesnecesario para elestadoqumicomsestabledeltomo,lostomosde carbonotiendenaasociarseentresocontomoscarentes deelectrones, permitiendoalostomosadyacentesacom-partirunpardeelectrones.Paracadaunode esospares,un electrnprocededecadaunodelostomos.Lostomos quecompartenelectronesentresdeestamanerasedice (c)Al gunasmol cul assi mpl escone nl a c e sdobl es : n : : n :h : c : * n : Nitrgenomol ecul arCi anurodehi dr geno ( N? )(HCN) (d)Al gunasmol cul assi mpl escone nl a c e striples Figura2. 1Configuracinelectrnicadealgunostomosymolculas importantesbiolgicamente.Semuest r anlasconf i gur aci ones el ect rni casdelost omosdecar bono,ox geno,hi dr genoy ni t r geno(a)yelemol cul asor gni cassi mpl esconenl aces sencillos(b),dobl esenl aces(c)yt ri pl esenl aces(d).ni cament ese mues t r anlosel ect ronesdelor bi t alel ect r ni comsext erno.En cadacaso,losel ect ronesl ocal i zadosent r et omosadyacent es r epr esent antinpardeel ect ronescompar t i do,cadaunodeellos per t eneci ent ea t omo.Losel ect r onesdelcar bono,ox geno, hi dr genoyni t r genosonnegros,rosas,az.ulesygrises, respect i vament e.(Todoslosel ect ronessonequi val ent es,por supuest o,elcdi godecol oress i mpl ement epar ai l ust rarqu el ect ronespr ocedendecadat omo. ) queestnunidosporunenlacecovalente.Lostomosde carbonotienenmuchaprobabilidaddeformarenlacesco-valentesentresycontomosdeoxgeno(O),hidrgeno (H),nitrgeno(N)yazuf r e(S). Lasconfiguracioneselectrnicasdevariosdeestosto-mossemuestranenlaFigura2.1a.Obsrveseque,encada caso,unoomselectronessonnecesariosparacompletar elorbitalexterno.Elnmerodeelectronesausentesco-rrespondeencadacasoconlavalenciadelt omoeindica elnmerodeenlacescovalentesquepuedeformarelto-mo.Elcarbono,eloxgenoyelnitrgenosonloselemen-tosmsligerosqueformanenlacescovalentescompartien-doparesdeelectrones.Elbajopesoatmicohacealos compuestosresultantesespecialmenteestablesporquela 20Captulo2Laqumicadelaclula fuerzadelenlacecovalenteesinversamenteproporcionala los pesos atmicos de los elementos implicados en el enlace. Loscompuestosorgnicosestablestienencuatroenla-cescovalentesporcadatomode carbonodebidoa quese necesitancuatroelectronespara llenar elorbital msexter-nodelcarbono.Elmetano,eletanolylametilaminason algunosejemplossimplesdeestoscompuestosquecontie-nennicamenteenlaces sencillosentrelos tomos(Figura 2.1b). Algunasveces,dosoinclusotres pares de electrones puedensercompartidosporlostomosdandolugarado-blesenlacesotriplesenlaces.Eletilenoyeldixidode carbonosonejemplosdecompuestoscondoblesenlaces (Figura2.1c).Encontramostriplesenlaces enelnitrgeno (N,)molecular y en el cianuro de hidrgeno(Figura 2.Id). De esta forma, tanto la valencia como elbajopesoatmico confierenalcarbonopropiedadesnicasresponsablesde la diversidad y de la estabilidad de los compuestos que con-tienencarbono,yconfierenalcarbonounpapelpromi-nenteenlasmolculas biolgicas. Lasmolculasquecontienencarbonosonestables Como ya sehasugerido,laestabilidaddelasmolculasor-gnicasesunapropiedaddelaconfiguracinelectrnica favorabledecadatomodecarbonoenlamolcula.Laes-tabilidadseexpresaentrminosdeenerga de enlace la cantidadenergarequeridapararomperunmol(alrededor de 6 X1023) de sus enlaces.(El trminoenerga de enlace es una fuente frecuente de confusin. Tenga precaucin para nopensarenellacomo laenergaqueestde alguna forma almacenadaenelenlace,sinocomolacantidadenerga que es necesaria pararomper el enlace). Las energas del en-lace se expresannormalmenteencaloras por mol(cal/mol), siendouna calorala cantidad energanecesariaparaelevar la temperatura de1gramo de agua1grado centgrado1. Romperunenlacecovalenterequiereunagrancan-tidadenerga.Porejemplo,elenlacecarbono-carbono (C1C)tieneunaenergadeenlacede83kilocaloraspor mol(kcal/mol).Laenergadeenlacedelosenlacescarbo-no-nitrgeno(CN),carbono-oxgeno(CO)ycar-bono-hidrgeno(CH)estenelmismorango:70,84y 99kcal/mol,respectivamente.Serequiereinclusoms energapararomperundobleenlacecarbono-carbono ( C=C;146kcal/mol)ountripleenlacecarbono-carbono ( C^C;212kcal/mol),porloqueestoscompuestosson anmsestables. Podemosapreciarlaimportanciadeestasenergasde enlacecomparndolasconotrosvaloresdeenergarele-vantes, como se muestra en laFigura 2.2.La mayora de los 1Energa, calor ytrabajopuedenexpresarsecomoculonas ykilocaloras oen juliosykilojulios.Eljulio(J)eslaunidadqueutilizanlosfsicosyalgunos bioqumicos;lacalora(cal)sesigueutilizandoenlamayoradetextosde biologacelular,incluidoste.Laconversinessencilla:1cal =4.184J,o IJ=0,239cal.DeigualmaneraIkcal=4.184klo!kj= 0,239kcal. enlacesnocovalentespresentesenmolculasbiolgicas importantestienenenergasdeslounaspocaskilocalor-aspormol,ylaenergadelavibracintrmicaesincluso ms baja alrededorde0,6kcal/mol.Los enlaces cova-lentestienenunaenergamuchomsaltaquelosenlaces no covalentes y porlotantosonestables. Laidoneidaddelenlacecarbono-carbonoparalaqu-mica biolgica de latierra es especialmente clara cuando se comparasuenergaconladelaradiacinsolar.Comose indicaenlaFigura2.3existeunarelacininversaentrela longituddeondadelaradiacinelectromagnticaysu contenidoenergtico.Laenergadelaradiacinelectro-magnticaestrelacionadaespecficamenteconlalongi-tuddeondaatravsdelaecuacinE=28.600//,donde/. es la longitud de onda en nm, es la energa en kilocaloras poreinsteiny28.600esunaconstanteconlasunidades kcal-nm/einstein.(Uneinsteinesigualaunmoldefoto-nes).Usandoestaecuacinsepuedecalcularquelaparte visibledelaluzsolar(longituddeondade400-700nm) tieneunaenergamsbajaque elenlace carbono-carbono. Porejemplo, laluzverde conunalongitudde ondade500 nmtieneuncontenidodeenergadealrededorde57,2 kcal/enstein.Porlotanto,laenergadelaluzverdeest muypordebajodelaenergadelosenlacescovalentes (vase Figura2.2). Sistenofuese elcaso, laluz visible po-draromperespontneamentelosenlacescovalentes,yla vidataly como la conocemos no existira. LaFigura2.3ilustraotropuntoimportante:elpeligro queposeelaradiacinultravioletaparalasmolculasbio-lgicas. Conuna longitud de onda de, por ejemplo, 300 nm, la luzultravioletatieneuncontenidode energa dealrede-dorde95,3kcal/einstein, claramentesuficientepararom-perespontneamenteenlacescarbono-carbono.Estaame-nazasubyacealapreocupacinactualdelaspoblaciones ms que destruyenla capa de ozono enla parte superior de La importancia del autoensamblaje 21 X-longituddeonda(nm) Figura2.Relacinentreenerga(E)ylongituddeonda( / )dela radiacinelectromagntica.Lasl neasdi scont i nuasmar canla energ adelosenlacesCH,CCyCN. laatmsfera yaque la capade ozonofiltragranpartede la radiacinultravioletaque podradeotraformaalcanzarla superficie dela tierra y causar estragos enlos enlaces enva-lentesqueliteralmentemantienenunidasalasmolculas biolgicas. Lasmolculasquecontienencarbonosondiversas Loscompuestosquecontienencarbonosecaracterizan, ademsdeporsuestabilidad,porquesepuedengenerar unagrandiversidaddemolculasapartirderelativamen-te pocas clases de tomos.Otra vez, esta diversidadse debe alanaturalezatetravalentedeltomodecarbonoydela propensinresultantequecadatomodecarbonotiene paraformarenlacesco va lenteconotroscuatrotomos. Debidoaqueunoomsdeesosenlacessepuedenformar conotrostomosdecarbonosepuedenconstruirmolcu-lasconstituidasporcadenaslargasdetomosdecarbono. Loscompuestosenformadeanillo sontambincomunes. Laintroduccindepuntosderamificacinydedoblesy triples enlaces enlas cadenas de carbono-carbono posibili-taunavariedadmayor. Cuandonicamenteseusantomosdehidrgenopara completarlosrequerimientosdevalenciadeestasmolcu-las,linearesocirculares, loscompuestosresultantessede-nominanhidrocarburos(Figura2.4).Loshidrocarburos sonmuyimportanteseconmicamenteyaque la gasolina y otrosderivadosdelpetrleosonmezclasdehidrocarburos Be nc e no Figura2. 4Algunoscompuestoshidrocarburossencillos.Los compues t osdel afi l as uper i ort i enenni cament eenlacessencillos mi ent r asquelosdelasegundatilat i enendobl esotriplesenlaces. Laest r uct ur acondens adamos t r adaenlapar t ederechaparael bencenoesune j e mpl odelasest r uct ur assi mpl i fi cadasqueusan f r ecuent ement elosqu mi cosparaestoscompues t os . decadenacortacomoeseloctano,compuestodeocho tomosdecarbono(CSH l s). Porotrolado,loshidrocarburostienenunpapelmuy limitadoenbiologadebidoaquesonesencialmenteinso-lubles en agua, el solventeuniversal de los sistemas biolgi-cos.Sinembargo,existeunaexcepcinimportanteaesta reglageneral:elinterior de cadamembranabiolgicaesun medionoacuosoenelquelascolasdelasmolculasde fosfolpidosqueseproyectanalinteriordelamembrana desdecadasuperficieexcluyenalaguayaloscompuestos solubles enagua.Comoveremos dentrodepoco, esta pro-piedaddelasmembranastieneimplicacionesimportantes paradesempearsupapelcomobarrera depermeabilidad. Lamayoradeloscompuestosbiolgicoscontienen, adems de carbono e hidrgeno, uno o ms tomos de ox-geno y a menudo nitrgeno, fsforo o azufre. Estos tomos habitualmente formanpartedevariosgruposfuncionales queconfierensolubilidadenaguay reactividadqumicaa lasmolculasqueloscontienen.Inclusolasmolculasde fosfolpidoscuyascolashidrocarbonadascontribuyende maneraimportante alanaturalezahidrofbicadelinterior de las membranas contienentomos diferentes alhidrge-no y alcarbono. En la Figura 2,5 se muestran algunos de los grupos fun-cionalesmscomunespresentesenlasmolculasbiolgi-cas. Varios desusgruposestnionizados oprotonados(es decir,quehanperdidooganadounprotn,respectiva-mente)a valores de pHcercanosalpHneutrode lamayo-radelasclulas,incluyendolosgruposcarboxilo y fosfato cargadosnegativamenteyelgrupoaminocargadopositi-22Captulo2Laqumicadelaclula Planode simetra Figura2. 5Algunos grupos funcionalescomunespresentesenlas molculasbiolgicas.Cadagr upof unci onalsemuest r aenta f or maenl aquepr e domi naalpHcasineut r odel amayorpar t ede lasclulas,(a)Losgr uposfosfat oy car boxi l oest ni oni zadosy,por l ot ant o,car gadosnegat i vament e,(b)Porelcont r ar i oelgr upo a mi noestpr ot ona doyporlot ant ocar gadoposi t i vament e,(c)Los gr uposhi droxi l o,sul fi dri l o,car boni l oyal dehi donot i enencargaa valoresdepHmspr xi mosal aneut r al i dadper osonmuc homs pol ar esqueloshi dr ocar bur osy,porl ot ant o,confi erenunamayor pol ar i dadyc omoconsecuenci aunamayorsol ubi l i dadenaguaalas mol cul asor gni casalasqueest nuni dos. ManoizquierdaManoderecha Figura2. 6Estereoismeros.Losest er eoi smer osdelos compues t osor gni cossepr oducecuandocuat r ogr uposdi f er ent es est nuni dosaun t omodecar bonot et radri co.Los est er eoi smer os,c omol ama n oder echaei zqui erda,soni mgenes especul aresquenosepuedensuper poner .(Lalineadi scont i nuadel cent r odelafigurarepresent aelpl a nodesi met r aquesepuede consi der arc omoelpl anodeunespej o. ) vamente.Otrosgruposcomolosgruposhidroxilo,sulfidri-lo,carbonilo y aldehido no estncargados a pHneutros. Sin embargo,stoscausanunaredistribucinsignificativade electronesenlasmolculasalasqueestnunidos,confi-riendo por lotanto aesasmolculasunamayorsolubilidad enaguayreactividadqumica. Lasmolculasquecontienencarbonopuedenformar estereoismeros Lasmolculas quecontienencarbonosoncapacesde gene-rar anuna mayor diversidad ya que el tomo de carbono es unaestructuratetradricaconsimetrageomtrica(Figura 2.6).Cuandocuatrotomos ogruposde tomos diferentes estnunidosaloscuatrovrticesdeunaestructuratetra-dricasonposiblesdosconfiguracionesespaciales.Aunque lasdosformastienenlamismafrmulaestructural,nose puedensuperponerysondehechoimgenesespeculares (vase Figura2.6).Estasformas de cada compuesto consi-metraespecularsedenominanestereoismeros. Untomodecarbonoquetienecuatrosustituyentesdife-rentessedenominauntomodecarbonoasimtrico.Ya quesonposiblesdosestereoismerosporcadatomoasi-mtricodecarbono.Uncompuestoconntomosasim-tricosdecarbonotendr2"estereoismerosposibles. ComosemuestraenlaFigura2.7,elaminocidodetres tomosdecarbonoalaninatieneunnicotomodecar-bonoasimtrico(enelcentro)y porlotantotienedoses-tereoismerosllamadosL-alaninayD-alanina.(Ninguno delos otros dostomosde carbonodela alanina es asim-trico, ya queunotiene tres sustituyentesidnticos y elotro tiene dosenlacesconuntomodeoxgeno.)Losdoseste-reoismerosdelaalaninaestnpresentesenlanaturaleza, peroslolaL-alaninaesuncomponentedelasprotenas. Comoejemplodeuncompuestoconmltiplestomos decarbonoasimtricos,consideremoselazcardeseis tomosdecarbonoglucosadelaFigura2.7b.Delosseis tomosdecarbonodelaglucosaloscuatrosealadosen negrita sonasimtricos.(Puededecirnosporqulosotros dostomosdecarbononosonasimtricos?)Concuatro tomos de carbono asimtricos, la estructura que semues-tra paralaD-glucosa es slouna delos 24, o16, estereois-merosposiblesdelamolculaC(JH1206.Enestecaso,no todos los otros estereoismeros posibles existen en la natu-raleza,principalmenteporquealgunossonmuchomenos favorablesenergticamentequeotros. Laimportanciadelagua Aligualque elcarbonotieneunaimportancia singularpor supapelcomoesqueletouniversaldelasmolculascon importanciabiolgica,elaguarequiereunaatencinespe-cialporsupapelindispensablecomosolventeuniversalen lossistemas biolgicos.Elagua es de hechoelcomponente msabundanteen lasclulas y organismos.Generalmente, alrededordel75-85%delpesodeunaclulaesagua,y La importancia del autoensamblaje 23 Figura2. 7Estereoisomerosdemolculasbiolgicas,(a)1 ami noci doal ani nat i eneunni co t omodecar bonoasi mt r i co ( r epr esent adoennegri t a)ypuedeporl ot ant oexistirendosf or mas espacalesdi ferent es,desi gnadasc omoL-alaninayD-at ani na.(La lneadi scont i nuadelcent r odelafi gurarepresent aelpl anodel espej o. )(b)Lagl ucosaesunazcardeseiscar bonosquet i ene cuat r ot omosdec a r bonoasi mt r i cos( r epr esent adosennegr i t a) , def or maquel an-gl ucosaesni cament eunodelos162*1)posibles este reo i smer osposiblesdel amol cul aC f t H p 0 6( aunquenos t odaslasf or masposiblesexistenenlanat ur al eza) , muchasclulasdependendeunmedioextracelularquees acuoso igualmente. En algunos casos, las clulas viven enel propioagua yaseaun ocano, lagooro, mientras que enotros casos las clulas puedenestar suspendidas obaa-dasporfluidoscorporales. Como sabemos el agua esindispensablepara la vida.Es ciertoqueexistenformasdevidaquepuedenentrarenun periodolatenteysobrevivirduranteperiodos[argosde escasez severa de agua. Las semillas deplantas y las esporas dehongos y bacterias estnclaramente dentro de esta cate-gora; la humedad del contenido deunasemilla seca esfre-cuentementetanbajacomoel10-20%.Algunasplantasy animalesinferiores,comoalgunosmusgos,liqenes,ne-matodosyrotferospuedensufriradaptacionesfisiolgi-cas que lespermitensecarse y sobrevivir enunestadodes-hidratadoduranteperiodosdetiemposorprendentemente largos.Estasadaptacionessonclaramenteunaventajaen medioscaracterizadosporperiodosde sequa. Aunas, s-tossonestadoslatentesyelretornoalaactividadnormal siemprerequierelarehidratacin. Paracomprender por quelaguaestansingularmente adecuadaparasufuncinnecesitamosatenderasuspro-piedades qumicas.El atributoms crtico es claramente su polaridad,yaqueestapropiedadesresponsabledesuco-hesividad,capacidadparaestabilizarlatemperaturaysus propiedades comosolvente,teniendotodasestasfunciones consecuenciasimportantesparalaqumicabiolgica. Lasmolculasdeaguasonpolares Paracomprenderlanaturalezapolardelaguanecesitamos considerarlaforma de lamolcula.Como se muestra enla Figura2.8alamolculadeaguatieneformatriangularen vezdelineal,conlosdostomosdehidrgenounidosal oxgenoconunngulode104,5ynode180.Noesexa-geradoafirmarquelavida,talycomolaconocemos,de-pendecrticamentedeestengulo,dadaslaspropiedades que laasimetraqueestenguloconfierealamolculadel agua.Aunquelamolculacompletanoestcargada,los electronestiendenadistribuirsedesigualmente.Eltomo (a)Polaridaddela molculadeagua (b)Puentesdehidrgenoentre molculasdeagua fi gura2, 8Puentesdehidrgenoentremolculasdeagua,(a)La mol cul adeaguaespol ardebi doaunadi st r i buci nasi mt r i cade l acarga.Losdost omosdehi dr genoest nuni dosaloxi genocon unngul ode104,5.El t omodeox genot i eneunacargaparcial negativa(laletragriegadeltahacereferenci aaparcial)yporlo t ant oesdelapor ci nel ect ronegat i vadelamol cul a.Losdos t omosdehi dr genosonel ect roposi t i vosylapar t edelamol cul a enlaquesedi st ri buyent i enecargaparcialpositiva,(b)Laampl i a asoci aci nent r emol cul asdeaguaenest adol qui doosl i dose debealospuent esdehi dr geno(l neasdi scont i nuas)ent r eei t omodeox genoel ect ronegat i vodeunamol cul aylost omosde hi dr genoel ect roposi t i vosdemol cul asadyacent es.Enelhi el ola redcri st al i naescompl et ayregul ar;cadaox genoestuni doa t ravsdepuent esdehi dr genoconloshi dr genosesdedos mol cul asadyacent es.Enelaguasemant i enegr anpar t edeesta est r uct ur aa unqueestdesor gani zadapar ci al ment e. Puentes dehi drgeno 24Captulo2Laqumicadelaclula deoxgenoenla cabezade la molcula eselectronegativo, esdecir,tiendeaatraerloselectroneshacialconfiriendo carganegativaaeseextremodelamolculaydejandoal otroextremoconunacargaparcialpositivaalrededorde los tomos de hidrgeno. Esta separacin de cargas confie-rea la molcula deaguaasupolaridad,quepodemos de-finircomoladistribucindesigualdecargasdentrodela molcula.Enelcasodelagua,lapolaridaddelamolcula tieneconsecuenciasenormessiendoresponsabledeiaco-hesin,lacapacidadestabilizadoradelatemperaturaylas propiedades del aguacomo solvente. Lasmolculasdeaguasoncohesivas Lasmolculas de agua, debido asupolaridad, tienenafini-dadporellasmismasytiendenaorientarseespontnea-mente demaneraqueeltomoelectronegativo deoxgeno deunamolculaseasociaconlostomoselectropositivos dehidrgenode lasmolculas adyacentes. Cadauna de es-tasasociacionessedenominapuentedehidrgenoysere-presentahabitualmentecomounalneadiscontinuacomo enlaFigura2.8b.Cadatomodeoxgenosepuedeunira doshidrgenos y cadaunodelostomosdehidrgenose puedeasociar de estaformaconlostomosdeoxgenode molculas adyacentes.Comoresultado, elaguasecaracte-rizaporunaredtridimensionaldemolculasunidaspor puentesdehidrgeno(Figura2.8b).Lospuentesdehidr-geno entre molculas adyacentes se estnformando y rom-piendoconstantemente,teniendounpuentedehidrgeno tpicounavidamediadeunospocosmilisegundos.Sin embargo, comomediacadamolculade aguaenestadol-quidoenunmomentodeterminadoestunidaporpuen-tesde hidrgeno a3'/>molculas adyacentes. En elhielo la cantidaddefuentesdehidrgenoesanmayor dandolu-garaunentramadocristalinorgidoyaltamenteregular, concadaoxgenounidomediantepuentesdehidrgenoa hidrgenosdedosmolculasadyacentesycadamolcula de aguapor lotantounidaa cuatromolculas vecinasme-diantepuentesdehidrgeno. Esatendenciaaformarpuentesdehidrgenoentre molculasadyacenteshacequeelaguaseatanaltamente cohesiva.Estacohesinesres