Biología I

Temas: Origen de la Vida. Célula. Teoría celular. Tipos de Células. Organelas. Ciclo celular. División Celular. ADN

Las células En algún momento de la historia de este planeta aparecieron sistemas biológicos capaces de producir descendientes y evolucionar, un

hecho íntimamente asociado con los cambios que sufrió la Tierra. Para introducirnos en el origen de las primeras formas vivas,

debemos conocer las condiciones iniciales de la Tierra a partir de las cuales pudieron haberse establecido.

La vida se caracteriza por una serie de propiedades que emergen en el nivel de organización celular. La teoría celular constituye uno

de los principios fundamentales de la biología y establece que:

a. todos los organismos vivos están formados por una o más células;

b. las reacciones químicas de un organismo vivo, incluyendo los procesos liberadores de energía y las reacciones biosintéticas, tienen

lugar dentro de las células;

c. las células se originan de otras células, y

d. las células contienen la información hereditaria de los organismos de los cuales son parte y esta información pasa de la célula

progenitora a la célula hija.

Hay dos tipos distintos de células: las procariotas y las eucariotas. Las células procarióticas carecen de núcleos limitados por

membrana y de la mayoría de las organelas que se encuentran en las células eucarióticas. Los procariotas fueron la única forma de

vida sobre la Tierra durante casi 2.000 millones de años; después, hace aproximadamente 1.500 millones de años, aparecieron las

células eucarióticas. Los organismos multicelulares, compuestos de células eucarióticas especializadas para desempeñar funciones

particulares, aparecieron en una época comparativamente reciente, sólo hace unos 750 millones de años.

Por ser de un tamaño muy pequeño, las células y las estructuras subcelulares necesitan de microscopios para poder ser observadas por

el ojo humano, de limitado poder de resolución. Los tres tipos principales son el microscopio óptico, el microscopio electrónico de

transmisión y el microscopio electrónico de barrido. Se han desarrollado además otras técnicas microscópicas. Los sistemas ópticos

especiales de contraste de fase, de interferencia diferencial y de campo oscuro hacen posible estudiar células vivas. Un avance

tecnológico importante fue el uso de computadoras y cámaras de video integradas a los microscopios.

El comienzo de la vida

Desde una perspectiva bioquímica, tres características distinguen a las células vivas de otros sistemas químicos:

a. la capacidad para duplicarse generación tras generación;

b. la presencia de enzimas, las proteínas complejas que son esenciales para las reacciones químicas de las que depende la vida, y

c. una membrana que separa a la célula del ambiente circundante y le permite mantener una identidad química distinta. ¿Cómo

surgieron estas características? ¿Cuál de ellas apareció primero e hizo posible el desarrollo de las otras?

El primer conjunto de hipótesis verificables acerca del origen de la vida fue propuesto por A. I. Oparin y J. B. Haldane quienes,

trabajando en forma independiente, postularon que la aparición de la vida fue precedida por un largo período de "evolución química".

Hay un acuerdo general en dos aspectos críticos acerca de la identidad de las sustancias presentes en la atmósfera primitiva y en los

mares durante este período:

a. había muy poco o nada de oxígeno presente y

b. los cuatro elementos primarios de la materia viva (hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno) estaban disponibles en alguna forma en

la atmósfera y en las aguas de la Tierra primitiva.

La energía necesaria para desintegrar las moléculas de estos gases y volver a integrarlas en moléculas más complejas estaba presente

en el calor, los relámpagos, los elementos radiactivos y la radiación de alta energía del Sol.

Oparin postuló que en las condiciones de la Tierra primitiva se formaron moléculas orgánicas a partir de los gases atmosféricos que se

irían acumulando en los mares y lagos de la Tierra y, en esas condiciones (sin oxígeno libre), tenderían a persistir. Al concentrarse

algunas moléculas, habrían actuado sobre ellas fuerzas químicas, las mismas que actúan sobre las moléculas orgánicas hoy en día.

Estos agregados plurimoleculares fueron progresivamente capaces de intercambiar materia y energía con el ambiente. En estas

estructuras coloidales -a las que Oparin llamó coacervados (en cuyo interior podían optimizarse ciertas reacciones) se habría

desarrollado un metabolismo sencillo, punto de partida de todo el mundo viviente.

Con estos sistemas se pasó a una nueva etapa, la de evolución prebiológica. Los sistemas constituyen un nuevo nivel de organización

en el proceso del origen de la vida, lo que implica el establecimiento de nuevas leyes. En los sistemas químicos modernos, ya sea en el

laboratorio o en el organismo vivo, las moléculas y los agregados más estables tienden a sobrevivir, y los menos estables son

transitorios. De igual modo, dado que los sistemas presentaban heterogeneidad, los agregados que tenían mayor estabilidad química en

las condiciones prevalecientes en la Tierra primitiva habrían tendido a sobrevivir.

S. Miller aportó las primeras evidencias experimentales 29 años después de que Oparin publicara su teoría. Los experimentos de

laboratorio han mostrado que, en estas condiciones, pueden formarse los tipos de moléculas orgánicas características de los sistemas

vivos. Otros experimentos han sugerido el tipo de procesos por los cuales agregados de moléculas orgánicas pudieron haber formado

estructuras semejantes a células, separadas de su ambiente por una membrana y capaces de mantener su integridad química y

estructural. En el marco de la teoría de Oparin, se desarrollaron modelos alternativos, entre otros, el de Sidney W. Fox quien obtuvo

estructuras proteicas limitadas por membrana -llamadas microesferas proteinoides- que podían llevar a cabo algunas reacciones

químicas análogas a las de las células vivas.

Si bien estas microesferas no son células vivas, su formación sugiere los tipos de procesos que podrían haber dado origen a entidades

proteicas con mantenimiento autónomo, distintas de su ambiente y capaces de llevar a cabo las reacciones químicas necesarias para

mantener su integridad física y química.

Todos los biólogos acuerdan en que la forma ancestral de vida necesitaba un rudimentario manual de instrucciones que pudiera ser

copiado y transmitido de generación en generación. La propuesta más aceptada es que el RNA habría sido el primer polímero en

realizar las tareas que el DNA y las proteínas llevan a cabo actualmente en las células. Por errores de copia en su duplicación habría

aparecido una inmensa variedad de RNA; más tarde, estas moléculas pasaron a ejercer control sobre la síntesis de proteínas. En una

etapa ulterior, las proteínas habrían reemplazado al RNA en la función de acelerar las reacciones químicas. Mediante un proceso aún

no esclarecido, la función de almacenar la información genética habría sido transferida del RNA al DNA, que es menos susceptible a

la degradación química.

Posteriormente, estas moléculas autorreplicantes se habrían introducido dentro de compartimientos. Uno de los mayores interrogantes

que permanece abierto es cómo se produjo el pasaje de la química prebiótica a la aparición de la vida. Hasta el día de hoy los

científicos no han podido transformar en el laboratorio la materia no viva en una célula funcional.

Sobre la base de los estudios astronómicos y de las exploraciones llevadas a cabo por vehículos espaciales no tripulados, parece que

sólo la Tierra, entre los planetas de nuestro sistema solar, sustenta vida. Las condiciones en la Tierra son ideales para los sistemas

vivos basados en moléculas que contienen carbono.

Frente a las controversias sobre el origen de la vida, algunos científicos reconocidos postularon que hasta las formas de vida más

simples son demasiado complejas para haber surgido mediante reacciones químicas al azar en el seno de una sopa oceánica y ubicaron

el origen de la vida en el espacio interestelar.

Sin embargo, la vida podría ser muy distinta de como nosotros la conocemos. En el caso de que la vida hubiera surgido en Marte en

forma independiente, no habría por qué esperar que ésta compartiera sus rasgos con la de los seres vivos terrestres. El fenómeno de la

vida podría haber sido resultado de una combinación inimaginable de moléculas desconocidas y con propiedades diferentes.

La uniformidad que subyace a la vida en la Tierra -notablemente, todos los organismos comparten un mecanismo de transmisión

genética común basado en el DNA- sugiere que toda la vida actual desciende de un único ancestro y, aunque no sería imposible que

hubieran existido otras formas de vida que se extinguieron sin dejar rastros, no existen evidencias de ellas, ni siquiera por un breve

período.

Heterótrofos y autótrofos

La energía que produjeron las primeras moléculas orgánicas provino de una variedad de fuentes existentes en la Tierra primitiva y en

su atmósfera: calor, radiaciones ultravioletas y perturbaciones eléctricas. Cuando aparecieron las primeras células primitivas, o

estructuras semejantes a células, requirieron un aporte continuo de energía para mantenerse, crecer y reproducirse. El modo como

estas células obtuvieron la energía actualmente es objeto de una discusión vivaz.

Los organismos modernos y las células de las cuales están compuestos pueden satisfacer sus requerimientos energéticos en una de dos

formas. Los heterótrofos son organismos que dependen de fuentes externas de moléculas orgánicas para obtener su energía y sus

moléculas estructurales.

Todos los animales y los hongos, así como muchos organismos unicelulares, son heterótrofos. Los autótrofos, por contraste, se

"autoalimentan". No requieren moléculas orgánicas procedentes de fuentes externas para obtener su energía o para usarlas como

pequeñas moléculas de tipo estructural; en cambio, son capaces de sintetizar sus propias moléculas orgánicas ricas en energía a partir

de sustancias inorgánicas simples. La mayoría de los autótrofos, incluyendo las plantas y varios tipos diferentes de organismos

unicelulares, realizan fotosíntesis, lo que significa que la fuente de energía para sus reacciones de síntesis es el Sol. Ciertos grupos de

bacterias, sin embargo, son quimiosintéticas; estos organismos capturan la energía liberada por reacciones inorgánicas específicas para

impulsar sus procesos vitales, incluyendo la síntesis de las moléculas orgánicas necesarias.

Tanto los heterótrofos como los autótrofos parecen estar representados entre los microfósiles más antiguos. Se ha postulado durante

largo tiempo que la primera célula viva fue un heterótrofo extremo. Sin embargo, descubrimientos recientes han planteado la

posibilidad de que las primeras células hayan sido autótrofas, quimiosintéticas o fotosintéticas antes que heterótrofas. Se han

descubierto varios grupos diferentes de bacterias quimiosintéticas que hubieran sido muy adecuadas para las condiciones que

prevalecían en la joven Tierra.

Algunas de estas bacterias son habitantes de los pantanos, mientras que otras se han encontrado en profundas trincheras oceánicas, en

áreas donde los gases escapan por las fisuras de la corteza terrestre. Hay evidencia de que estas bacterias representan los

sobrevivientes de grupos muy antiguos de organismos unicelulares.

Aunque los biólogos aún no han podido resolver el problema acerca de si las primeras células fueron heterótrofas o autótrofas, es

seguro que sin la evolución de los autótrofos la vida en la Tierra pronto habría llegado a su fin.

En los más de 3.500 millones de años transcurridos desde que apareció la vida, los autótrofos más exitosos (o sea, aquellos que han

dejado la mayor cantidad de descendencia y se han diversificado en la mayor variedad de formas) han sido los que desarrollaron un

sistema para hacer uso directo de la energía solar en el proceso de fotosíntesis. Con el advenimiento de la fotosíntesis, el flujo de

energía en la biosfera asumió su forma dominante moderna: la energía radiante del Sol, canalizada por medio de los autótrofos

fotosintéticos pasa a todas las otras formas de vida.

Procariotas y eucariotas

Todas las células comparten dos características esenciales. La primera es una membrana externa, la membrana celular -o membrana

plasmática- que separa el citoplasma de la célula de su ambiente externo. La otra es el material genético -la información hereditaria-

que dirige las actividades de una célula y le permite reproducirse y transmitir sus características a la progenie.

Existen dos tipos fundamentalmente distintos de células, las procariotas y las eucariotas. En las células procarióticas, el material

genético se encuentra en forma de una molécula grande y circular de DNA a la que están débilmente asociadas diversas proteínas. En

las células eucarióticas, por el contrario, el DNA es lineal y está fuertemente unido a proteínas especiales. Dentro de la célula

eucariótica, el material genético está rodeado por una doble membrana, la envoltura nuclear, que lo separa de los otros contenidos

celulares en un núcleo bien definido. En las procariotas, el material genético no está contenido dentro de un núcleo rodeado por una

membrana, aunque está ubicado en una región definida llamada nucleoide.

En el citoplasma se encuentra una gran variedad de moléculas y complejos moleculares. Por ejemplo, tanto los procariotas como los

eucariotas contienen complejos proteicos y de RNA llamados ribosomas que desempeñan una función clave en la unión de los

aminoácidos individuales durante la síntesis de proteínas. Las moléculas y complejos moleculares están especializados en

determinadas funciones celulares. En las células eucarióticas, estas funciones se llevan a cabo en una gran variedad de estructuras

rodeadas por membranas -llamadas organelas- que constituyen distintos compartimientos internos dentro del citoplasma. Entre las

organelas se destacan los peroxisomas que realizan diversas funciones metabólicas; las mitocondrias, centrales energéticas de las

células y, en las algas y células vegetales, los plástidos como los cloroplastos, donde acontece la fotosíntesis.

La membrana celular de los procariotas está rodeada por una pared celular externa que es elaborada por la propia célula. Ciertas

células eucarióticas, incluyendo las de las plantas y hongos, tienen una pared celular, aunque su estructura es diferente de la de las

paredes celulares procarióticas. Otras células eucarióticas, incluyendo las de nuestros propios cuerpos y las de otros animales, no

tienen paredes celulares. Otro rasgo que distingue a los eucariotas de los procariotas es el tamaño: las células eucarióticas

habitualmente son de mayor tamaño que las procarióticas.

En las células eucarióticas, ciertas proteínas se organizan formando intrincadas estructuras que dan lugar a una especie de esqueleto

interno, el citoesqueleto, que aporta sostén estructural y posibilita el movimiento celular.

Algunos ejemplos de células procariotas son la bacteria Escherichia coli y las cianobacterias, grupo de procariotas fotosintéticos

llamadas antes algas azules. Un eucariota fotosintético unicelular es el alga Chlamydomonas.

Esquema de Escherichia coli.

La Escherichia coli es un procariota heterotrófico que resulta ser el más estudiado de todos los

organismos vivos. El material genético (DNA) se encuentra en la zona más clara, en el centro de cada

célula. Esta región no delimitada por membrana se llama nucleoide. Los pequeños granos del citoplasma

son los ribosomas. Las dos células del centro se acaban de dividir y todavía no se han separado

completamente.

Esquema de Chlamydomonas.

La comparación entre los dos tipos de células ponen de manifiesto la mayor complejidad de las células eucarióticas frente a las

procarióticas. Sin embargo, ambas comparten muchas semejanzas en su funcionamiento, lo que no deja dudas acerca de su parentesco.

Los científicos han podido establecer que, en algún momento de la historia de la Tierra, diversos

tipos de eucariotas se escindieron de un tronco procariótico, formando ramas que evolucionaron de

manera independiente.

El paso de los procariotas a los primeros eucariotas (los protistas) fue una de las transiciones

evolutivas principales sólo precedida en orden de importancia por el origen de la vida. La cuestión

de cómo ocurrió esta transición es actualmente objeto de viva discusión. Una hipótesis interesante,

que gana creciente aceptación, es que se originaron células de mayor tamaño, y más complejas,

cuando ciertos procariotas comenzaron a alojarse en el interior de otras células.

La investigadora L. Margulis propuso el primer mecanismo para explicar cómo pudo haber ocurrido

esta asociación. La llamada "teoría endosimbiótica" (endo significa interno y simbionte se refiere a

la relación de beneficio mutuo entre dos organismos) intenta explicar el origen de algunas organelas

eucarióticas. Hace aproximadamente 2.500 millones de años, cuando la atmósfera era ya rica en

oxígeno como consecuencia de la actividad fotosintética de las cianobacterias, ciertas células procarióticas habrían adquirido la

capacidad de utilizar este gas para obtener energía de sus procesos metabólicos. La capacidad de utilizar el oxígeno habría conferido

una gran ventaja a estas células aeróbicas, que habrían prosperado y aumentado en número. En algún momento, estos procariotas

aeróbicos habrían sido fagocitados por células de mayor tamaño, sin que se produjera una digestión posterior. Algunas de estas

asociaciones simbióticas habrían sido favorecidas por la presión selectiva: los pequeños simbiontes aeróbicos habrían hallado

nutrientes y protección en las células hospedadoras a la vez que éstas obtenían

los beneficios energéticos que el simbionte les confería. Estas nuevas

asociaciones pudieron conquistar nuevos ambientes. Así, las células

procarióticas, originalmente independientes, se habrían transformado en las

actuales mitocondrias, pasando a formar parte de las flamantes células

eucarióticas.

Esquema de células de una hoja de maíz.

El núcleo de esta hoja de maíz puede verse a un lado en la célula central. El

material granulado del núcleo es la cromatina. Contiene DNA asociado con las

proteínas histonas. El nucléolo es la región del núcleo donde se sintetizan los

componentes de RNA ribosómico. Obsérvese que las mitocondrias y los

cloroplastos se encuentran envueltos por membranas. La vacuola, una región

llena de líquido rodeada por una membrana, y la pared celular son características

de las células vegetales y no se encuentran en los animales. Como puede verse

por comparación, esta célula es muy parecida a Chlamydomonas.

El cuerpo humano, constituido por billones de células individuales, está compuesto, cuando menos, por 200 tipos diferentes de células,

cada una especializada para su función particular, pero todas trabajando como un conjunto cooperativo.

Los organismos se agrupan en tres categorías principales llamadas dominios (Bacteria, Archaea y Eukarya). Dentro del dominio de los

Eukarya seencuentran los reinos protistas, hongos, plantas y animales, todos ellos eucariontes. Los organismos pertenecientes al

dominio Bacteria incluyen el reino de las Eubacterias. En el dominio Archaea se pueden mencionar las archeobacterias acidófilas,

termoplasmales y metanobacterias. Tanto las Eubacterias como las Archeobacterias son procariontes.

Los procariotas son esencialmente unicelulares, aunque en algunos tipos las células forman racimos, filamentos o cadenas; este reino

incluye formas quimiosintéticas, fotosintéticas y heterótrofas. Los protistas son un grupo diverso de organismos eucarióticos

unicelulares y algunos multicelulares simples; incluyen tanto heterótrofos como autótrofos fotosintéticos. Los hongos, las plantas y los

animales son organismos eucarióticos multicelulares. Todos los animales y hongos son heterótrofos, mientras que todas las plantas,

con unas pocas excepciones curiosas (como la pipa india o monótropa y la cuscuta, que son parásitas) son autótrofos fotosintéticos.

Sin embargo, dentro del cuerpo de una planta multicelular, algunas de las células son fotosintéticas, como las células de una hoja, y

algunas son heterótrofas, como las células de una raíz. Las células fotosintéticas suministran sacarosa a las células heterótrofas de la

planta.

Cómo están organizadas las células En la naturaleza existe una sorprendente diversidad de tipos celulares que, a la vez, tienen una notable similitud. Cada célula es capaz

de llevar a cabo esencialmente los mismos procesos: obtener y asimilar nutrientes, eliminar los residuos, sintetizar nuevos materiales

para la célula y, en muchos casos, moverse y reproducirse.

Las células son las unidades básicas de la estructura y función biológicas pero pueden diferir grandemente en su tamaño y forma. El

tamaño de las células está limitado por la relación entre superficie y volumen; cuanto mayor es la superficie de una célula en

proporción a su volumen, mayor será la cantidad de materiales que pueden entrar o salir de ella en un espacio de tiempo dado. El

tamaño celular también está limitado por la capacidad del núcleo para regular las actividades celulares. Las células metabólicamente

más activas tienden a ser pequeñas.

Las células tienen una compleja arquitectura interna que les permite realizar todas sus funciones. En las células eucarióticas existe una

variedad de estructuras internas, las organelas, que son similares o, en algunos casos, idénticas de una célula a otra en una amplia

gama de tipos celulares.

Las células están separadas del medio circundante por una membrana celular. Esta membrana restringe el paso de sustancias de afuera

hacia el interior y viceversa, y protege de esta manera su integridad estructural y funcional. Las células de las plantas, de la mayoría de

las algas, hongos y procariotas, están además separadas del ambiente por una pared celular elaborada por las células mismas.

El núcleo de las células eucarióticas está separado del citoplasma por la envoltura nuclear, formada por dos bicapas lipídicas. Los

poros de la envoltura nuclear suministran los canales a través de los cuales pasan las moléculas desde y hacia el citoplasma. El núcleo

contiene el material genético, los cromosomas, que, cuando la célula no está dividiéndose, existen en una forma extendida llamada

cromatina. Al actuar juntamente con el citoplasma, el núcleo ayuda a regular las actividades de la célula.

El citoplasma de la célula es una solución acuosa concentrada que contiene enzimas, moléculas disueltas e iones -además de organelas

en el caso de las células eucarióticas- que desempeñan funciones especializadas en la vida de la célula. Las células eucarióticas

contienen una gran cantidad de organelas, la mayoría de las cuales no existen en las células procarióticas.

El citoplasma eucariótico tiene un citoesqueleto que sirve de soporte e incluye microtúbulos, filamentos de actina y filamentos

intermedios. El citoesqueleto mantiene la forma de la célula, le permite moverse, fija sus organelas y dirige su tránsito.

Tamaño y forma celular

La mayoría de las células que constituyen el cuerpo de una planta o de un animal miden entre 10 y 30 micrómetros de diámetro. La

principal restricción al tamaño de la célula es la que impone la relación entre el volumen y la superficie. Las sustancias como el

oxígeno, el dióxido de carbono, los iones, los nutrientes y los productos de

desecho que entran y salen de una célula viva deben atravesar su superficie,

delimitada por una membrana. Estas sustancias son los materiales simples y

los productos del metabolismo celular que representa el total de las

actividades químicas en las que se encuentra comprometida una célula.

Cuanto más activo es el metabolismo celular, más rápidamente deben

intercambiarse los materiales con el ambiente para que la célula siga

funcionando. En células grandes, la relación superficie-volumen es menor

que en células más chicas, es decir, las células de mayor tamaño disponen

de una superficie de intercambio con el medio ambiente proporcionalmente

menor.

El cubo de 4 centímetros, los ocho cubos de 2 centímetros y los sesenta y

cuatro cubos de 1 centímetro, tienen el mismo volumen total. Sin embargo,

a medida que el volumen se divide en unidades más pequeñas, la cantidad

total de superficie se incrementa al igual que la relación superficie a

volumen. Por ejemplo, la superficie total de los sesenta y cuatro cubos de 1

centímetro es 4 veces mayor que la superficie del cubo de 4 centímetros y

la relación superficie a volumen en cada cubo de 1 centímetro es 4 veces

mayor que la del cubo de 4 centímetros. De modo similar, las células más pequeñas tienen una mayor relación de superficie a volumen

que las células más grandes. Esto significa, no sólo más superficie de membrana a través de la cual los materiales pueden entrar en la

célula o salir de ella, sino también menos materia viva para atender y distancias más cortas a recorrer por los materiales en el interior

de la célula.

La relación superficie-volumen en función del tamaño celular.

Por ese motivo y, dado que una célula más grande requiere del intercambio de cantidades mayores de materiales para satisfacer sus

necesidades, el tamaño de las células se ve así limitado. Una estrategia que permite aumentar la superficie de intercambio con el

entorno es el plegamiento de la membrana.

Una segunda limitación al tamaño de una célula eucariótica parece estar relacionada con la capacidad del núcleo el centro de control

de la célula- para suministrar suficientes copias de moléculas con la información necesaria para regular los procesos que ocurren en

una célula grande, metabólicamente activa.

No es sorprendente que las células con un metabolismo más activo sean habitualmente pequeñas. Al igual que las gotas de agua y las

burbujas de jabón, las células tienden a ser esféricas. Sin embargo, a menudo tienen otras formas. Esto ocurre a causa de la existencia

de las paredes celulares , encontradas en plantas, hongos y muchos organismos unicelulares. La forma de la célula también se debe a

la adhesión y la presión de otras células o de superficies vecinas (como ocurre con las células del epitelio intestinal). También, la

forma depende de la disposición de ciertos elementos estructurales internos, como el citoesqueleto, y está generalmente relacionada

con las funciones especiales que esas células cumplen.

Organización subcelular

Las técnicas microscópicas modernas han confirmado que las células eucarióticas contienen una multitud de estructuras especializados

en forma y función, y así desempeñan actividades particulares requeridas por la economía celular. Así como los órganos de los

animales multicelulares trabajan juntos en sistemas de órganos, las organelas de las células están comprometidas en varias funciones

cooperativas e interdependientes.

Las adquisiciones de los eucariotas marcaron muchas diferencias con sus predecesores procariotas. En las células procarióticas, todos

los procesos ocurren en un único compartimiento limitado por la membrana celular. Por el contrario, en las células eucarióticas existe

una separación espacial de las funciones: el DNA se mantiene en un compartimiento separado, el núcleo, y en el citoplasma se

encuentran distintas organelas, entre ellas las mitocondrias, presentes en todas las células eucarióticas, o los cloroplastos, presentes en

células fotosintéticas. Es importante comprender que una célula no es una combinación fortuita de componentes, sino una entidad

dinámica e integrada.

Límites celulares y subcelulares

Todas las células son básicamente muy semejantes. Todas tienen DNA como material genético, desempeñan los mismos tipos de

reacciones químicas y están rodeadas por una membrana celular externa que se ajusta al mismo plan general, tanto en las células

procarióticas como en las eucarióticas. La membrana celular -o plasmática- es esencial en la vida celular. No solamente define los

límites de la célula, sino que además permite que la célula exista como una entidad diferente de su entorno. Esta membrana regula el

tránsito de sustancias hacia fuera y hacia adentro de la célula. En las células eucarióticas, además, define los compartimientos y

organelas, lo que permite mantener las diferencias entre su contenido y el citosol.

La membrana celular, como todas las membranas biológicas, consiste en una delgada capa de fosfolípidos y proteínas; tiene entre 7

y 9 nanómetros de grosor y no puede ser resuelta por el microscopio óptico. En cambio, con el microscopio electrónico, puede verse

como una doble línea delgada y continua.

Las membranas están generalmente rodeadas por un medio acuoso, lo que hace que las moléculas de fosfolípidos se dispongan

formando una bicapa. De acuerdo con el modelo del mosaico fluido, las membranas celulares, estructuras fluidas y dinámicas, se

forman a partir de estas bicapas de fosfolípidos, en las cuales están embutidas moléculas de proteínas y de colesterol. Las moléculas

de lípidos y proteínas pueden, en general, desplazarse lateralmente por la bicapa.

La disposición de los fosfolípidos en una bicapa en solución acuosa se debe a su particular estructura química. En el esquema, se

indican los distintos componentes de las membranas biológicas: carbohidratos, colesterol, proteínas integrales y periféricas. En

procariotas y algunos protistas, así como en plantas y hongos, no se encuentra colesterol. La estructura básica de la membrana es una

red de moléculas fosfolipídicas, en las que se encuentran embutidas moléculas de colesterol y moléculas grandes de proteína. Las

moléculas de fosfolípido están dispuestas en una bicapa, con sus colas hidrofóbicas apuntando hacia el interior y sus cabezas

hidrofílicas de fosfato apuntando al exterior. Las moléculas de colesterol se encuentran insertas entre las colas hidrofóbicas. Las

proteínas embutidas en la bicapa se conocen como proteínas integrales de membrana. Sobre la cara citoplasmática de la membrana, las

proteínas periféricas de membrana se encuentran unidas a algunas de las proteínas integrales. La porción de la superficie de una

molécula de proteína que se encuentra dentro de la bicapa lipídica es hidrofóbica; la porción de la superficie expuesta afuera de la

bicapa es hidrofilica. Se cree que poros con superficies hidrofílicas atraviesan algunas de las moléculas de proteína. Entremezcladas

con las moléculas de fosfolípidos de la capa externa de la bicapa se encuentran moléculas de glucolípidos. Las cadenas de

carbohidratos unidas a los glucolípidos y a las proteínas que sobresalen de la cara exterior de la membrana están implicadas en la

adhesión de las células entre sí y en el "reconocimiento" de moléculas en la superficie de la membrana.

Modelo de la membrana plasmática de una célula animal, determinado a

partir de fotomicrografías electrónicas y datos

Las moléculas de proteína embutidas, que típicamente atraviesan la

membrana, se conocen como proteínas integrales de membrana. Diferentes

proteínas integrales desempeñan funciones diferentes; algunas son

enzimas, otras son receptores y otras son proteínas de transporte. Las dos

caras de la membrana difieren en composición química. Las dos capas

generalmente tienen concentraciones diferentes de distintos tipos de

moléculas lipídicas. En muchas clases de células, la capa externa es

particularmente rica en moléculas de glucolípidos. Las cadenas de

carbohidratos de estas moléculas -así como las cabezas fosfato de las

moléculas de fosfolípidos- están expuestas sobre la superficie de la

membrana; las colas hidrofóbicas de los ácidos grasos están dentro de la

membrana. La composición de proteínas de las dos capas también difiere. En el lado citoplasmático de la membrana, hay moléculas de

proteína adicionales, conocidas como proteínas periféricas de membrana, que están ligadas a parte de las proteínas integrales que

sobresalen de la bicapa.

Esquema de dos configuraciones principales que han sido determinadas para las proteínas de las membranas.

La mayoría de las proteínas integrales presentan una de dos configuraciones básicas:

a. una hélice alfa y

b. una estructura globular terciaria, formada por segmentos repetidos de hélice alfa que se disponen en zig-

zag a través de la membrana.

Los segmentos helicoidales están unidos por segmentos hidrofílicos irregulares de la cadena polipeptídica,

que se extienden a cada lado de la membrana.

Una de las estructuras es una hélice alfa embutida en el interior hidrofóbico de la membrana, con porciones

hidrofílicas menos regulares que se extienden a uno u otro lado y están, a menudo, extensamente plegadas en

una intrincada estructura terciaria. La otra configuración se encuentra en moléculas globulares grandes que poseen estructuras

cuaternarias o terciarias complejas, resultantes de "pasajes" repetidos a través de la membrana. Las porciones de estas proteínas

embutidas en el interior hidrofóbico de la bicapa son segmentos de hélice alfa apretadamente enrollados. Aunque las superficies

embutidas en contacto con la bicapa lipídica siempre son hidrofóbicas, las porciones interiores de algunas proteínas globulares son

aparentemente hidrofílicas; esto permite la existencia de "poros" a través de los cuales ciertas sustancias polares pueden cruzar la

membrana.

Las membranas celulares de eucariotas y procariotas, así como las de las organelas de células eucarióticas, tienen la misma estructura

básica. Sin embargo, hay diferencias en los tipos de lípidos y, particularmente, en el número y tipo de proteínas y carbohidratos. Estas

diferencias confieren a las membranas de diferentes tipos de células y de diferentes organelas propiedades únicas que pueden

correlacionarse con diferencias en la función.

La mayoría de las membranas tiene aproximadamente 40% de lípidos y 60% de proteínas, aunque existe una variación considerable.

Las proteínas, extremadamente diversas en su estructura, desempeñan una variedad de actividades y son las responsables de la

mayoría de las funciones esenciales que cumplen las membranas biológicas. Algunas proteínas son enzimas y regulan reacciones

químicas particulares; otras son receptores, implicados en el reconocimiento y unión de moléculas señalizadoras, tales como las

hormonas; y aun otras son proteínas de transporte, que desempeñan papeles críticos en el movimiento de sustancias a través de la

membrana.

Una distinción fundamental entre las células animales y vegetales es que las células vegetales están rodeadas por una pared celular. La

pared se encuentra por fuera de la membrana y es construida por la célula. Cuando una célula vegetal se divide, se forma una capa

delgada de material aglutinante entre las dos células nuevas; ésta constituirá la laminilla media.

Formada por pectinas (los compuestos que constituyen el gel de las gelatinas) y por otros polisacáridos, la laminilla media mantiene

juntas a células contiguas. Luego, cada célula vegetal construye su pared celular primaria a cada lado de la laminilla media. La pared

primaria contiene, principalmente, moléculas de celulosa asociadas en haces de microfibrillas dispuestos en una matriz de polímeros

viscosos.

En las plantas, el crecimiento tiene lugar, fundamentalmente, por alargamiento celular; estudios sobre el tema demostraron que en este

proceso de alargamiento, la célula agrega nuevos materiales a sus paredes. Sin embargo, no crece igual en todas las direcciones; la

forma final de una célula está determinada por la estructura de su pared celular.

A medida que la célula madura, puede constituirse una pared secundaria. Esta pared no es capaz de expandirse de la misma manera

que la pared primaria; frecuentemente contiene otras moléculas, como la lignina, que sirven para reforzarla. En estas células, el

material que en principio estaba vivo, a menudo muere, dejando solamente la pared externa como una obra arquitectónica de la célula.

Las paredes celulares que contienen celulosa también se encuentran en muchas algas. Los hongos y los procariotas también tienen

paredes celulares, pero usualmente no contienen celulosa.

Las paredes celulares procarióticas contienen polisacáridos y polímeros complejos conocidos como peptidoglicanos, formados a partir

de aminoácidos y azúcares.

El núcleo

El núcleo es un cuerpo grande, frecuentemente esférico y, por lo común, es la estructura más voluminosa dentro de las células

eucarióticas. Está rodeado por la envoltura nuclear, constituida por dos membranas concéntricas, cada una de las cuales es una bicapa

lipídica. Estas dos membranas están separadas por un intersticio de unos 20 a 40 nanómetros pero, a intervalos frecuentes, las

membranas se fusionan creando pequeños poros nucleares, por donde circulan los materiales entre el núcleo y el citoplasma.

En las células eucarióticas, el material genético -DNA- es lineal y está fuertemente unido a proteínas especiales llamadas histonas.

Cada molécula de DNA con sus histonas constituye un cromosoma. Los cromosomas se encuentran en el núcleo. Cuando una célula

no se está dividiendo, los cromosomas se ven como una maraña de hilos delgados, llamada cromatina. Cuando la célula se divide, la

cromatina se condensa y los cromosomas se hacen visibles como entidades independientes. El cuerpo más conspicuo dentro del núcleo

es el nucléolo. Hay típicamente dos nucléolos por núcleo. El nucléolo es el sitio en el que se construyen las subunidades que

constituyen los ribosomas. Visto con el microscopio electrónico, el nucléolo aparece como un conjunto de delicados gránulos y fibras

diminutas. Estos gránulos y fibras están constituidos por filamentos de cromatina, RNA ribosómico que está siendo sintetizado y

partículas de ribosomas inmaduros. Los nucléolos pueden variar en tamaño en relación con la actividad sintética de la célula, y pueden

llegar a representar un 25% del volumen total nuclear.

El citoplasma

No hace mucho tiempo, la célula era vista como una bolsa de fluido que contenía enzimas y otras moléculas disueltas, juntamente con

el núcleo, unas pocas mitocondrias y, ocasionalmente, otras organelas que podían examinarse por técnicas microscópicas especiales.

Con el desarrollo del microscopio electrónico, sin embargo, se ha identificado un número creciente de estructuras dentro del

citoplasma, que ahora se sabe que está altamente organizado y atestado de organelas. Entre las células eucarióticas se distinguen las

células animales y las vegetales. Ambos tipos de células difieren en varios aspectos aunque, como veremos, comparten muchas

características.

Como todas las células, la de la siguiente figura -una célula animal- se halla limitada por una membrana celular (la membrana

plasmática), que actúa como una barrera selectivamente permeable respecto al medio circundante. Todos los materiales que entran o

salen de la célula, incluyendo los alimentos, los desechos y los mensajeros químicos, deben atravesar esta barrera. Dentro de la

membrana se encuentra el citoplasma, que contiene las enzimas y otros solutos de la célula.

El citoplasma está atravesado y subdividido por un complejo sistema de membranas, el retículo endoplásmico, parte del cual se

muestra aquí. En algunas áreas, el retículo endoplásmico está cubierto por ribosomas, que son las estructuras especiales sobre las

cuales los aminoácidos se ensamblan en proteínas. También se encuentran ribosomas en otras partes del citoplasma. Los complejos de

Golgi son centros de empaquetamiento o compactación de moléculas sintetizadas dentro de la célula. Los lisosomas y peroxisomas

son vesículas en las cuales diferentes tipos de moléculas se degradan a constituyentes más simples que pueden ser utilizados por la

célula o en el caso de productos de desecho, eliminados fácilmente. Las mitocondrias son el asiento de las reacciones químicas que

suministran energía para las actividades celulares.

Célula animal representativa, interpretada según microfotografías electrónicas.

El cuerpo más grande dentro de la célula es el núcleo. Está rodeado por una

membrana doble, la envoltura nuclear, cuya membrana externa es continua con el

retículo endoplásmico. Dentro de la envoltura nuclear se encuentran un nucléolo,

que es el sitio donde se forman las subunidades ribosómicas.

El citoesqueleto, que es una red altamente estructurada y compleja de filamentos

proteicos, ocupa todo el citoplasma. Entre sus componentes están los microtúbulos,

que tienen aspecto de bastones y los filamentos intermedios, que son estructuras

filiformes que se concentran cerca de la membrana celular. Otros elementos del

citoesqueleto son demasiado delgados como para ser vistos con este aumento. Los

filamentos intermedios del citoesqueleto mantienen la forma de la célula, fijan sus

organelas y dirigen el tránsito molecular intracelular. En el núcleo, los filamentos

intermedios forman la lámina nuclear, que actúa como soporte de la membrana

nuclear interna (no se representa en este esquema).

Al igual que la célula animal, la célula vegetal de la siguiente figura está limitada por una membrana celular. Rodeando a la membrana

celular hay una pared celular que contiene celulosa. Los plasmodesmos, que son canales que atraviesan las paredes celulares, permiten

una conexión citoplasmática entre células contiguas. La estructura más prominente en muchas células vegetales es una vacuola

grande, llena con una solución de sales y otras sustancias.

Una célula vegetal relativamente joven, interpretada según fotomicrografías

electrónicas.

En las células vegetales maduras, la vacuola frecuentemente ocupa la

mayor parte de la célula y los otros contenidos celulares son relegados a

una región estrecha, próxima a la membrana celular. La vacuola desempeña

un papel central al mantener la rigidez de la pared celular y la lozanía del

cuerpo de la planta. Los cloroplastos, las organelas grandes en las que

ocurre la fotosíntesis, generalmente se concentran cerca de la superficie de

la célula. Las moléculas de clorofila y las otras sustancias involucradas en

la captura de energía luminosa proveniente del Sol están situadas en las

membranas tilacoides dentro de los cloroplastos. Al igual que la célula

animal, la célula vegetal viva contiene un núcleo prominente, un retículo

endoplásmico extenso y muchos ribosomas y mitocondrias. En la célula

vegetal en crecimiento, los complejos de Golgi son especialmente

numerosos; ellos desempeñan un papel importante en el ensamble de

materiales para la pared celular en expansión. La orientación de las

microfibrillas de celulosa, a medida que son añadidas a la pared celular, está determinada por la orientación de los microtúbulos en las

porciones del citoesqueleto próximas a la membrana celular.

Los organelas más numerosas (tanto en procariotas como en eucariotas) son los ribosomas, los sitios de ensamble de proteínas. Los

ribosomas no están rodeados por una membrana; están constituidos por dos subunidades, cada una de las cuales está formada por un

complejo de RNA ribosomal y proteínas. Tanto en las células procarióticas como en las eucarióticas, los ribosomas tienen una

estructura similar, sin embargo, los ribosomas de las células eucarióticas son un poco más grandes. Los ribosomas son los sitios en los

cuales ocurre el acoplamiento de los aminoácidos que forman las proteínas. Cuanto más proteína esté fabricando una célula, más

ribosomas tendrá.

Las células eucarióticas poseen sistemas membranosos internos que las dividen en compartimientos especializados con límites

establecidos por membranas cerradas, selectivamente permeables. Estos compartimientos son funcionalmente diferentes; contienen un

grupo característico de enzimas concentradas que son las encargadas de llevar a cabo las funciones características de cada organela.

Sin embargo, si bien los distintos compartimientos están físicamente separados, veremos que están interconectados funcionalmente.

Estos compartimientos u organelas que constituyen el sistema de endomembranas: vacuolas y vesículas, retículo endoplasmático,

complejo de Golgi y lisosomas.

El citoplasma de las células eucarióticas contiene un gran número de vesículas, organelas en forma de sacos rodeados de membranas

cuyas principales funciones son el almacenamiento temporario y el transporte de materiales, tanto dentro de la célula como hacia el

interior y exterior. La mayoría de las células de plantas y hongos contienen un tipo particular de vesícula, denominada vacuola, cuya

membrana se conoce en las células vegetales como tonoplasto. Las vacuolas son grandes vesículas llenas de fluido, que pueden ocupar

de un 30 a un 90% del volumen celular.

Las vacuolas incrementan el tamaño celular, así como la superficie expuesta al ambiente, con una mínima inversión de materiales

estructurales por parte de la célula. Son las encargadas de mantener la turgencia celular; por otra parte, pueden almacenar

temporariamente nutrientes o productos de desecho, y funcionar como un compartimiento de degradación de sustancias. En una

misma célula pueden coexistir distintas vacuolas con diferentes funciones.

El citoplasma de las células eucarióticas está subdividido por una red de membranas conocidas como retículo endoplásmico, que

sirven como superficie de trabajo para muchas de sus actividades bioquímicas. Es una red de sacos aplanados, tubos y canales

conectados entre sí, que caracteriza a las células eucarióticas. La cantidad de retículo endoplásmico de una célula no es fija, sino que

aumenta o disminuye de acuerdo con la actividad celular.

En las células eucarióticas muchos ribosomas están unidos a la superficie del retículo endoplásmico, produciendo el retículo

endoplásmico rugoso, que es especialmente abundante en células que producen proteínas de exportación. El retículo endoplásmico

liso, que carece de ribosomas, es abundante en células especializadas en la síntesis lipídica o en el metabolismo de lípidos.

El destino de una proteína -ya sea salir de la célula, ser incorporada en la membrana celular o formar parte del sistema de

endomembranas- depende de la adición de un ''guía'' formado por aminoácidos hidrofóbicos. Esta porción de la molécula dirige a la

proteína que está siendo sintetizada y a los ribosomas que están participando en su síntesis hacia una región específica del retículo

endoplásmico rugoso donde la proteína ingresa a la cavidad interior. La molécula de proteína recién sintetizada se mueve luego dentro

del retículo endoplásmico rugoso y es luego compactada en una vesícula de transporte cuyo destino es el complejo de Golgi.

En el curso de esta progresión desde el retículo endoplásmico al complejo de Golgi y, finalmente, a su destino final, la molécula de

proteína sufre un procesamiento ulterior que incluye el clivaje (separación) de la secuencia señal y, frecuentemente, la adición de

grupos de carbohidratos a la proteína (glicosilación).

El retículo endoplásmico liso se encuentra muy desarrollado en células especializadas en la síntesis o metabolismo de lípidos, como

las células glandulares que producen hormonas esteroides y también se encuentra muy desarrollado en las células hepáticas, donde

parece estar relacionado con varios procesos de desintoxicación (una de las muchas funciones del hígado).

El complejo de Golgi es un centro de procesamiento y compactación de materiales que se mueven a través de la célula y salen de ella.

Cada complejo de Golgi recibe vesículas del retículo endoplasmático, modifica sus membranas y sus contenidos e incorpora los

productos terminados en vesículas de transporte que los llevan a otras partes del sistema de endomembranas, a la superficie celular y

al exterior de la célula.

Interpretación gráfica a partir de una fotomicrografía electrónica de un complejo de Golgi.

Nótense las vesículas que se segregan de los bordes de las cisternas aplanadas.

Las diferentes etapas de este procesamiento químico ocurren en diferentes cisternas del

complejo de Golgi y los materiales son transportados de una cisterna a la siguiente por medio

de las vesículas. Después de completarse el procesamiento químico, el nuevo material de

membrana, compactado dentro de las vesículas, es enviado a su destino final.

Interacción de los ribosomas, el retículo

endoplásmico y el complejo de Golgi y

sus vesículas.

Los ribosomas, el retículo endoplásmico

y el complejo de Golgi y sus vesículas

cooperan en la síntesis, procesamiento

químico, empaquetamiento y distribución

de macromoléculas y nuevo material de

membrana.

Los lisosomas, un tipo de vesícula

relativamente grande, formada en el complejo de

Golgi, contienen enzimas hidrolíticas a las que

aíslan de la célula y están implicados en las

actividades digestivas intracelulares de

algunas células. Estas enzimas están

implicadas en la degradación de proteínas,

polisacáridos, ácidos nucleicos y lípidos. Para su óptima actividad, las enzimas hidrolíticas requieren de un medio ácido. Los

lisosomas proveen este medio ya que su pH interno se mantiene cercano a 5. Las enzimas lisosomales son capaces de hidrolizar a

todos los tipos principales de macromoléculas que se encuentran en una célula viva. Las enzimas hidrolíticas que los lisosomas liberan

en las vacuolas, digieren su contenido. Las enzimas no destruyen la membrana de los lisosomas que las contienen.

Los peroxisomas son otro tipo de vesícula relativamente grande presente en la mayoría de las células eucarióticas; contienen enzimas

oxidativas que remueven el hidrógeno de pequeñas moléculas orgánicas y lo unen a átomos de oxígeno formando peróxido de

hidrógeno (H2O2), un compuesto que es extremadamente tóxico para las células vivas. Otra de las enzimas, la catalasa, escinde

inmediatamente el peróxido de hidrógeno en agua e hidrógeno, evitando cualquier daño a las células. Los peroxisomas son

particularmente abundantes en las células hepáticas, donde participan en la desintoxicación de algunas sustancias.

En las plantas, existen peroxisomas que cumplen funciones especiales como por ejemplo, los glioxisomas que, durante la germinación

de la semilla, transforman los lípidos almacenados en azúcares. Otro tipo de peroxisoma, presente en las células fotosintéticas,

participa en el proceso de fotorrespiración.

Las mitocondrias son organelas limitadas por membrana en las cuales las moléculas orgánicas que almacenan energía química son

degradadas y la energía liberada es envasada en unidades más pequeñas.

En este proceso, la energía liberada es almacenada en moléculas de ATP que será utilizada luego en otros procesos celulares. En

general, cuanto mayores son los requerimientos energéticos de una célula eucariótica en particular, más mitocondrias contiene.

Las mitocondrias pueden adoptar diferentes formas; están siempre rodeadas por dos membranas, la más interna de las cuales se pliega

hacia adentro. Estos pliegues, conocidos como crestas, son superficies de trabajo para las reacciones mitocondriales. Las mitocondrias

presentan vestigios de su vida como organismos independientes. Se reproducen por fisión binaria como las bacterias, tienen un

pequeño genoma que codifica para algunas de sus proteínas y tienen además ribosomas similares a los procarióticos.

Los plástidos son organelas limitadas por membrana y se encuentran sólo en los organismos fotosintéticos. Están rodeados por dos

membranas concéntricas, al igual que las mitocondrias, y tienen un sistema de membranas internas que pueden estar intrincadamente

plegadas. Los plástidos maduros son de tres tipos: leucoplastos, cromoplastos y cloroplastos.

Los cloroplastos (chloro significa "verde") son los plástidos que contienen clorofila y en los cuales se produce energía química a

partir de energía lumínica, en el proceso de fotosíntesis. Al igual que otros plástidos, están rodeados por dos membranas. Existe una

tercer membrana interna -la membrana tilacoide que forma una serie complicada de compartimientos y superficies de trabajo. Al igual

que las mitocondrias, los plástidos contienen múltiples copias de un pequeño genoma, así como ribosomas propios.

La observación del interior de la célula en tres dimensiones ha revelado interconexiones antes insospechadas entre estructuras de

proteínas filamentosas dentro del citoplasma de células eucarióticas. Estas estructuras forman un esqueleto celular -el citoesqueleto-

que mantiene la organización de la célula, le permite moverse, posiciona sus organelas y dirige el tránsito intracelular. Se han

identificado tres tipos diferentes de filamentos como integrantes principales del citoesqueleto: los microtúbulos, los filamentos de

actina (también conocidos como microfilamentos) y los filamentos intermedios.

Los microtúbulos son tubos huecos, largos, organizados a partir de dímeros de proteínas globulares, las tubulinas alfa y beta. Crecen

por el agregado de dímeros y también pueden desarmarse por la eliminación de dímeros, de acuerdo con las necesidades de la célula y,

en muchas células, se extienden radiando desde un "centro organizador" próximo al núcleo y terminan cerca de la superficie celular.

Los filamentos de actina son delicadas hebras de proteínas globulares. Cada filamento está constituido por muchas moléculas de actina

unidas en una cadena helicoidal. Los filamentos de actina también pueden ser integrados y desintegrados fácilmente por la célula y

también desempeñan papeles importantes en la división y la motilidad celular.

Esquema de un microtúbulo, un filamento de actina y un filamento intermedio.

En este corte esquemático de una célula se puede observar la disposición de los

tres elementos principales del citoesqueleto.

Los filamentos intermedios, como lo indica su nombre, son intermedios en tamaño

entre los microtúbulos y los filamentos de actina. A diferencia de los primeros,

constituidos por subunidades de proteína globular, los filamentos intermedios

están compuestos por proteínas fibrosas y no pueden ser tan fácilmente

desintegrados por la célula una vez que han sido formados. Cada una de las

moléculas proteicas que constituyen un filamento intermedio tiene una porción

con forma de bastón de longitud constante, con regiones terminales que varían en

su longitud y en su composición de aminoácidos. Los filamentos intermedios

constituyen la lámina nuclear.

En este esquema se observa la disposición de los filamentos intermedios que forman la lámina nuclear. Este entramado de proteínas

mantiene la forma del núcleo.

La lámina nuclear se interrumpe en los poros nucleares y actúa como soporte de la membrana nuclear interna.

Los filamentos intermedios son particularmente prominentes en células que soportan tensión mecánica, como las células de la piel y el

intestino.

El citoesqueleto y el movimiento

Todas las células exhiben alguna forma de movimiento. Aun las células vegetales, encerradas por una pared celular rígida, muestran

movimientos del citoplasma dentro de la célula, movimientos cromosómicos y cambios de forma durante la división celular, además

del movimiento de vesículas y organelas.

Los microtúbulos del citoesqueleto están involucrados en la división celular. Entre una división celular y otra, funcionan como "rieles"

sobre los cuales se mueven unidireccionalmente proteínas motoras asociadas, llevando cargas especiales tales como organelas,

vesículas llenas de hormonas, neurotransmisores o nutrientes.

Los microtúbulos son también componentes claves de los cilios y flagelos, estructuras permanentes usadas para la locomoción por

muchos tipos de células. Estas estructuras largas y delgadas, presentes en las células ecucarióticas, se extienden desde la superficie de

muchos tipos de células eucarióticas. Los cilios y flagelos tienen la misma estructura, sólo que, cuando son cortos y aparecen en

cantidades grandes se los llama cilios y cuando son más largos y más escasos se lso llama flagelos. Las células procarióticas también

tienen flagelos, pero su construcción es tan diferente de los de las células eucarióticas, que es útil darles un nombre diferente:

undulipodios.

En muchos organismos unicelulares o multicelulares pequeños (como algunos pocos tipos de platelmintos), los cilios y los flagelos

están asociados con el movimiento del organismo.

Por otra parte, la fuerza motriz de los espermatozoides humanos proviene de su poderoso flagelo único

o "cola" y muchas de las células que tapizan las superficies existentes dentro de nuestro cuerpo, son

ciliadas. Los óvulos humanos son impulsados hacia abajo por los oviductos a causa del batir de los

cilios que tapizan las superficies internas de estos tubos. Los cilios y los flagelos se encuentran muy

difundidos en el mundo vivo, sobre las células de los invertebrados, los vertebrados, las células

sexuales de los helechos y otras plantas, así como en los protistas. Sólo unos pocos grupos grandes de

organismos eucarióticos, como las algas rojas, los hongos, las plantas con flor y los gusanos redondos

(nematodos), no tienen cilios ni flagelos en ninguna célula.

Los cilios y los flagelos eucarióticos, ya sean de un Paramecio o de un espermatozoide, tienen la

misma estructura interna y se originan en los cuerpos basales.

Virtualmente todos los cilios y flagelos eucarióticos tienen la misma estructura interna que consiste en

un anillo externo de nueve pares de microtúbulos que rodean a otros dos microtúbulos centrales

(estructura 9+2). Los microtúbulos se deslizan unos sobre otros por la acción de la proteína dineína

que funciona como una ATPasa. Los "brazos", los rayos y los enlaces que conectan los microtúbulos

están formados por diferentes tipos de proteínas. Los cuerpos basales de los que arrancan los cilios y

los flagelos, tienen únicamente nueve tripletes externos, sin microtúbulos centrales. El "eje de la rueda" en el cuerpo basal no es un

microtúbulo, aunque tiene aproximadamente el mismo diámetro.

Diagrama de un cilio con su cuerpo basal subyacente.

Muchos tipos de células eucarióticas contienen centríolos. Los centríolos, que típicamente se encuentran en pares, son cilindros

pequeños de aproximadamente 0,2 micrómetro de diámetro, que contienen 9 tripletes de microtúbulos.

Esquema que muestra la disposición de los microtúbulos en un centríolo de una célula de la mosquita de la fruta, Drosophila. Los

centríolos son estructuralmente idénticos a los cuerpos basales.

Su estructura es idéntica a la de los cuerpos basales; sin embargo, su distribución en la célula es

diferente. Se encuentran sólo en aquellos grupos de organismos que también tienen cilios o flagelos (y,

por lo tanto, cuerpos basales). Los centríolos habitualmente yacen en pares, con sus ejes longitudinales

formando ángulos rectos, en la región del citoplasma próxima a la envoltura nuclear, el centrosoma,

desde donde irradian los microtúbulos del citoesqueleto. El centrosoma es el principal centro

organizador de microtúbulos y desempeña un papel en la organización de una estructura formada por

microtúbulos, conocida como el huso mitótico, que aparece en el momento de la división celular y está relacionada con el movimiento

de los cromosomas. Sin embargo, las células en las que los centrosomas no tienen centríolos, como las células de las plantas con flor,

también son capaces de organizar microtúbulos para formar el huso.

Los filamentos de actina están presentes en una gran variedad de células, incluyendo células vegetales. Participan no solamente en el

mantenimiento de la organización citoplásmica, sino también en la movilidad celular y en el movimiento interno de los contenidos

celulares. En algunos casos, haces de otra proteína, conocida como miosina, actúan con los filamentos de actina para producir el

movimiento celular. Además, algunas proteínas adicionales, que desempeñan funciones regulatorias, están asociadas con las

moléculas de actina y miosina.

Los filamentos de actina, junto con la miosina, actúan como un tipo de "cordón de monedero" en las células animales durante la

división celular, porque estrangulan al citoplasma para separar a las dos células hijas. En las células de las algas, los filamentos de

actina se presentan en haces dondequiera que ocurra una corriente citoplasmática. El modo en que la actina y sus proteínas asociadas

llevan a cabo el movimiento ameboide (modo en el que se desplazan las amebas y algunas células animales) y producen las corrientes

citoplasmáticas es actualmente objeto de intensas investigaciones.

La actina y la miosina son también los componentes principales de los complejos conjuntos contráctiles que se encuentran en las

células musculares de los vertebrados y en muchos otros animales. Esta organización especializada de la actina y la miosina hace

posible los movimientos rápidos y coordinados de los animales, incluyendo los insectos, los peces, las aves, los caballos de carrera, y a

nosotros mismos.

Ciclo celular. División y Muerte de las células En general, en los cromosomas, el material genético se encuentra organizado en secuencias de nucleótidos llamadas genes. Los genes

portan información esencial para el funcionamiento de la célula y, por lo tanto, deben distribuirse en forma equitativa entre las células

hijas. Las células se reproducen mediante un proceso conocido como división celular en el cual su material genético -el DNA- se

reparte entre dos nuevas células hijas. En los organismos unicelulares, por este mecanismo aumenta el número de individuos en la

población. En las plantas y animales multicelulares, la división celular es el procedimiento por el cual el organismo crece, partiendo de

una sola célula, y los tejidos dañados son reemplazados y reparados. Una célula individual crece asimilando sustancias de su ambiente

y transformándolas en nuevas moléculas estructurales y funcionales. Cuando una célula alcanza cierto tamaño crítico y cierto estado

metabólico, se divide. Las dos células hijas comienzan entonces a crecer.

Las células eucarióticas pasan a través de una secuencia regular de crecimiento y división llamada ciclo celular. El ciclo celular se

divide en tres fases principales: interfase, mitosis, y citocinesis. Para completarse, puede requerir desde pocas horas hasta varios días,

dependiendo del tipo de célula y de factores externos como la temperatura o los nutrimentos disponibles.

Cuando la célula está en los estadios interfásicos del ciclo, los cromosomas son visibles dentro del núcleo sólo como delgadas hebras

de material filamentoso llamado cromatina.

Por medio de el proceso de mitosis, los cromosomas se distribuyen de manera que cada nueva célula obtiene un cromosoma de cada

tipo. Cuando comienza la mitosis, los cromosomas condensados, que ya se duplicaron durante la interfase, se hacen visibles bajo el

microscopio óptico. La citocinesis es la división del citoplasma. Habitualmente, pero no siempre, la citocinesis acompaña a la mitosis

o división del núcleo.

En el desarrollo y mantenimiento de la estructura de los organismos pluricelulares, no sólo se requiere de la división celular, que

aumenta el número de células somáticas, sino también del proceso de apoptosis. La apoptosis es un proceso de muerte celular

programada. En los vertebrados, por apoptosis se regula el número de neuronas durante el desarrollo del sistema nervioso, se eliminan

linfocitos que no realizan correctamente su función y se moldean las formas de un órgano en desarrollo, eliminando células

específicas.

Ciertas veces, una célula escapa a los controles normales de división y muerte celular. Cuando una célula comienza a proliferar de

modo descontrolado se inicia el cáncer. Este crecimiento desmedido puede dar lugar a la formación de una masa de células

denominada tumor.

La división celular

Por medio de la división celular el DNA de una célula se reparte entre dos nuevas células hijas. La distribución de duplicados exactos

de la información hereditaria es relativamente simple en las células procarióticas en las que, la mayor parte del material genético está

en forma de una sola molécula larga y circular de DNA, a la que se asocian ciertas proteínas específicas. Esta molécula constituye el

cromosoma de la célula y se duplica antes de la división celular. Cada uno de los dos cromosomas hijos se ancla a la membrana

celular en polos opuestos de la célula.

Cuando la célula se alarga, los cromosomas se separan. Cuando la célula alcanza aproximadamente el doble de su tamaño original y

los cromosomas están separados, la membrana celular se invagina y se forma una nueva pared, que separa a las dos células nuevas y a

sus duplicados cromosómicos.

En las células eucarióticas, el problema de dividir exactamente el material genético es mucho más complejo que en las procarióticas.

Una célula eucariótica típica contiene aproximadamente mil veces más DNA que una célula procariótica; este DNA es lineal y forma

un cierto número de cromosomas diferentes.

Cuando estas células se dividen, cada célula hija tiene que recibir una copia completa, y sólo una, de cada uno de los 46 cromosomas.

Además, las células eucarióticas contienen una variedad de organelas que también deben ser repartidas entre las células hijas.

Las soluciones a estos problemas son ingeniosas y complejas. En una serie de pasos, llamados colectivamente mitosis, un conjunto

completo de cromosomas es asignado a cada uno de los dos núcleos hijos. Durante la mitosis, se forma el huso, una estructura

constituida por microtúbulos, a la cual se une, en forma independiente, cada uno de los cromosomas presentes en la célula. Esta

estructura permite que los cromosomas se separen unos de otros en forma organizada. La mitosis habitualmente es seguida de un

proceso de citocinesis que divide a la célula en dos células nuevas. Cada una contiene, no sólo un núcleo con un complemento de

cromosomas completo, sino también, aproximadamente, la mitad del citoplasma, incluyendo las organelas y muchas macromoléculas

de la célula materna.

La mitosis y la citocinesis son los acontecimientos culminantes de la división celular en los eucariotas. Sin embargo, representan

solamente dos etapas de un proceso mayor, el ciclo celular.

Ciclo celular

El ciclo celular consiste en tres fases: interfase, mitosis, y citocinesis. Antes de que una célula eucariótica pueda comenzar la mitosis y

dividirse efectivamente, debe duplicar su DNA, sintetizar histonas y otras proteínas asociadas con el DNA de los cromosomas,

producir una reserva adecuada de organelas para las dos células hijas y ensamblar las estructuras necesarias para que se lleven a cabo

la mitosis y la citocinesis. Estos procesos preparatorios ocurren durante la interfase, en la cual, a su vez, se distinguen tres etapas: las

fases Gl, S y G2.

En la fase Gl, las moléculas y estructuras citoplasmáticas aumentan en número; en la fase S, los cromosomas se duplican; y en la fase

G2, comienza la condensación de los cromosomas y el ensamblado de las estructuras especiales requeridas para la mitosis y la

citocinesis. Durante la mitosis, los cromosomas duplicados son distribuidos entre los dos núcleos hijos, y en la citocinesis, el

citoplasma se divide, separando a la célula materna en dos células hijas.

El ciclo celular está finamente regulado. Esta regulación ocurre en distintos momentos y puede involucrar la interacción de diversos

factores, entre ellos, la falta de nutrimentos y los cambios en temperatura o en pH, pueden hacer que las células detengan su

crecimiento y su división. En los organismos multicelulares, además, el contacto con células contiguas puede tener el mismo efecto.

En cierto momento del ciclo celular, la célula "decide" si va a dividirse o no. Cuando las células normales cesan su crecimiento por

diversos factores, se detienen en un punto tardío de la fase G1, -el punto R ("restricción"), primer punto de control del ciclo celular-.

En algunos casos, antes de alcanzar el punto R, las células pasan de la fase G1 a un estado especial de reposo, llamado G0, en el cual

pueden permanecer durante días, semanas o años. Una vez que las células sobrepasan el punto R, siguen necesariamente a través del

resto de las fases del ciclo, y luego se dividen.

La fase Gl se completa rápidamente y, en la fase S, comienza la síntesis de DNA y de histonas. Existe otro mecanismo de control

durante el proceso mismo de duplicación del material genético, en la fase S, que asegura que la duplicación ocurra sólo una vez por

ciclo. Luego, la célula entra en la fase G2 del ciclo. En G2, existe un segundo punto de control en el cual la célula "evalúa" si está

preparada para entrar en mitosis. Este control actúa como un mecanismo de seguridad que garantiza que solamente entren en mitosis

aquellas células que hayan completado la duplicación de su material genético. El pasaje de la célula a través del punto R depende de la

integración del conjunto de señales externas e internas que recibe. El sistema de control del ciclo celular está basado en dos proteínas

clave, las ciclinas y las proteínas quinasas dependientes de ciclinas (Cdk), que responden a esta integración de señales.

El ciclo celular. La división celular, constituida por la

mitosis (división del núcleo) y la citocinesis (división

del citoplasma), ocurre después de completarse las tres

fases preparatorias que constituyen la interfase.

Durante la fase S (de síntesis) se duplica el material

cromosómico. Entre la división celular y la fase S hay

dos fases G (del inglés gap, intervalo). La primera de

ellas (G1) es un período de crecimiento general y

duplicación de las organelas citoplasmáticas. Durante la

segunda (G2), comienzan a ensamblarse las estructuras

directamente asociadas con la mitosis y la citocinesis.

Después de la fase G2 ocurre la mitosis, que usualmente

es seguida de inmediato por la citocinesis. En las células

de diferentes especies o de diferentes tejidos dentro del

mismo organismo, las diferentes fases ocupan distintas

proporciones del ciclo celular completo.

Mitosis

La mitosis cumple la función de distribuir los

cromosomas duplicados de modo tal que cada nueva

célula obtenga una dotación completa de cromosomas.

La capacidad de la célula para llevar a cabo

esta distribución depende del estado

condensado de los cromosomas durante la

mitosis y del ensamble de microtúbulos

denominado huso.

En los estadios tempranos de la mitosis,

cada uno de los cromosomas consiste en dos

copias idénticas, llamadas cromátides, que

se mantienen juntas por sus centrómeros.

Simultáneamente se organiza el huso, cuya

formación se inicia a partir de los

centrosomas.

Tanto en las células animales como en las

vegetales, el entramado del huso está

formado por fibras que se extienden desde

los polos al ecuador de la célula. Otras

fibras están unidas a las cromátides al nivel de los cinetocoros,

estructuras proteicas asociadas con los centrómeros. La profase

finaliza con la desintegración de la envoltura nuclear y la desaparición de los nucléolos.

Durante la metafase, los pares de cromátides, dirigidos por las fibras del huso, se mueven hacia el centro de la célula. Al final de la

metafase se disponen en el plano ecuatorial. Durante la anafase se separan las cromátides hermanas, y cada cromátide -ahora un

cromosoma independiente- se mueve a un polo opuesto. Durante la telofase se forma una envoltura nuclear alrededor de cada grupo de

cromosomas. El huso comienza a desintegrarse, los cromosomas se desenrollan y una vez más se extienden y aparecen difusos.

a) Interfase. La cromatina ya está duplicada pero todavía no se ha condensado. Dos pares de centríolos se encuentran justo al lado de

la envoltura nuclear.

b) Profase. Los centríolos empiezan a moverse en dirección a los polos opuestos de la célula, los cromosomas condensados son ya

visibles, la envoltura nuclear se rompe y comienza la formación del huso mitótico.

c) Metafase temprana. Las fibras polares y cinetocóricas del huso tiran de cada par de cromátides hacia un lado y otro.

d) Metafase tardía. Los pares de cromátides se alinean en el ecuador de la célula.

e) Anafase. Las cromátides se separan. Las dos dotaciones de cromosomas recién formados son empujadas hacia polos opuestos de la

célula.

f) Telofase. La envoltura nuclear se forma alrededor de cada dotación cromosómica y los cromosomas se descondensan y adquieren,

nuevamente, un aspecto difuso. Los nucléolos reaparecen. El huso mitótico se desorganiza y la membrana plasmática se invagina en

un proceso que hace separar las dos células hijas.

Citocinesis

La citocinesis es la división del citoplasma y difiere significativamente en las células vegetales y en las animales. En las células

animales, durante la telofase § temprana la membrana comienza a constreñirse alrededor de la circunferencia de la célula, en el plano

ecuatorial del huso. La constricción se produce por la contracción de un anillo compuesto principalmente por filamentos de actina y

miosina -el anillo contráctil- que se encuentra unido a la cara citoplasmática de la membrana celular. El anillo contráctil actúa en la

membrana de la célula materna, a la altura de su línea media, estrangulándola hasta que se separan las dos células hijas.

En las células vegetales, una serie de vesículas divide al citoplasma en la línea media. Estas vesículas, son producidas por los

complejos de Golgi y contienen polisacáridos. Las vesículas migran hacia el plano ecuatorial, transportadas por los microtúbulos

remanentes del huso mitótico; finalmente se fusionan y forman una estructura plana limitada por membrana, la placa celular . A

medida que se agregan más vesículas, los bordes de la placa en crecimiento se fusionan con la membrana de la célula y se forma una

capa de polisacáridos entre las dos células hijas, completándose su separación. Esta capa se impregna con pectinas y forma finalmente

la laminilla media. Cada nueva célula construye, así, su propia pared celular, depositando celulosa y otros polisacáridos sobre la

superficie externa de su membrana celular.

Cuando se completa la división celular, se han producido dos células hijas, más pequeñas que la célula materna, pero indistinguibles

de ésta en cualquier otro aspecto.

El plano de la división celular se establece en la fase G2 tardía del ciclo celular, cuando los microtúbulos del citoesqueleto se

reorganizan en una estructura circular, conocida como banda de preprofase, justo por dentro de la pared celular. Aunque esta banda

desaparece al comenzar la profase, determina la ubicación futura del ecuador y de la placa celular. Los microtúbulos de la banda se

reensamblan luego en el huso, en una zona clara que se origina alrededor del núcleo en el curso de la profase. En la citocinesis, que

comienza durante la telofase, la placa celular se extiende gradualmente hacia afuera hasta que alcanza la región exacta de la pared

celular ocupada previamente por la banda de preprofase. Las vesículas que originan la placa celular son aparentemente guiadas a su

posición por las fibras del huso que quedan entre los núcleos hijos.

Apoptosis

En la formación de un individuo, la muerte celular o apoptosis es tan importante como la división celular. La mayoría de las células

fabrican las proteínas § que forman parte de una maquinaria para su propia destrucción. Esta maquinaria letal está compuesta por

enzimas capaces de degradar proteínas (proteasas) cuya activación produce, directa o indirectamente, cambios celulares

característicos. Las células que entran en apoptosis se encogen y se separan de sus vecinas; luego las membranas celulares se ondulan

y se forman burbujas en su superficie; la cromatina se condensa y los cromosomas se fragmentan; finalmente, las células se dividen en

numerosas vesículas, los cuerpos apoptóticos, que serán engullidas por células vecinas.

Las enzimas involucradas en el proceso de apoptosis permanecen normalmente inactivas en las células, respondiendo a mecanismos

de control estrictos. Los mecanismos de control son los responsables de activar la maquinaria letal en momentos particulares de la

vida de la célula, respondiendo a señales externas o internas. Cualquier alteración en estos mecanismos de control puede tener

consecuencias nefastas para el organismo, creando estados patológicos producidos tanto por la pérdida de células normales como por

la sobrevida de células que deberían entrar en apoptosis.

Cuando una célula muere por daño o envenenamiento, proceso denominado necrosis, normalmente se hincha y explota, derramando su

contenido en el entorno. Como consecuencia, se produce una inflamación que recluta leucocitos, y que puede lesionar el tejido normal

que la circunda. La apoptosis, a diferencia de la necrosis, es un tipo de muerte activa, que requiere gasto de energía por parte de la

célula y es un proceso ordenado en el que no se desarrolla un proceso inflamatorio.

ADN. HISTORIA-REPLICACIÓN

Por muchos años, la genética clásica se dedicó a estudiar los mecanismos de la herencia, a dilucidar la manera en que las unidades

hereditarias pasan de una generación a la siguiente y a investigar cómo los cambios en el material hereditario se expresan en los

organismos individuales. En la década de 1930, surgieron nuevas preguntas y los genetistas comenzaron a explorar la naturaleza del

gen, su estructura, composición y propiedades.

A comienzos de la década de 1940, ya no quedaban dudas sobre la existencia de los genes ni sobre el hecho de que estuviesen en los

cromosomas. Ciertos científicos pensaban que si se llegaba a comprender la estructura química de los cromosomas, entonces se podría

llegar a comprender su funcionamiento como portadores de la información genética. Los primeros análisis químicos del material

hereditario mostraron que el cromosoma eucariótico está formado por ácido desoxirribonucleico (DNA) y proteínas, en cantidades

aproximadamente iguales. Antes de conocerse cuál era, tanto el DNA como las proteínas eran buenos candidatos para ser la molécula

portadora del material genético. Esta línea de pensamiento marcó el comienzo de la vasta gama de investigaciones que conocemos

como genética molecular. Ya avanzada la década de 1940, algunos investigadores llegaron a una conclusión importante: el material

hereditario podía ser el ácido desoxirribonucleico (DNA).

En 1953, los científicos Watson y Crick reunieron datos provenientes de diferentes estudios acerca del DNA. Sobre el análisis de esos

datos, Watson y Crick postularon un modelo para la estructura del DNA y fueron capaces de deducir que el DNA es una doble hélice,

entrelazada y sumamente larga.

Una propiedad esencial del material genético es su capacidad para hacer copias exactas de sí mismo. Watson y Crick supusieron que

debía haber alguna forma en que las moléculas de DNA pudiesen replicarse rápidamente y con gran precisión, de modo que les fuese

posible pasar copias fieles de célula a célula y del progenitor a la descendencia, generación tras generación. Watson y Crick

propusieron un mecanismo para la replicación del DNA. Dedujeron que la molécula de DNA se replica mediante un proceso

semiconservativo en el que se conserva la mitad de la molécula.

El modelo de Watson y Crick mostró de qué manera se podía almacenar la información en la molécula de DNA.

A medida que avanzaban los años, en la década de 1940, los biólogos comenzaron a notar que todas las actividades bioquímicas de la

célula viva dependen de ciertas proteínas diferentes y específicas, las enzimas y que incluso la síntesis de enzimas depende de

enzimas. Más aun, se estaba haciendo claro que la especificidad de las diferentes enzimas es el resultado de la estructura primaria de

estas proteínas, es decir, de la secuencia lineal de aminoácidos que forman la molécula y que, a su vez, determina mayormente su

estructura tridimensional. Se comprobó que las proteínas tenían una participación fundamental en todos los procesos bioquímicos y

esto promovió la realización de estudios posteriores. Así, se demostró cuál es la relación existe una relación entre genes y proteínas.

Como resultado de los estudios realizados para dilucidar la relación entre DNA y proteínas hubo un acuerdo general en que la

molécula de DNA contiene instrucciones codificadas para las estructuras y las funciones biológicas. Además, estas instrucciones son

llevadas a cabo por las proteínas, que también contienen un "lenguaje" biológico altamente específico. La cuestión entonces se

convirtió en un problema de traducción: ¿de qué manera el orden de los nucleótidos en el DNA especifica la secuencia de aminoácidos

en una molécula de proteína? La búsqueda de la respuesta a esta pregunta llevó a una importante conclusión: el ácido ribonucleico

(RNA) era un buen candidato para desempeñar un papel en la traducción de la información.

Como se descubrió posteriormente, no hay una, sino tres clases de RNA que desempeñan funciones distintas como intermediarios en

los pasos que llevan del DNA a las proteínas: el RNA mensajero (mRNA), el RNA de transferencia (tRNa) y el RNA ribosomal

(rRNA).

Los científicos de muchas disciplinas se abocaron a investigaciones dedicadas a estudiar la correspondencia entre el lenguaje de

nucleótidos en el DNA y el lenguaje de aminoácidos en las proteínas. Así, finalmente se dilucidó el código genético. Una vez

conocido el código genético, se pudo centrar la atención en el problema de cómo la información codificada en el DNA y transcripta en

el mRNA es luego traducida a la secuencia específica de aminoácidos en las proteínas. De esta manera, se establecieron los principios

básicos de la síntesis de proteínas. Estos principios son los mismos en las células eucarióticas y en las procarióticas, pero hay algunas

diferencias en la localización de los procesos, además de algunos detalles.

Hace casi 90 años, De Vries definió la mutación en función de características que aparecen en el fenotipo. A la luz del conocimiento

actual, la definición de mutación es algo diferente a la propuesta por de Vries: una mutación es un cambio en la secuencia o número de

nucleótidos en el DNA de una célula.

En las décadas transcurridas desde que fue descifrado el código genético, se han examinado el DNA y las proteínas de muchos

organismos. La evidencia actual es abrumadora: el código genético es el mismo para virtualmente todos los seres vivos, es decir, es

universal. Sin embargo, recientemente se han encontrado algunas pocas excepciones interesantes. El origen del código es el problema

de la biología evolutiva que nos deja más perplejos. La maquinaria de traducción es tan compleja, tan universal y tan esencial que es

difícil imaginar cómo pudo haber surgido o cómo la vida puede haber existido sin ella.

La pregunta por la química de la herencia: ¿DNA o proteínas?

Los cromosomas, al igual que todos los otros componentes de una célula viva, están formados por átomos organizados en moléculas.

Ciertos científicos pensaron que resultaba imposible comprender la complejidad de la herencia basándose en la estructura de

compuestos químicos "sin vida". Los primeros análisis químicos del material hereditario mostraron que el cromosoma eucariótico está

formado por ácido desoxirribonucleico (DNA) y proteínas, en cantidades aproximadamente iguales. Por consiguiente, ambos eran

candidatos para desempeñar el papel de material genético. Las proteínas parecían ser la elección más probable por su mayor

complejidad química. Las proteínas son polímeros de aminoácidos, de los que existen 20 tipos diferentes en las células vivas. Por

contraste, el DNA es un polímero formado sólo por cuatro tipos diferentes de nucleótidos.

Hasta la década de 1940, muchos biólogos teóricos se apresuraron en señalar que los aminoácidos, cuyo número era tan

llamativamente cercano al número de letras de nuestro alfabeto, podían disponerse en una variedad de formas distintas; creían que los

aminoácidos constituían un lenguaje, "el lenguaje de la vida", que deletreaba las instrucciones para las numerosas actividades de la

célula. Muchos investigadores prominentes, en particular los que habían estudiado proteínas, creían que los genes mismos eran

proteínas. Pensaban que los cromosomas contenían modelos maestros de todas las proteínas que podría necesitar la célula y que las

enzimas y otras proteínas activas durante la vida celular eran copiadas de estos modelos maestros. Esta era una hipótesis lógica pero,

según se vio posteriormente, errónea.

Los aminoácidos contienen un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) unidos a un átomo de carbono central. Un átomo

de hidrógeno y un grupo lateral están también unidos al mismo átomo de carbono. Esta estructura básica es idéntica en todos los

aminoácidos. La "R" indica el grupo lateral, que es diferente en cada tipo de aminoácido. Los veinte aminoácidos que pueden

constituir las proteínas. Como puede verse, la estructura esencial es la misma en las veinte moléculas, pero los grupos laterales

difieren. Estos grupos pueden ser no polares (sin diferencia de carga entre distintas zonas del grupo), polares pero con cargas

balanceadas de modo tal que el grupo lateral en conjunto es neutro, o cargados, negativa o positivamente. Los grupos laterales no

polares no son solubles en agua, mientras que los grupos laterales polares y cargados son solubles en agua.

a) Un nucleótido está constituido por tres componentes

diferentes: una base nitrogenada , un azúcar de cinco carbonos y

un grupo fosfato. b) Los cuatro tipos de nucleótidos que se

encuentran en el DNA. Cada nucleótido consiste en una de las

cuatro bases nitrogenadas posibles, un azúcar desoxirribosa y

un grupo fosfato.

El ácido desoxirribonucleico (DNA): el material hereditario

Una evidencia importante del papel del DNA como portador de

la información genética, aunque no aceptada generalmente, fue

aportada por Frederick Griffith, un bacteriólogo de salud

pública de Inglaterra. Griffith estaba estudiando la posibilidad

de desarrollar vacunas contra Streptococcus pneumoniae, un

tipo de bacteria que causa una forma de neumonía. Como sabía

Griffith, estas bacterias, llamadas comúnmente neumococos,

poseían formas virulentas -causantes de la enfermedad- y

formas no virulentas, o inocuas. Las virulentas estaban cubiertas

por una cápsula de polisacáridos y las no virulentas carecían de

cápsula. La producción de la cápsula y su constitución son

determinadas genéticamente, es decir, son propiedades

hereditarias de las bacterias.

El descubrimiento de la sustancia que puede transmitir

características genéticas de una célula a otra resultó de los

estudios con neumococos, las bacterias que causan la neumonía.

Una cepa de estas bacterias tiene cápsulas de polisacáridos

(cubiertas externas protectoras), y otra no. La capacidad para

fabricar cápsulas y causar la enfermedad es una característica

heredada que pasa de una generación bacteriana a otra, cuando

las células se dividen.

Griffith realizó un experimento con neumococos en el que primero (a) inyectó neumococos vivos encapsulados a ratones y éstos

murieron. En este caso (b) la cepa no encapsulada no

produjo infección. Si las bacterias encapsuladas eran

muertas por la aplicación de calor antes de la inyección (c),

tampoco producían infección. Si las bacterias encapsuladas

muertas por calor se mezclaban con bacterias vivas no

encapsuladas, y la mezcla se inyectaba a los ratones (d),

éstos morían. Griffith tomó muestras de sangre de los

ratones muertos y las analizó (e). Los resultados revelaron

la existencia de neumococos encapsulados vivos.

"Algo" se había transferido de las bacterias muertas a las

vivas que las dotaba de la capacidad para formar cápsulas

de polisacáridos y causar neumonía. Este "algo" fue

aislado; luego se encontró que era DNA.

Experimento en el que se descubrió la sustancia que puede

transmitir características genéticas de una célula a otra.

En 1940, los microbiólogos Max Delbrück y Salvador

Luria iniciaron una serie de estudios sobre el papel del

DNA usando un grupo de virus que atacan a las células

bacterianas: los bacteriófagos ("comedores de bacterias") o

fagos, para abreviar. Cada tipo conocido de célula

bacteriana es atacado por un tipo particular de virus

bacteriano y, a su vez, muchas bacterias son hospedadores

de muchos tipos diferentes de virus. Veinticinco minutos

después de que un solo virus infectaba una célula

bacteriana, esa célula estallaba, liberando una centena o

más de virus nuevos, todos copias exactas del original.

Otra ventaja (que no se descubrió hasta después de

comenzada la investigación) fue que este grupo de

bacteriófagos tiene una forma altamente distintiva que

permite identificarlos fácilmente con el microscopio

electrónico.

El análisis químico de los bacteriófagos reveló que

consisten sencillamente en DNA y proteína, los dos

contendientes prominentes que se disputaban, en ese

momento, el papel de portador del material genético. La

simplicidad química del bacteriófago ofreció a los genetistas una oportunidad notable. Los genes virales, el material hereditario que

dirige la síntesis de nuevos virus dentro de las células bacterianas, debían ser llevados o bien por la proteína o bien por el DNA. Si

podía determinarse cuál de los dos contenía la información genética, entonces podía conocerse la identidad química del gen.

Los científicos Hershey y Chase demostraron mediante un memorable experimento que la proteína es sólo un "envase" para el DNA

del bacteriófago. Es el DNA del bacteriófago el que penetra en la célula y lleva el mensaje hereditario completo de la partícula viral,

dirigiendo la formación de nuevo DNA viral y de las nuevas proteínas virales.

Resumen de los experimentos de Hershey y Chase que demostraron que el DNA es el material hereditario de un virus.

a) Luego de obtener los dos tipos de virus (unos con el DNA marcado con fósforo y otros con las proteínas marcadas con azufre) los

científicos infectaron cultivos de bacterias con ambos tipos de fagos marcados. Una vez infectadas (b), las células se incubaron en un

agitador (c) y luego fueron centrifugadas para separarlas de cualquier material viral que permaneciera fuera de las células(d). Las dos

muestras, la que contenía material extracelular y la que contenía material intracelular, se analizaron luego en busca de radiactividad.

Hershey y Chase encontraron que el 35S había

permanecido fuera de las células bacterianas, en las

cubiertas virales vacías, y que el 32P había entrado a

las células, las había infectado y había causado la

producción de nueva progenie viral. Por consiguiente,

se concluyó que el material genético del virus era el

DNA y no la proteína.

El apoyo al papel del DNA como material genético

procedió también de otros datos adicionales: 1) Casi

todas las células somáticas de cualquier especie dada

contienen cantidades iguales de DNA, y 2) Las

proporciones de bases nitrogenadas son las mismas en

el DNA de todas las células de una especie dada, pero

varían en diferentes especies.

El modelo de Watson y Crick

James Watson y Francis Crick se dedicaron a examinar

y constrastar todos los datos existentes acerca del

DNA, y a unificarlos en una síntesis significativa.

En el momento en que Watson y Crick comenzaron sus

estudios, ya había un cúmulo de abundante

información.e sabía que la molécula de DNA era muy

grande, también muy larga y delgada, y que estaba

compuesta de nucleótidos que contenían las bases

nitrogenadas adenina, guanina, timina y citosina.

Los físicos Maurice Wilkins y Rosalind Franklin

habían aplicado la técnica de difracción de rayos X al

estudio del DNA. Las fotografías obtenidas mostraban

patrones que casi con certeza reflejaban los giros de

una hélice gigante.

También fueron cruciales los datos que indicaban que,

dentro del error experimental, la cantidad de adenina

(A) es igual que la de timina (T) y que la de guanina

(G) es igual que la de citosina (C): A=T y G=C.

A partir de estos datos, algunos de ellos contradictorios, Watson y Crick intentaron construir un modelo de DNA que concordara con

los hechosconocidos y explicara su papel biológico. Para llevar la gran cantidad de información genética, las moléculas debían ser

heterogéneas y variadas.

Reuniendo los diferentes datos, los dos científicos fueron capaces de deducir que el DNA es una doble hélice, entrelazada y

sumamente larga.

Si se tomase una escalera y se la torciera para formar una hélice, manteniendo los peldaños perpendiculares, se tendría un modelo

grosero de la molécula de DNA. Los dos parantes o lados de la escalera están constituidos por moléculas de azúcar y fosfato

alternadas. Los peldaños perpendiculares de la escalera están formados por las bases nitrogenadas adenina, timina, guanina y citosina.

Cada peldaño está formado por dos bases, y cada base está unida covalentemente a una unidad azúcar-fosfato. En la doble hélice, las

bases enfrentadas se aparean y permanecen unidas por puentes de hidrógeno, esos puentes relativamente débiles que Pauling había

encontrado en sus estudios sobre la estructura de las proteínas. De acuerdo con las mediciones efectuadas mediante rayos X, las bases

apareadas (los peldaños de la escalera) debían ser siempre combinaciones de una purina con una pirimidina.

Cuando Watson y Crick analizaron los datos, armaron modelos reales de las moléculas usando alambre y hojalata, ensayando dónde

podía encajar cada pieza en el rompecabezas tridimensional. A medida que trabajaban

con los modelos, advirtieron que los nucleótidos situados en cualquiera de las cadenas

de la doble hélice podían acoplarse en cualquier orden o secuencia. Dado que una

molécula de DNA puede tener miles de nucleótidos de largo, es posible obtener una

gran variedad de secuencias de bases diferentes, y la variedad es uno de los requisitos

primarios del material genético.

Notaron también que la cadena tiene dirección: cada grupo fosfato está unido a un

azúcar en la posición 5' -el quinto carbono en el anillo de azúcar- y al otro azúcar en la

posición 3' -el tercer carbono en el anillo de azúcar-. Así, la cadena tiene un extremo 5'

y un extremo 3'.

Sin embargo, el descubrimiento más excitante ocurrió cuando Watson y Crick

comenzaron a construir la cadena complementaria. Encontraron otra restricción

interesante e importante. No solamente las purinas no podrían aparearse con purinas, ni

las pirimidinas con pirimidinas, sino que, a causa de las estructuras particulares de las

bases, la adenina sólo podía aparearse con la timina, formando dos puentes de

hidrógeno (A=T) y la guanina solamente con la citosina, formando tres puentes de

hidrógeno (G=C). Las bases apareadas eran complementarias.

Las dos cadenas corren en direcciones opuestas, es decir, la dirección desde el extremo

5' al 3' de cada cadena es opuesta y se dice que las cadenas son antiparalelas. Aunque

los nucleótidos dispuestos a lo largo de una cadena de la doble hélice pueden

presentarse en cualquier orden, su secuencia determina el orden de los nucleótidos en la

otra cadena. Esto es necesariamente así, porque las bases son complementarias (G con

C y A con T).

La estructura de doble hélice del DNA, como fue presentada en 1953 por Watson y Crick.

El armazón de la hélice está compuesto por las unidades azúcar-fosfato de los nucleótidos. Los peldaños están formados por las cuatro

bases nitrogenadas, adenina y guanina (purinas) -cada una de ellas con un anillo doble en su estructura- y timina y citosina

(pirimidinas), más pequeñas, cada una con un sólo anillo. Cada peldaño está formado por dos bases. El conocimiento de las distancias

entre los átomos fue crucial para establecer la estructura de la molécula de DNA. Las distancias fueron determinadas con fotografías

de difracción de rayos X del DNA, tomadas por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins.

La estructura de doble cadena de una porción de una

molécula de DNA.

En el modelo de Watson y Crick, cada nucleótido consiste en un

azúcar desoxirribosa, un grupo fosfato y una base púrica o

pirimídica. Nótese la secuencia repetida azúcar-fosfato-azúcar-

fosfato que forma el esqueleto de la molécula. Cada grupo

fosfato está unido al carbono 5' de una subunidad de azúcar y al

carbono 3' de la subunidad de azúcar del nucleótido contiguo.

Así, la cadena de DNA tiene un extremo 5' y un extremo 3'

determinados por estos carbonos 5' y 3'. La secuencia de bases

varía de una molécula de DNA a otra.Las cadenas se mantienen

unidas por puentes de hidrógeno (representados aquí por

guiones) entre las bases. Nótese que la adenina y la timina

pueden formar dos puentes de hidrógeno, mientras que la

guanina y la citosina pueden formar tres. Dados estos

requerimientos de enlace, la adenina puede aparearse sólo con la

timina y la guanina sólo con la citosina. Así, el orden de las

bases en una cadena -TTCAG- determina el orden de las bases

en la otra cadena -AAGTC. Las cadenas son antiparalelas, es

decir, la dirección desde el extremo 5' a 3' de una es opuesta a la

de la otra.

La replicación del DNA

La replicación del DNA comienza en una secuencia de

nucleótidos particular en el cromosoma: el origen de la

replicación. Ocurre bidireccionalmente por medio de dos

horquillas de replicación que se mueven en direcciones

opuestas. Las enzimas helicasas desenrollan la doble hélice en

cada horquilla de replicación y proteínas de unión a cadena

simple estabilizan las cadenas separadas. Otras enzimas, las

topoisomerasas, relajan el superenrollamiento de la hélice, ya

que cortan las cadenas por delante de las horquillas de

replicación y luego las vuelven a unir.

Para que pueda comenzar la replicación se necesita una

secuencia de cebador de RNA -sinetizado por la enzima RNA

primasa-, con sus bases correctamente apareadas con la cadena

molde. La adición de nucleótidos de DNA a la cadena es

catalizada por las DNA polimerasas. Estas enzimas sintetizan

nuevas cadenas sólo en la dirección 5' a 3', añadiendo

nucleótidos uno a uno al extremo 3' de la cadena creciente.

La replicación de la cadena adelantada es continua, pero la

replicación de la cadena rezagada es discontinua. En la cadena

rezagada, fragmentos de Okazaki se sintetizan en la dirección 5'

a 3'. La enzima DNA ligasa une fragmentos de Okazaki

contiguos. En el proceso de replicación del DNA se pierden

nucleótidos en los extremos de las moléculas de DNA lineales.

En algunas células eucarióticas, esta pérdida es compensada por

la actividad de la enzima telomerasa.

En el curso de la síntesis de DNA, la DNA polimerasa corrige

los errores, retrocediendo cuando es necesario para eliminar nucleótidos que no estén correctamente apareados con la cadena molde.

Otros errores en el DNA ocurren en forma independiente del proceso de replicación y son usualmente reparados por distintos

mecanismos.

Los nucleótidos, antes de ser incorporados a las cadenas crecientes de DNA, se encuentran en forma de trifosfatos. La energía

requerida para impulsar la replicación proviene de la eliminación de dos fosfatos "supernumerarios" y la degradación del enlace P ~ P.

Replicación de la molécula de DNA, predicha por el modelo de Watson y Crick. Las

cadenas se separan al romperse los puentes de hidrógeno que mantenían unidas a las bases.

Cada una de las cadenas originales sirve luego como molde para la formación de una

cadena complementaria nueva con los nucleótidos disponibles en la célula.

El experimento de Meselson y Stahl fue realizado para determinar que el modo de

replicación del DNA era semiconservativo.

Meselson y Stahl realizaron un experimento en el que comprobaron que: a) El DNA liviano

normal forma una banda ubicada en un lugar preciso cuando se ultracentrifuga en un

gradiente de densidad de cloruro de cesio. b) Células de E. coli cultivadas en un medio con

nitrógeno pesado (15N) acumulan un DNA pesado que, al ser centrifugado en un gradiente

de densidad, forma una banda separada y distinta. c) Cuando se centrifuga una mezcla de

DNA pesado y liviano en un gradiente de densidad de cloruro de cesio, los dos tipos de

DNA se separan en bandas distintas. d) Cuando las células que fueron cultivadas en un

medio con nitrógeno pesado (15N) se multiplican durante una generación en un medio con

nitrógeno liviano común (14N), el DNA de las células hijas forma una banda en el

gradiente de densidad de cloruro de cesio que se localiza a mitad de camino entre las

bandas de DNA pesado y DNA liviano. e) Cuando las células que contienen DNA pesado

se cultivan durante dos generaciones en el medio con 14N, el DNA de las células hijas forma dos bandas en el gradiente de densidad:

una banda de DNA liviano y una banda de DNA semipesado. La columna de la derecha muestra las interpretaciones de los

investigadores. Como se puede ver, este experimento confirmó la hipótesis de Watson y Crick acerca de que la replicación es

semiconservativa.

Las dos cadenas de la doble hélice de DNA se separan y sirven como moldes para la síntesis de nuevas cadenas complementarias. Las

helicasas, enzimas que operan en las horquillas de replicación, separan las dos cadenas de la doble hélice original. Las topoisomerasas,

evitan el superenrollamiento, catalizando la formación y resellado de cortes en una o ambas cadenas delante de las horquillas de

replicación. Las proteínas de unión a cadena simple estabilizan las cadenas abiertas.

La DNA polimerasa cataliza la adición de nucleótidos a ambas cadenas operando sólo en dirección 5' a 3'. Para comenzar a añadir

nucleótidos, esta enzima requiere la presencia de un cebador de RNA, unido por puentes de hidrógeno a la cadena molde que es luego

reemplazado por nucleótidos de DNA. El cebador de RNA es sintetizado por la RNA primasa.

La cadena adelantada se sintetiza en la dirección 5' a 3' en forma continua. En este caso, el único cebador de RNA está situado en el

origen de replicación, que no es visible en este esquema. La cadena rezagada también se sintetiza en la dirección 5' a 3', a pesar de que

esta dirección es opuesta a la del movimiento de la horquilla de replicación. El problema se resuelve mediante la síntesis discontinua

de una serie de fragmentos, los fragmentos de Okazaki. Cuando un fragmento de Okazaki ha crecido lo suficiente como para encontrar

a un cebador de RNA por delante de él, otra DNA polimerasa reemplaza a los nucleótidos de RNA del cebador con nucleótidos de

DNA. Luego, la DNA ligasa conecta cada fragmento con el fragmento contiguo recién sintetizado en la cadena.

El DNA como portador de información

El DNA de una sola célula humana que, si se extendiera en una hebra única mediría casi 2 metros de largo, puede contener una

información equivalente a unas 600.000 páginas impresas de 500 palabras cada una, o a una biblioteca de aproximadamente 1.000

libros.

Sin duda, la estructura del DNA puede dar cuenta de la enorme diversidad de los seres vivos. La información se encuentra en la

secuencia de bases nitrogenadas y cualquier secuencia de bases es posible. Dado que el número de pares de bases es de

aproximadamente 5.000 en el virus más simple conocido, hasta una estimación de 5.000 millones en los 46 cromosomas humanos, el

número de variaciones posibles es astronómico.