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Apuntes Apoyo Prueba 1
 

Apuntes Apoyo Prueba 1

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    Apuntes Apoyo Prueba 1 Apuntes Apoyo Prueba 1 Presentation Transcript

    • BIOLOGÍA CELULAR. APUNTES DE APOYO CERTAMEN 1 CONCEPTOS Y METODOS EN BIOLOGIA Comencemos por una pregunta que parece bastante sencilla: ¿qué es la vida? Sin profundizar, se podría contestar que eso se sabe a simple vista. Sin embargo esta pregunta se relaciona con una historia que se inició hace por lo menos 3800 mill ones de años. Desde la perspectiva biológica, la quot;vidaquot; es el resultado de antiguos eventos por los cuales la materia sin vida (átomos y moléculas) se organizó para dar lugar a las primeras células vivas. La quot;vidaquot; constituye una manera de captar y utilizar la energía y la materia prima. La quot;vidaquot; es una manera de percibir y responder al medio ambiente. La quot;vidaquot; es la capacidad de reproducirse, y la quot;vidaquot; evoluciona, lo que significa que los rasgos que caracterizan a los individuos de una población pueden cambiar de una generación a la siguiente. A lo largo de este curso daremos muchos ejemplos de la manera en que los organismos están constituidos, cómo funcionan, dónde viven y lo que hacen. Dichos ejemplos apoyan conceptos que, tomados en conjunto, explican en qué consiste la vida. Este módulo incluye generalidades sobre conceptos fundamentales, y constituye la base de descripciones posteriores de observaciones científicas, experimentos y pruebas, que ayudan a demostrar cómo desarrollar, modificar y refinar los propios conceptos sobre la vida. EL ACIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN), LA ENERGÍA Y LA VIDA Nada vive sin ADN Comenzaremos a describir las generalidades acerca de los seres vivos imaginando una rana que croa repetidamente sobre una roca. Inclusive sin pensar al respecto, sabemos que la rana está viva y la roca no. Pero, ¿por qué lo sabemos? Desp ués de todo, ambas cosas están formadas por protones, electrones y neutrones, que son los constituyentes de los átomos. No obstante, los átomos constituyen partes cada vez mayores de materia, llamadas moléculas. A nivel molecular es donde comienzan a surgir las diferencias entre los seres vivos y los que no lo están. Nunca encontraremos una roca constituida por ácidos nucleicos, proteínas, carbohidratos y lípidos. En la naturaleza sólo las células producen estas moléculas, como veremos más adelante; la molécula más característica de la célula (la unidad más pequeña que tiene capacidad de vida) es el ácido nucleico llamado ADN. Ningún pedazo de granito o cuarzo presenta esta sustancia. Todos los organismos sobre la Tierra poseen un sistema genético que se basa en una molécula larga y compleja llamada ácido desoxirribonucleico. Esta compone los genes o unidades de material hereditario. El orden en que se disponen las subunidades o monómeros del ADN, los nucleótidos, codifica la información que determina las características individuales de los organismos. El código genético es el mismo en todos los seres vivos, lo que constituye un ejemplo impresionante de la unidad de la vida. Pero cada organismo de una especie dada posee un ADN que le es característico; de modo que cada especie genera únicamente individuos de la misma y no de otras especies. Los genes transmiten la información de una generación a la siguiente, pero también regulan el desarrollo y funcionamiento de cada organismo. El ADN contiene instrucciones para el ensamblaje de diversas proteínas a partir de moléculas más pequeñas, los aminoácidos. Asi, el ADN puede transcribir su información parcialmente a otro tipo de ácido nucleico, el ARN o ácido ribonucleico, del cual existen distintos tipos: uno de ellos –el ARN mensajero– puede traducir ese mensaje para que se sintetice una determinada proteína. Consideremos esto como un flujo de información del ADN al ARN y luego hacia la proteína. Como veremos más adelante, esta tríada molecular es fundamental para entender la vida. De este modo, el ADN contiene toda la información para sintetizar todas las proteínas que necesita un ser vivo. Las proteínas son moléculas grandes y muy diversas, que pueden diferir en cada tipo de organismo; sus monómeros son los aminoácidos, que son de 20 tipos distintos pero son los mismos en todos los organismos vivos. Dentro de un mismo individuo, los diversos tipos de células pueden sintetizar proteínas difere ntes; así los glóbulos rojos de la sangre tienen hemoglobina y los músculos mioglobina. Cada tipo de célula regula la velocidad de sus reacciones metabólicas mediante enzimas, que son proteínas. De este modo puede afirmarse que la identidad de cada organismo queda preservada por la posesión de un conjunto distintivo de ácidos nucleicos y proteínas”. El ADN y la Herencia Nosotros y los demás organismos formamos parte de un viaje inmenso que se inició hace aproximadamente 3800 millones de años, con el origen químico de las primeras células vivas. En las condiciones actuales de la naturaleza, las nuevas células y organismos multicelulares heredan de sus padres las características que los definen. La herencia es simplemente la adquisición de estas características por la transmisión del ADN de padres a hijos. Reservaremos el término reproducción para los mecanismos reales de transmisión del ADN a los hijos. ¿Por qué las cigüeñas recién nacidas se asemejan a sus padres y no a los pelícanos? Porque heredan el ADN de cigüeña que es ligeramente distinto al ADN de pelícano en sus detalles moleculares. El ADN también dirige el desarrollo de ranas, humanos, árboles y de todos los organismos. 1
    • El término desarrollo se refiere a la transformación de un nuevo individuo en un adulto multicelular, generalmente constituido por tejidos y órganos especializados para ciertas tareas. Por ejemplo, la polilla constituye la etapa adulta de un insecto con alas que se inició partiendo de una célula única, un huevo fertilizado, que se desarrolló como oruga. En esa etapa larvar ia inmadura se alimentaba de hojas blandas y creció con rapidez hasta que la alarma de su reloj interno se disparó. En ese momento sus tejidos comenzaron a remodelarse para dar lugar a una diferente etapa, la pupa. Posteriormente surgió el adulto adaptado para reproducirse. Éste cuenta con partes especializadas para fabricar espermatozoides o huevos; tiene alas de determinado color, patrón y frecuencia de aleteo que constituyen adaptaciones para atraer a un compañero. Igual que otros animales, quot;el insectoquot; se forma a través de una serie de etapas, cada una de las cuales debe desarrollarse de manera adecuada antes de que se inicie la siguiente; las instrucciones que dirigen cada etapa se encontraban escritas en el ADN de las polillas mucho antes de que lleg ase el momento de su reproducción. Así la antigua historia de la vida continúa. Nada vive sin Energía Los seres vivos requieren algo más que el ADN, también requieren energía: la capacidad para realizar un trabajo. Sus células realizan trabajo conforme los átomos ceden, comparten o aceptan electrones. También trabajan para ensamblar, reordenar o dividir moléculas. Estos eventos moleculares se llevan a cabo gracias a la energía. Definición de Metabolismo Toda célula viva tiene la capacidad de: 1) obtener energía de sus alrededores y transformarla y 2) usar la energía para mantenerse a sí mismo, crecer y producir más células. El conjunto de reacciones químicas que le permite llevar a cabo estos procesos se llama metabolismo. Consideremos la célula de una hoja que fabrica alimento por el proceso llamado fotosíntesis. Dicha célula capta la energía de la luz solar y la transforma en energía química en forma de moléculas de ATP. Este ATP sirve para impulsar cientos de eventos metabólicos mediante la transferencia de energía a los sitios de reacción, donde enzimas específicas sintetizan moléculas de azúcar. En la mayoría de las células también se forma ATP en el proceso de la respiración aeróbica. En este último proceso se libera la energía que las células almacenaron con anterioridad, en forma de almidón u otra clase de moléculas. Percibir y responder a la Energía A menudo se dice que sólo los seres vivos responden a su medio ambiente. Sin embargo inclusive una roca responde a él; por ejemplo, cuando cede ante la fuerza de la gravedad y cae colina abajo, o su forma cambia lentamente por los repetidos embates del viento, la lluvia o las mareas. La diferencia es la siguiente: los organismos perciben los cambios en su entorno y efectúan respuestas compensatorias y controladas ante ellos. ¿Cómo ocurre esto? Cada organismo tiene receptores, que son moléculas y estructuras que detectan los estímulos. Un estímulo es alguna forma específica de energía que el receptor puede detectar. Algunos ejemplos son la energía solar, la energía calorífica, la energía de enlace de las moléculas de una hormona y la energía mecánica de una mordida. Las células ajustan su actividad metabólica en respuesta a señales de los receptores. Cada célula (y organismo) puede soportar determinado grado de calor o de frío; debe liberarse de las sustancias dañinas; requiere de ciertos alimentos en determinada cantidad. No obstante, la temperatura cambia, puede encontrarse con sustancias dañinas y a veces los alimentos abundan o escasean. Cuando una persona ingiere un sandwich, los azúcares pasan a través de su intestino y entran a la sangre. Esta última, junto con el líquido tisular que baña sus células, constituye el medio ambiente interno del organismo. El exceso o la falta de azúcar en la sangre pueden provocar diabetes y otros problemas. Cuando el nivel de esta sustancia aumenta el páncreas, un órgano glandular, secreta más insulina. La mayoría de las células del cuerpo tiene receptores para esta hormona, que estimula a las células a captar azúcar. Cuando un número suficiente de células hace esto, el nivel de azúcar en la sangre regresa a la normalidad. La regulación de la temperatura corporal en el ser humano (homeotermia) es un ejemplo de la operación de tales mecanismos. Cuando la temperatura del cuerpo se eleva por arriba de su nivel normal (36,5 37°C), ese aumento en la temperatura de la sangre es detectada por células especializadas del hipotálamo que funcionan como un termostato. Dichas células envían impulsos nerviosos hacia las glándulas sudoríparas e incrementan la secreción de sudor. La evaporación del sudor que humedece la superficie del cuerpo reduce la temperatura corporal. Otros impulsos nerviosos provocan la dilatación de los capilares sanguíneos de la piel, haciendo que ésta se sonroje. El aumento del flujo sanguíneo en la piel lleva más calor hasta la superficie corporal para que desde ahí se disipe por radiación. Por el contrario, cuando la temperatura del cuerpo desciende por debajo de su nivel normal, el sensor del cerebro inicia una serie de impulsos que constriñen los vasos sanguíneos de la piel, reduciendo así la pérdida de calor a través de la superficie. Si la temperatura corporal desciende aún más, el cerebro empieza a enviar impulsos nerviosos hasta los músculos, estimulando las rápidas contracciones musculares conocidas como escalofríos, un proceso que tiene como resultado la generación de calor. Los organismos responden de manera tan refinada a los cambios de energía, que sus condiciones operativas internas por lo general permanecen dentro de límites tolerables. Este estado, llamado homeostasis, constituye una de las características clave que definen la vida. 2
    • Todos los organismos constan de una o más células, que son las unidades con vida más pequeñas. En las condiciones actuales de la naturaleza, sólo se forman nuevas células cuando las ya existentes se reproducen. El ADN, la molécula de la herencia, codifica las instrucciones para construir proteínas, que son transmitidas por los ARN. Muchas proteínas son enzimas que aceleran el trabajo de las células, el cual incluye la construcción de todas las moléculas complejas características de la vida. Las células sólo continúan vivas mientras son capaces de llevar a cabo el metabolismo. Adquieren y transfieren energía, que se emplea para ensamblar, descomponer, acumular y disponer de materia de manera que promueven la supervivencia y la reproducción. Los organismos tanto uni- como multicelulares perciben y responden a las condiciones ambientales en diversas formas que les ayudan a mantener sus condiciones operativas internas. ORGANIZACIÓN CELULAR Todos los organismos vivos están compuestos por células. Aunque algunos están constituidos por una sola célula y otros por billones de ellas, incluso los organismos más complejos se originan de una sola célula, producto de la unión de dos gametas haploides. En la mayor parte de los organismos multicelulares, incluido el ser humano, una célula se divide y forma dos y cada una de éstas a su vez se divide una y otra vez, dando lugar finalmente a los tejidos y a los órganos y sistemas de un or ganismo desarrollado. Al igual que los ladrillos de un edificio, las células son los bloques de construcción de un organismo. La célula es la unidad más pequeña de materia viva capaz de llevar a cabo todas las actividades necesarias para el mantenimiento de la vida. Tiene todos los componentes físicos y químicos necesarios para su propio mantenimiento, crecimiento y división. Cuando cuentan con los nutrientes necesarios y un medio adecuado, algunas células son capaces de seguir vivas en un recipiente de laboratorio por años y años. Ningún componente celular es capaz de cumplir acabadamente con su función fuera del entorno celular. TEORIA CELULAR La idea de que las células son las unidades fundamentales de la vida es parte de la llamada teoría celular. Dos científicos alemanes, el botánico Matthias Schleiden, en 1838, y el zoólogo Theodor Schwann, en 1839, fueron los primeros en señalar que las plantas y animales estaban compuestos de grupos de células y que éstas eran la unidad básica de los organismos vivos. En 1855 Rudolph Virchow amplió esta teoría, estableciendo que sólo se formaban células nuevas a partir de una célula preexistente, es decir que las células no se forman por generación espontánea a partir de materia sin vida (idea que se había originado en los escritos de Aristóteles y que había perdurado a través de los siglos). En 1880 otro famoso biólogo, August Weismann, añadió un importante corolario a lo establecido por Virchow: todas las células que existen actualmente tienen sus orígenes en células ancestrales. La teoría celular de nuestra época incluye las ideas expuestas por los mencionados investigadores: 1. Todos los seres vivos están compuestos de células y productos celulares. 2. Sólo se forman células nuevas a partir de células preexistentes. 3. Todas las células actuales son descendientes de células ancestrales. Se pueden encontrar evidencias de que las células descienden de células ancestrales al observar las similitudes entre las complejas moléculas de proteínas que se observan en todas las células. Un ejemplo de ello son los citocromos 1 que se encuentran tanto en bacterias como en plantas y animales. Los citocromos de todas las células no sólo son iguales en estructura, sino que también desempeñan funciones casi idénticas en células de especies completamente distintas. Otro ejemplo, en este caso limitado a organismos autótrofos, son las clorofilas, básicamente iguales en bacterias fotosintéticas, cianobacterias, algas, musgos, helechos, coníferas y plantas con flores. El hecho de que todas las células tengan moléculas similares de tal complejidad es un indicio de que las células quot;modernasquot; se han originado de un pequeño grupo de células ancestrales. DESDE LAS MOLÉCULAS HASTA LA PRIMERA CÉLULA En condiciones prebióticas se pueden formar moléculas orgánicas simples Las condiciones que reinaban en la Tierra durante los primeros mil millones de años son aún tema de discusión. ¿Estaba inicialmente fundida la superficie terrestre? ¿Contenía la atmósfera amoníaco, o metano? No obstante, parece existir acuerdo en que la Tierra era un lugar violento, con erupciones volcánicas, relámpagos y lluvias torrenciales. Prácticamente no existía oxígeno libre, ni tampoco una capa de ozono que absorbiera la intensa radiación ultravioleta del sol. Es probable que bajo estas condiciones se produjeran moléculas orgánicas, es decir, moléculas simples que contienen carbono. La prueba más clara de Proteínas ligadas a una estructura (“hemo”) que contiene hierro y que entre otras funciones participan en el transporte de 1 electrones durante la respiración celular. 3
    • ello procede de los experimentos de laboratorio realizadas desde 1953 por Miller, dirigido por Urey 2 en los que se aplicaron descargas eléctricas o radiación ultravioleta a mezclas de vapor de agua, metano (CH4), amoníaco (NH3) e hidrógeno molecular (H2). Mediante estos experimentos se pudo observar que la formación de una variedad de moléculas orgánicas, incluyendo var ios aminoácidos. Aunque estos experimentos no pueden reproducir con total exactitud las condiciones primitivas de la Tierra, ponen de manifiesto el hecho de que la formación de moléculas orgánicas es sorprendentemente fácil. Por otra parte, la Tierra en formación tenía inmensas ventajas sobre cualquier experimentador humano, ya que era muy grande y podía producir una amplia gama de condiciones, pero sobre todo disponía de mucho más tiempo: cientos de millones de años. En tales circunstancias, parece muy posible que, en algún lugar y en algún momento determinado, muchas de las moléculas orgánicas simples que se encuentran en las células actuales se acumularan en concentraciones elevadas y dieran lugar a biopolímeros tales como las proteínas, los polisacáridos y los ácidos nucleicos. Cualesquiera que hayan sido los pasos preliminares de la evolución, cuando las moléculas de ARN llegaron a ser capaces de dirigir la síntesis de proteínas, tuvieron a su disposición un enorme taller de herramientas químicas. Entonces fue posible, en principio, sintetizar enzimas que pudieran catalizar una amplia gama de reacciones químicas, incluida la síntesis de más proteínas y más moléculas de ARN. La naturaleza exponencial de un proceso autocatalítico de este tipo puede ser observada hoy en día en el ciclo vital de algunos virus bacterianos: después de penetrar en una bacteria, estos virus dirigen la síntesis de proteínas que catalizan selectivamente su propia replicación, de modo que en un breve lapso ocupan toda la célula. Las membranas definieron la primera célula La síntesis proteica controlada por los ácidos nucleicos fue indudablemente uno de los acontecimientos cruciales que condujeron a la formación de la primera célula. Otro de estos acontecimientos trascendentes fue el desarrollo de una membrana limitante. Las proteínas sintetizadas bajo el control de un determinado tipo de ARN no facilitaban la reproducción del mismo, a menos que fueran retenidas en sus proximidades. Del mismo modo, si surgía una variante de ARN que producía un tipo superior de enzima, esta nueva enzima no podía contribuir selectivamente a la supervivencia de ese tipo superior de ARN: ello explicaría la necesidad de la aparición de la primera membrana para reunir las moléculas mejoradas. Todas las células actuales están rodeadas por una membrana plasmática compuesta esencialmente de fosfolípidos y proteínas. Al microscopio electrónico, estas membranas aparecen como láminas de aproximadamente 7 nanómetros 3 de grosor, con un aspecto triestratificado característico, debido al empaquetamiento cola-con-cola de las moléculas de fosfolípidos. Se ha sugerido que las moléculas de fosfolípidos del caldo prebiótico se ensamblaron espontáneamente formando estructuras membranosas, algunas de las cuales incluyeron una mezcla auto-replicante de ARN y moléculas de proteínas que dieron lugar a la primera célula. Comparación entre la primera célula y las células actuales más sencillas. Si bien no existen datos fósiles que registren los orígenes de la primera célula, los organismos actuales y los experimentos realizados proporcionan pruebas bastante convincentes de que los rasgos principales de esta historia evolutiva son correctos. La síntesis prebiótica de pequeñas moléculas, la autorreplicación de las moléculas de ARN, la traducción de las secuencias de ARN a secuencias de aminoácidos y el ensamblaje de las moléculas lipídicas para formar compartimientos rodeados de membrana, todo esto debió ocurrir durante la génesis de la primera célula hace unos 3,5 ó 4 mil millones de años. Resulta útil comparar esta primera célula hipotética con las células actuales más sencillas, los micoplasmas. Los micoplasmas son microorganismos parecidos a bacterias, pero carecen de pared celular y normalmente llevan una vida parasitaria en estrecha asociación con células vegetales y animales. Algunos tienen un diámetro de aproximadamente 0,3 μm y contienen suficiente ácido nucleico para codificar la síntesis de unas 750 proteínas diferentes, que puede ser el número mínimo de proteínas que una célula necesita para sobrevivir. Una importante diferencia entre la célula primitiva tal como la hemos descrito y un micoplasma (o, de hecho, cualquier otra célula actual) estriba en que la información hereditaria está almacenada en el ADN y no en el ARN. Se cree que todos los organismos que viven actualmente sobre la Tierra derivan de una única célula primitiva nacida hace varios miles de millones de años (procariota ancestral) . Un hito importante a lo largo de este camino evolutivo se produjo hace 1.500 millones de años, cuando ocurrió la transición desde las células pequeñas Microscopía electrónica de Mycoplasma pneumoniae, causante de neumonías. Las células con una estructura interna relativamente sencilla – carecen de pared celular y están limitadas por una membrana citoplasmática que tiene los denominados procariotas, que incluyen estructura trilaminar. Miller, S. L. quot;Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions,quot; Science, 117, 528 (1953); Miller, S. L., and 2 Urey, H. C. quot;Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth,quot; Science, 130, 245 (1959). 3 Un nanómetro (nm) = 10-9 m 4
    • además de los micoplasmas a los diversos tipos de bacterias– hasta las células eucarióticas, mayores y radicalmente más complejas, tal como las que encontramos en los animales y plantas superiores. Células eucarióticas y procarióticas Los organismos pueden clasificarse en dos grupos fundamentalmente diferentes, según la estructura y complejidad de sus células. Los organismos eucariotes (eucariote = “núcleo verdadero”) son aquellos que contienen una estructura llamada núcleo que se encuentra limitado por una cubierta específica (la “envoltura nuclear”). El núcleo sirve para mantener el material genético, el ADN, separado del resto de los componentes celulares. Las células de procariotes (que significa quot;antes del núcleoquot;) carecen de núcleo y generalmente son más pequeñas que las eucarióticas. El ADN de las células procarióticas está confinado a una o más regiones nucleares, que a veces se denominan nucleoides, pero los nucleoides no están limitados por una envoltura independiente. En algunas células procarióticas la membrana plasmática puede plegarse hacia adentro y forma un complejo de membranas internas en donde se llevan a cabo las reacciones de transformación de energía. La mayoría de las células procarióticas también tienen una pared celular, que es una estructura que encierra a toda la célula, incluida la membrana plasmática. Las células eucarióticas, además del núcleo, presentan varios organelos limitados por membranas que dividen el citoplasma celular en compartimientos adicionales. En el cuadro se resumen los distintos tipos de estructuras que suelen encontrarse en las células eucarióticas. Algunos organelos sólo se presentan en ciertas variedades celulares específicas. Por ejemplo, los cloroplastos, que atrapan la luz solar para conversión de energía, se hallan en las células que realizan fotosíntesis (plantas o algas). Las células procarióticas son estructuralmente simples pero bioquímicamente diversas Las bacterias son organismos muy sencillos. Se trata de células habitualmente esféricas o alargadas, por lo general con un diámetro de 1 a 10 μm. A menudo poseen una envoltura protectora resistente, denominada pared celular, por debajo de la cual una membrana plasmática rodea a un único compartimiento citoplasmático que tiene ADN, ARN, proteínas y pequeñas moléculas. Al microscopio electrónico, este interior celular aparece como una matriz más o menos uniforme. Las bacterias son pequeñas y se pueden multiplicar rápidamente, dividiéndose simplemente en dos. En condiciones óptimas, una misma célula procariótica se puede dividir cada 20 minutos, y por lo tanto dar lugar a más de 4 mil millones de células (un número cercano al de la población humana mundial actual) en menos de 11 horas. La capacidad de dividirse con rapidez permite que las poblaciones de bacterias se adapten rápidamente a los cambios de su ambiente. En la Naturaleza, las bacterias viven en una gran variedad de nichos ecológicos. Se pueden reconocer dos grupos distintos: las eubacterias, que son las formas más habituales y viven en el suelo, el agua y los organismos vivos, y las arquebacterías, que se encuentran en ambientes tan incómodos como ciénagas, profundidades marinas, aguas salobres y aguas termales de variado grado de temperatura y de acidez. Existen especies de bacterias que pueden utilizar prácticamente cualquier tipo de molécula orgánica como alimento, incluidos azúcares, aminoácidos, grasas, polipéptidos y polisacáridos y hasta hidrocarburos. Algunas son capaces incluso de obtener del aire tanto los átomos de carbono (del dióxido de carbono atmosférico) como los átomos de nitrógeno molecular (N 2). A pesar de su simplicidad relativa, las bacterias han sobrevivido durante más tiempo que cualquier otro organismo y todavía constituyen el tipo de células más abundante de la Tierra. El origen de los eucariotes4 Las células eucarióticas seguramente evolucionaron a partir de sus ancestros procarióticos, ¿pero cómo lo hicieron? Esta pregunta ha sido difícil de responder, ya que las formas intermedias de esa transición no han sobrevivido ni dejado restos fó siles que aporten pistas directas. Uno sólo puede ver el producto eucariótico final, que es considerablemente diferente a una célula procariótica. Las células eucarióticas son mucho más grandes que las procarióticas (alrededor de 10.000 veces en volumen) y su depósito de material genético es mucho más organizado. En los procariotes el archivo genético total consiste de un simple cromosoma constituido por una molécula de ADN circular que está en estrecho contacto con el resto de la célula. En cambio, en los eucariotes la mayor parte del ADN está contenido en cromosomas de mayor grado de estructuración, que están agrupados dentro De Duve, C. “The borning of complex cells”.Scientific American, 274 (4): 38-45, April 1996 4 5
    • de una cavidad central bien definida, el núcleo celular. La región que circunda al núcleo (el citoplasma) está particionado por membranas en una elaborada red de compartimientos (organoides) que cumplen una multitud de funciones. Los biólogos sospechaban desde hace mucho tiempo que las mitocondrias y los cloroplastos descendían de bacterias que habían sido adoptadas como endosimbiontes (del griego: “vivir juntos adentro”) por algunas células huésped ancestrales. La evidencia más convincente es la presencia en dichos organelos de un sistema genético incompleto, pero aún funcional. Este sistema incluye genes basados en ADN, los medios para replicar este ADN y todas las herramientas moleculares para construir las moléculas proteicas codificadas en dicho ADN. Estos endosimbiontes habrían sido originalmente ingeridos por una célula huésped inusualmente grande (un fagocito precursor de los eucariotes). Se sabe que muchas células eucarióticas, como los glóbulos blancos, atrapan procariotes. Por lo general, los procariotes así atrapados son muertos y digeridos. Algunas veces escapan de la destrucción y mutilan o matan a s us captores. En raras ocasiones tanto el captor como la víctima sobreviven en un estado de mutua tolerancia que puede dar lugar a una mutua asistencia y, eventualmente, a una mutua dependencia. Las mitocondrias y los cloroplastos podrían así haber llegado a ser huéspedes permanentes de la célula hospedante. Si esta última conjetura es real, la adopción de endosimbiontes debe haber sido posterior a que un ancestro procariótico de los eucariotes evolucionara hasta convertirse en un fagocito primitivo (del griego, “célula devoradora”), es decir una célula capaz de engullir cuerpos voluminosos, tales como bacterias. Y si este arcaico antepasado era similar a los modernos fagocitos, debió haber sido mucho más grande que su presa y estar limitado por una membrana flexible que le permitiera englobar objetos extracelulares grandes. Es interesante señalar que la génesis del núcleo también podría ser explicado, al menos esquemáticamente, como el resultado de la internalización de una parte de la membrana externa. En los procariotes el cromosoma circular que contiene al ADN está unido a la membrana celular. El plegamiento interno de una parte de la membrana celular podría haber creado un saco intracelular llevando el cromosoma en su superficie. Esta estructura pudo haber sido la quot;semillaquot; del núcleo eucariótico, que está circundado por una doble membrana formada por partes achatadas del sistema de membranas intracelular que se fusionan para dar una envoltura esférica. Estructura Descripción Función Núcleo celular Núcleo Gran estructura rodeada por una doble Control de la célula membrana; contiene al nucleolo y los cromosomas Nucleolo Zona de diferentes características de tinción, Lugar de síntesis ribosómica; ensamble de carece de membrana limitante. subunidades ribosómicas Cromosomas Compuestos de un complejo de ADN y Contiene genes (unidades de información proteínas, llamado cromatina; se observan en hereditaria que gobiernan la estructura y la actividad forma de estructuras en cilindro durante la celular) división celular Sistema de membranas de la célula Membrana celular Membrana limitante de la célula viva Contiene al citoplasma; regula el paso de materiales (membrana plasmática) hacia dentro y fuera de la célula; ayuda a mantener la forma celular; comunica a la célula con otras Retículo endoplásmico Red de membranas internas que se extienden Sitio de síntesis de lípidos y de proteínas de (RE) a través del citoplasma membrana; origen de vesículas intracelulares de transporte, que acarrean proteínas en proceso de secreción. Liso (REL) Carece de ribosomas en su superficie externa Biosíntesis de lípidos; desintoxicación de medicamentos Rugoso (RER) Los ribosomas tapizan su superficie externa Fabricación de muchas proteínas destinadas a secreción o incorporación en membranas Ribosomas gránulos compuestos de RNA y proteínas; Síntesis de polipéptidos algunos unidos al RE, otros libres en el citoplasma Aparato de Golgi Compuesto de sacos membranosos planos Modifica, empaca (para secreción) y distribuye proteínas a vacuolas y a otros organelos Lisosomas Sacos membranosos (en animales) Contiene enzimas que degradan material ingerido, las secreciones y desperdicios celulares Vacuolas Sacos membranosos (sobre todo en plantas, Transporta y almacena material ingerido, hongos y algas) desperdicios y agua Microcuerpos (p.ej. Sacos membranosos que contienen una gran Sitio de muchas reacciones metabólicas del peroxisomas) diversidad de enzimas organismo Organelos transductores de energía Mitocondrias Sacos que constan de dos membranas: la Lugar de la mayor parte de las reacciones de la membrana interna está plegada en crestas respiración celular; transformación en ATP de la 6
    • energía proveniente de glucosa o lípidos Cloroplastos Sistemas de tres membranas; contienen La clorofila captura energía luminosa; se producen clorofila en las membranas tilacoideas ATP y otros compuestos energéticos que después internas se utilizan en la conversión de CO2 en glucosa Citoesqueleto Microtúbulos Tubos huecos formados por subunidades de Proporcionan soporte estructural; intervienen en el tubulina movimiento y división celulares; forman parte de los cilios, flagelos y centríolos Microfilamentos Estructuras sólidas, cilíndricas, formados por Proporcionan soporte estructural; participan en el actina movimiento de las células y organelos, así como en la división celular Centríolos Par de cilindros huecos cerca del centro de la Durante la división celular en animales se forma un célula; cada centríolo consta de nueve grupos huso mitótico entre ambos centríolos; en animales de tres microtúbulos (estructura 9 x 3) puede iniciar y organizar la formación de microtúbulos; no existen en las plantas superiores Cilios Proyecciones más o menos cortas que se Locomoción de algunos organismos unicelulares; extienden desde la superficie celular, desplazamiento de materiales en la superficie cubiertos por la membrana plasmática; celular de algunos tejidos compuestos de dos microtúbulos centrales y nueve pares periféricos (estructura 9 + 2) Flagelos Proyecciones largas formadas por dos Locomoción de las células espermáticas y de microtúbulos centrales y nueve periféricos algunos organismos unicelulares (estructura9 + 2); se extienden desde la superficie celular; recubiertos por membrana plasmática Entre los protistas se encuentran las células más complejas conocidas La complejidad que puede alcanzar una célula eucariótica se pone de manifiesto sobre todo en el Reino Protistas. Los protistas son eucariotas unicelulares de vida libre, que muestran una asombrosa variedad de formas y comportamientos distintos: pueden ser fotosintetizadores o heterótrofos, móviles o sedentarios. A menudo su anatomía es compleja e incluye estructuras tales como cerdas sensoriales, fotorreceptores, flagelos, apéndices a modo de patas, partes bucales, flechas urticantes y haces contráctiles parecidos a músculos. Aunque son células aisladas, pueden ser tan complicadas y versátiles como muchos organismos pluricelulares. Pero naturalmente los protistas representan el primer paso de la evolución eucariótica. Se alcanzaron niveles superiores, no mediante la concentración de todo tipo de complejidades en una sola célula, sino por medio de la distribución del trabajo entre diferentes tipos de células. Aparecieron los organismos pluricelulares, en los que células estrechamente emparentadas pasaron a diferenciarse unas de otras, desarrollando características distintivas, formando así las piezas especializadas de una gran empresa cooperativa. Diversos tipos celulares especializados de un mismo animal o planta superior, a menudo aparecen radicalmente distintos. Esto puede parecer paradójico, ya que todas las células de un organismo pluricelular están estrechamente relacionadas al haberse formado a partir de una misma célula precursora (cigota), resultante de la fusión de las gametas femenina y masculina. Un origen común implica poseer una información genética similar. ¿Cómo aparecen, entonces, las diferencias entre los distintos tipos de células? En algunos casos, la especialización celular implica la pérdida de material genético: un ejemplo extremo lo constituyen los eritrocitos de los mamíferos y células de conducción vegetales que en el transcurso de la diferenciación pierden por completo el núcleo. Pero la inmensa mayoría de las células de la mayor parte de especies animales y vegetales conservan toda la información genética contenida en la cigota. La especialización no depende de la pérdida o adquisición de genes, sino de variaciones en la expresión génica, es decir del hecho de que algunos genes se expresen en algunas células y otros en otras. Incluso las bacterias no producen simultáneamente todos sus tipos de proteínas, sino que son capaces de ajustar el nivel de síntesis a las condiciones externas. Las proteínas específicamente necesarias para el metabolismo de la lactosa, por ejemplo, son producidas por algunas especies de bacterias sólo cuando pueden disponer de este azúcar. Otras bacterias detienen la mayor parte de los procesos metabólicos normales cuando las condiciones son desfavorables, y forman esporas, que presentan una pared externa resistente, impermeable, y un citoplasma de composición alterada. Las células eucarióticas han desarrollado mecanismos mucho más complejos para controlar la expresión génica. Los grupos de genes son activados o inhibidos en respuesta a señales tanto externas como internas. Tanto la composición de las membranas como el citoesqueleto, los productos secretados e incluso el metabolismo deben variar de manera coordinada cuando las células se diferencian. Comparemos, por ejemplo, una célula de músculo esquelético, especializada en la contracción, con un osteoblas to, que segrega la matriz dura del hueso del mismo animal. Tales transformaciones radicales del carácter celular reflejan cambios estables de la expresión génica. Los controles que hacen posible estos cambios han evolucionado en los eucariotas hasta un grado no alcanzado por los procariotas. 7
    • CARACTERÍSTICAS DIFERENCIALES DE LAS CÉLULAS VEGETALES Aunque las plantas y los animales son eucariotes, las células vegetales difieren de las células animales en varios aspectos: Aunque todas las células están delimitadas por membranas plasmáticas, las células vegetales están rodeadas además de una pared rígida que contiene celulosa y otros polisacáridos, además de otros componentes. Esta pared permite mantener altas concentraciones de solutos si que se produzca la ruptura de las células. Las células vegetales contienen plástidos, estructuras delimitadas por una doble membrana, que producen y almacenan nutrientes o pigmentos. Los más comunes y abundantes son los cloroplastos. Casi todas las células vegetales tienen un compartimiento grande o varios pequeños, Ilamados vacuolas, que se utilizan en el transporte y almacenamiento de nutrientes, agua y productos de desecho. Las células de plantas carecen de ciertos organelos, como los centríolos. Los virus: unidades de información genética Los virus son complejos supramacromoleculares que pueden autorreplicarse en las células huésped adecuadas. Consisten en una molécula de ácido nucleico (ADN o ARN) rodeada por una envoltura protectora o cápside, formada por proteínas y , en algunos casos, por otra envoltura membranosa. Fuera de las células huésped donde se multiplican, los virus son simples partículas denominadas viriones, de forma y composición regulares y que pueden ser cristalizadas. Aparentemente, todos los tipos de células, tanto procarióticas como eucarióticas, son susceptibles de infección por virus específicos. Una vez que un virus o su ácido nucleico penetra en una célula huésped específico se convierte en un parásito intracelular. El ácido nucleico del virus es el mensaje genético que específica la estructura del virión, utilizando las enzimas y los ribosomas del huésped para producir muchas partículas víricas hijas. Como resultado de ello, se pueden generan cientos de partículas de virus a partir de un único virión infectante de la célula huésped. En algunos sistemas huésped-virus, los virus de la progenie escapan a través de la membrana plasmática del huésped. Otros virus provocan la lisis celular (ruptura de la membrana y muerte de la célula huésped) para ser liberados. La estrategia que utilizan los virus para multiplicarse varía de acuerdo al tipo de virus, lo que determina, a su vez, el lug ar dentro de la célula en que se replica y transcribe su genoma. En los virus con genoma de ADN, el ADN del virus se replica y también se transcribe a ARN mensajero (ARNm). El ARNm codifica enzimas virales, proteínas de la cubierta viral y, en algunos casos, proteínas reguladoras que controlan la expresión del genoma de la célula hospedadora. El virus realiza sus actividades biosintéticas con el equipamiento de la célula hospedadora. En la mayoría de los virus de ARN, el ARN viral se replica y actúa directamente como ARNm. Otros, en cambio, llevan en la partícula viral una enzima propia que les permite sintetizar los ARNm, usando como molde el ARN viral, ya que éste no puede funcionar como mensajero. En otro tipo de virus de ARN, el ARN viral se transcribe a ADN, a partir del cual se transcribe luego el ARNm. Este fenómeno de transcripción inversa es característico de los retrovirus, tanto de los que causan cáncer como del virus HIV, responsable del SIDA (Síndrome de Inmuno-Deficiencia Adquirida). Se conocen centenares de virus diferentes, cada uno de ellos más o menos específico para una célula huésped, que puede ser animal, vegetal o bacteriana. Los virus específicos de bacterias se denominan bacteriófagos o simplemente fagos. Algunos virus sólo contienen un tipo de proteína en su cápside, como por ejemplo el virus del mosaico del tabaco, un virus simple de plantas que fue el primero en ser cristalizado. Otros virus contienen docenas o centenares de clases diferentes de proteínas. Se han cristalizado incluso algunos de estos virus grandes y complejos y se conocen por tanto sus estructuras moleculares en detalle. Los virus difieren mucho en tamaño. El bacteriófago X174, uno de los más pequeños, tiene un diámetro de 18 nm. El virus de la viruela es uno de los más grandes; sus viriones son casi tan grandes como las bacterias más pequeñas. Los virus se diferencian también en su forma y en la complejidad de su estructura. Para realizar estudios comparativos, sólo disponemos de virus aislados hace no más de 80 años. Por lo tanto, para elaborar una hipótesis sobre el origen de los virus, solo podemos hacer extrapolaciones hacia atrás, basándonos en el estudio detallado de las características de los virus actuales. Existen tres teorías principales que explicarían el origen de los virus. Una de ellas, la teoría regresiva, propone a los virus como formas degene radas de parásitos intracelulares. Otra teoría postula que los virus se habrían originado a partir de componentes celulares normales (ADN o ARN) que habrían adquirido la capacidad de replicarse en forma autónoma y de evolucionar independientemente. La tercera teoría se relaciona con la hipótesis de un mundo prebiótico basado en ARN. 8
    • METODOLOGÍA PARA EL ESTUDIO DE LAS CÉLULAS ¿Por qué son tan pequeñas las células? La mayor parte de las células son microscópicas, pero su tamaño varía en un rango muy amplio. Ciertas células tienen un tamaño que permite apreciarlas a simple vista, así, las células individuales del alga marina Acetabularia, por ej. Tienen hasta 5 cm de largo y también son grandes las células huevo de las aves en la etapa previa al inicio de la división de la cigota, per o su tamaño es atípico porque casi toda su masa está ocupada por nutrientes. La mayoría de las células pueden apreciarse en un buen microscopio óptico, pues su tamaño medio oscila entre 5 y 30 m. El tamaño y la forma de una célula se relacionan con las funciones que ésta realiza. Algunas células como las amebas y los leucocitos pueden variar su forma a medida que se trasladan, los espermatozoides tienen una cola larga en forma de látigo que ayuda en la locomoción y las células nerviosas poseen extremos delgados y largos que les permiten transmitir mensajes a través de grandes distancias a los sitios más alejados del organismo. Otras células, como las epiteliales, son casi rectangulares y se unen a otras como si fueran ladrillos de una construcción, hasta formar estructuras laminares. Si se considera lo que una célula tiene que hacer para mantenerse y crecer podrán entenderse las razones por las que una célula es tan pequeña. En principio, debe incorporar nutrientes y otros materiales a través de la membrana plasmática; una vez incorporadas, estas sustancias deben transportarse al sitio donde serán utilizadas. Por otra parte, los productos orgánicos originados en diversas reacciones metabólicas deben trasladarse fuera de la célula antes de que se acumulen en concentraciones tóxicas. En los organismos multicelulares, algunas células deben además exportar sustancias que utilizarán otras células. Debido a que las células son pequeñas, son relativamente cortas las distancias que las moléculas deben recorrer dentro de ellas, lo cual permite acelerar diversas reacciones químicas. Además, debido a que las moléculas esenciales y los productos celulares deben pasar a través de la membrana celular, cuanto más superficie tenga una célula más rápido pasará a través de e lla una cantidad determinada de moléculas. Esto significa que la relación entre el área superficial de una célula y su volumen es un factor crítico en la determinación de su tamaño. Si se considera una célula de forma cúbica se comprueba fácilmente que al aumentar de tamaño el volumen crece más rápidamente que la superficie. El cubo de 4 cm de lado, los 8 cubos de 2 cm de lado y los 64 cubos de 1 cm de lado tienen el mismo volumen total. Sin embargo, a medida que el cubo 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 cm de lado es 4 veces mayor que la superficie del cubo de 4 cm de lado y la relación superficie a volumen en cada cubo de 1 cm de lado es 4 veces mayor que la del cubo de 4 centímetros de lado. El hecho de que el volumen de una célula aumente más rápidamente que el área superficial cuando esta célula crece, es una limitante del crecimiento celular. Por encima del tamaño celular límite, las moléculas requeridas para mantener una célula no pueden transportarse dentro de ésta con la rapidez suficiente como para satisfacer sus requerimientos. 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 sa lir de ella, sino también menos materia viva para atender y distancias más cortas a recorrer por los materiales en el interior de la célula. MICROSCOPÍA Una de las principales herramientas para el estudio de las células es el microscopio. De hecho, la célula fue descrita por vez primera por Robert Hooke en 1665, cuando examinaba una pieza de corcho en un microscopio elaborado por él mismo. A pesar de creerlo, Hooke no contempló células vivas en el corcho, sino que observó las paredes celulares de las células sin vida del corcho. Versiones más refinadas del microscopio óptico, que utiliza luz visible como fuente de iluminación, junto con el desarrollo de determinadas sustancias químicas que tiñen de forma específica diferentes estructuras celulares, permitieron a los biólogos descubrir, a principios del siglo XX, que las células contienen un grupo de estructuras internas llamadas organelos 5 (que literalmente significa órganos pequeños). En la actualidad sabemos que cada organelo desarrolla funciones específicas importantes para la existencia de la célula. El desarrollo de colorantes fue esencial para estos descubrimientos, ya que el interior de la célula es transparente cuando se observa con un microscopio óptico. Sin embargo, la mayor parte de los procedimientos para preparar y teñir las células también provocaba la muerte de ésta. Son bastante frecuentes en la literatura biológica los sinónimos organelas, orgánulos u organoides 5 9
    • OBSERVACIÓN DE MATERIALES BIOLÓGICOS La observación directa de los materiales biológicos, está limitada por la capacidad del ojo humano para percibir pequeños detalles. El máximo poder de resolución del ojo humano está dado por la capacidad de diferenciar dos puntos que se hallan separados por 0,1 mm y colocados a 25 cm de distancia del ojo, que es la distancia óptima de visión distinta (menor distancia que no produce fatiga visual). En general las estructuras que constituyen los materiales biológicos son muy pequeñas para ser observadas a simple vista, lo que obliga diseñar instrumentos ópticos capaces de proporcionar imágenes considerablemente agrandadas de los objetos. Considerando el tamaño de las estructuras que componen la materia viva y su dependencia con los instrumentos ópticos, aquéllas se diferencian en: a) macroscópicas, b) microscópicas y c) submicroscópicas. Estructuras macroscópicas Poco aumento: lupa simple (hasta 20 X) Visibles a simple vista (mm) Mayor aumento: lupa binocular (30-50 X) DIMENSIONES DE Estructuras microscópicas Gran aumento: microscopio común: (hasta 1500- LAS ESTRUCTURAS 2000 X) ( m) No visibles a simple Estructuras Ultraestructura: microscopio electrónico de vista submicroscópicas (nm) transmisión (hasta 100.000 X) MICROSCOPIOS ÓPTICOS Se denomina así a todo aparato óptico o lente o sistema de lentes que interpuesto entre un objeto próximo al ojo y éste, permite observar al objeto de un tamaño mayor y percibir detalles no visibles a simple vista. Se considera lente a todo sistema óptico transparente limitado por dos o más superficies curvas, o una curva y otra plana que tienen un eje común. En el caso d e los microscopios interesan las lentes convexas, que dan imágenes agrandadas. Pueden distinguirse dos tipos de imágenes: reales y virtuales. Las imágenes reales son las que se forman sobre una pantalla. Las imágenes virtuales son las que percibe directamente el ojo humano. Existen dos tipos de microscopios: simples y compuestos Microscopio Simple Lupa Simple Está formada por una lente biconvexa o planoconvexa o por varias lentes adosadas que actúan como una sola. El objeto debe hallarse entre el foco y la lente, formándose una imagen virtual, derecha y mayor. El material en observación puede ser aumentado hasta 20 veces (máximo aumento = 20 X). Son generalmente de uso manual. Lupa Binocular Está constituida por dos sistemas de lentes con prismas que están montados en una estructura fija. Sus cualidades son relieve, claridad y profundidad del campo. Máximo aumento = 30-50 X. Microscopio Compuesto Llamado así porque posee dos sistemas de lentes, situados sobre el mismo eje: una lente que produce una imagen (objetivo) y un par de lentes que amplían esa imagen (oculares). Consta de tres partes principales: base, platina y tubo. La base es pesada y sirve de soporte a todo el microscopio. Se articula con el brazo, del cual puede asirse el microscopio. Su misión es sostener el tubo que contiene la parte óptica. En la parte inferior del brazo se encuentra la platina o plataforma donde se ubican las preparaciones y posee un orificio por donde pasan los rayos luminosos. El preparado puede desplazarse sobre la platina en dos sentidos perpendiculares entre sí, mediante el carro o charriot, accionado por dos tornillos colocados lateralmente. Para desplazar el tubo en sentido vertical existen dos tornillos: el macrométrico produce desplazamientos rápidos dando un enfoque aproximado y el micrométrico, de movimientos lentos, permite el enfoque de precisión. El revólver es una pieza colocada en la parte inferior del tubo que lleva enroscados los objetivos y permite cambiarlos rápidamente. La fuente de iluminación es actualmente una lámpara incluida en el pie del microscopio que debe enviar un cono luminoso homogéneo y ser capaz de cubrir todo el ángulo de apertura del condensador. En algunos microscopios la iluminación está dada por lámparas que proporcionan luz de composición espectral determinada. Los microscopios más antiguos poseían un espejo, mediante el que podían captarse los rayos luminosos dirigiéndolos a través del condensador hacia el objeto. Este espejo tenía una cara plana (para 10
    • objetivos de poco aumento) y una cara cóncava (mayor iluminación para objetivos de gran aumento). Los rayos luminosos provenían directamente la luz de día, aunque en la mayoría de los casos era provista por una lámpara externa al microscopio. El condensador concentra el haz luminoso y lo dirige hacia la preparación; consta de un sistema de lentes cuya altura puede graduarse para obtener una iluminación apropiada; el más común es el de Abbé que minimiza la aberración de esfericidad. Dentro de los accesorios de iluminación debemos mencionar el diafragma que se encuentra colocado por debajo del condensador. Consta de un conjunto de pequeñas láminas de acero que pueden acercarse o alejarse entre ellas, limitando un orificio de diámetro variable y modificando en consecuencia las dimensiones del cono luminoso. Como se ha mencionado, el microscopio compuesto posee dos sistemas de lentes centradas sobre un mismo eje óptico. La lente próxima al objeto se llama objetivo y posee una distancia focal muy corta y da una imagen real, mayor e invertida. La lente próxima al ojo es el ocular, cuya función es agrandar la imagen proporcionada por el objetivo y transformarla en imagen virtual. Por lo tanto, la imagen final obtenida con el microscopio es virtual, mayor e invertida respecto al objeto. El ocular es un sistema sencillo constituido por dos lentes convexas (que actúan como una sola) sujetas por una montura metálica, que se introduce en la parte superior del tubo. Permite aumentos pequeños: (6X, 10X). Los microscopios actuales son binoculares, con prismas que distribuyen la imagen para ser captada por ambos ojos. Cada persona debe ajustar su separación a su distancia interpupilar. El objetivo está formado por varias lentes (hasta diez) que actúan como una sola, centradas por sus ejes ópticos. En general en un microscopio hay objetivos de 4X y 10X para dar una imagen no muy ampliada del campo a analizar y por lo tanto se utilizan como quot;objetivo buscadorquot;, 40X cuya distancia frontal ya es muy corta, y objetivo de inmersión de 100X. Cada objetivo tiene una inscripción en su montura, por ejemplo: Plan 40 / 0.65 160 / 0.17 Estas inscripciones significan: Plan: (Planacromático): objetivo acromático (corregido para evitar dispersión de los colores) con imagen plana 40: aumento de la lente = 40X 0.65: apertura numérica (AN). AN = n x sen α, donde α = Ángulo apertura/2 (ver esquema) 160: longitud del tubo (distancia del objetivo al ocular) 0.17: espesor máximo del cubreobjetos que se puede interponer entre objeto y objetivo. La distancia frontal es la distancia que separa la lente frontal del objetivo de la preparación cuando la imagen está enfocada; cuando esta distancia es mayor el enfoque se ve facilitado. Un aspecto destacable de un objetivo es la luminosidad. Cuanto mayor sea el aumento utilizado más oscura se ve la imagen. Para un mismo aumento, cuanto mayor sea la apertura numérica mayor es el número de rayos que entran al objetivo y más luminosa es la imagen obtenida. Los objetivos a seco y de inmersión difieren en la naturaleza del medio interpuesto entre la lente frontal del objetivo y la preparación. En los objetivos a seco, el medio es aire (n = 1), en tanto que en los de inmersión se interpone un medio con n próximo al del vidrio, aceite de inmersión (n = 1,5 ó 1,6). La inmersión impide la desviación de los rayos más oblicuos, pudiendo así penetrar en el objetivo y permitiendo obtener conos luminosos más extensos. El aumento total del microscopio se obtiene multiplicando el coeficiente de aumento del objetivo por el del ocular; así un objetivo 40X con oculares 10X proporciona una Aceite Aire imagen ampliada 400 veces y se indica 400X. Hay dos características que determinan la nitidez con que puede ser visto un objeto. Una de ellas es la capacidad de ampliación del instrumento, que es la relación del tamaño de la imagen vista con el instrumento óptico y el tamaño real del objeto. Los mejores microscopios ópticos dan una ampliación no mayor de 1200 veces (1200 X), mientras que un microscopio electrónico puede hacerlo hasta 250.000 veces o más. La otra característica fundamental es el poder de resolución o posibilidad de dar imágenes bien definidas de puntos adyacentes, mostrándolos como diferentes y separados. Es importante tener en cuenta que la función principal del microscopio no es tanto dar imágenes de mayor tamaño, sino permitir la observación de detalles finos de estructura. Ejemplo: los puntos A y B al aumento X1 dan las imágenes A1 y B1 (ver figura); al aumento mayor X2 existe mayor distancia entre las imágenes A2 y B2, pero las mismas se superponen y el ojo las ve como una sola; en el útlimo caso se hace imposible ver los dos puntos separados a pesar de que las imágenes son mayores. 11
    • El poder de resolución está inversamente vinculado con el límite de resolución que se define como la mínima distancia a la cual dos puntos pueden distinguirse como tales. El límite de resolución (LR) depende de la apertura numérica de las lentes del sistema óptico utilizado y de la longitud de onda de la luz. Cuanto más corta sea la longitud de onda, menor será el LR alcanzado y, por lo tanto, mayor será el poder de resolución del instrumento. LR = 0,61 siendo = longitud de onda de la luz AN Como la luz visible tiene una longitud de onda que va de 400 a 700 nm, podemos considerar el promedio de la luz blanca como 540 nm y teniendo en cuenta que la AN máxima de un objetivo de 100X es 1,4 el límite de resolución del microscopio óptico de campo claro es de 0,2 m. En términos prácticos, entre los objetos más pequeños discernibles en el microscopio óptico están las bacterias y las mitocondrias, con aproximadamente un ancho de 0,5 m. Estructuras celulares que estén por debajo de ese valor no pueden ser resultas por el microscopio óptico. ADAPTACIONES DEL MICROSCOPIO COMPUESTO La posibilidad de que algunos de los componentes celulares pudieran perderse o distorsionarse durante la preparación de los especímenes a observar siempre preocupó a los microscopistas. El único camino para evitar el problema es examinar a las células mientras están vivas, sin fijación ni congelamiento. Para este propósito son muy útiles ciertas modificaciones del microscopio óptico de campo claro: Microscopio de Fondo Oscuro Es una modificación del microscopio óptico compuesto, que se basa en la reflexión total de la luz. Se logra de manera sencilla observar algunas de las características de células no teñidas, utilizando la luz dispersada por sus diversos componentes. El microscopio de fondo oscuro tiene un condensador diferente al convencional, de forma que la luz se refleja totalmente, quedan do el campo totalmente oscuro. Un objeto, tal como una célula, colocado en ese campo dispersa la luz en todas direcciones; parte de esa luz dispersada es captada por el objetivo, que tiene un diafragma especial. Por lo tanto, la célula aparece como un objeto luminoso sobre un fondo negro. Microscopio de Contraste de Fases y de Contraste de Interferencia Diferencial de Nomarski Debido a su naturaleza ondulatoria, los rayos de luz no siguen exactamente la línea recta predicha por la óptica geométrica; por el contrario, las ondas luminosas que viajan a través de un sistema óptico pueden sumarse o interferirse. Si dos trenes de ondas que alcanzan un mismo punto por diferentes caminos están en fase, se refuerzan el uno al otro aumentando la luminosidad y se ve más brillante. Si los trenes de onda están desfasados, interfieren uno con el otro y se anulan total o parcialmente produciendo una onda de menor amplitud y, por lo tanto, de menor intensidad luminosa. Si una célula está coloreada, se distinguen sus partes por las diferencias de amplitud de las ondas de luz. En cambio, cuando la luz pasa a través de una célula viva casi no hay cambio de la amplitud de la onda de luz y no se pueden ver los detalles estructu rales; sin embargo, la fase de la onda luminosa cambia en función del índice de refracción de la estructura celular. El microscopio de contraste de fases y el microscopio de contraste de interferencia diferencial de Nomarski explotan los efectos de interferenc ia producidos cuando las dos ondas emergen del preparado. La luz que pasa a través de una parte relativamente gruesa o densa, como el núcleo, es retardada, por lo que su fase estará desviada con respecto a la de otra onda que pase a través de una secc ión 12
    • adyacente más delgada de citoplasma. Se genera así una imagen de la estructura celular, dada por zonas más brillantes (cuando dos ondas están en fase el resultado es una onda de mayor amplitud y en consecuencia más brillante) y otras más opacas (cuando dos ondas están desfasadas lo que trae como consecuencia que la zona se vea más opaca). Ambos tipos de microscopios se utilizan para resaltar las estructuras celulares sin tinción en sistemas celulares vivos. Estos tres últimos tipos de microscopios tienen la ventaja de permitir la observación de las células en acción y el estudio de los movimientos de las mismas en sus distintas etapas de vida, como el proceso de la mitosis o la migración celular. Uno de los hechos más sorprendentes que pueden evidenciarse es que las células vivas contienen numerosas estructuras internas que se mueven y cambian de forma y localización constantemente. Como estos movimientos pueden ser lentos se pueden seguir por microcinematografía, tomando fotografías sucesivas, separadas por breves períodos de Ahora todos los tipos de microscopía óptica pueden acoplarse con sistemas electrónicos de procesamiento de imágenes, es decir con cámaras de video y computadoras que analizan la imagen y la procesan, con lo que se mejora el contraste y se amplifica la sensibilidad. Microscopio de Fluorescencia Las moléculas fluorescentes absorben luz a una longitud de onda menor y emiten luz en una longitud de onda mayor (de menor energía); a veces absorben en el ultravioleta o violeta lejano y emiten en el visible. En Biología se usan colorantes fluorescentes como la fluoresceína que es excitada por la luz azul y emite luz amarillo-verdosa, o la rodamina que es excitada por luz verde-amarilla y emite fluorescencia roja y el DAPI6 que se excita con luz ultravioleta y emite en el azul. Estos colorantes se pueden unir covalentemente a una proteína, un ácido nucleico, u otras moléculas, que por lo tanto pueden ser detectadas en las células. Para la visualización de las moléculas fluorescentes se utiliza el microscopio de fluorescencia, que es un microscopio óptico que utiliza una fuente de luz potente, generalmente de longitud de onda más corta que la visible; puede usar lámpara de mercurio. Posee dos sistemas de filtros, el primero antes de la muestra (filtro de excitación), para que sobre ésta incida sólo la luz de longitud de onda que excita a los reactivos fluorescentes y el otro sistema de filtros, después de la muestra, que deja pasar solamente la longitud de onda de la luz emitida (filtro de emisión o de barrera). Por lo tanto, el componente teñido con el colorante fluorescente aparece brillante sobre un fondo oscuro. Se pueden emplear fluorocromos que emitan en otra longitud de onda como colorantes de fondo7. Esquema del camino que sigue la luz (camino óptico) de Se utilizan mucho los anticuerpos marcados con un un microscopio de fluorescencia convencional. Se fluorocromo, que permiten detectar las moléculas a las que se unen aprecia la ubicación de los filtros de excitación y de esos anticuerpos. Para identificar la localización subcelular por barrera. ejemplo de una proteína o un ADN específicos, las células se tiñen con un anticuerpo fluorescente dirigido contra ese componente y la localización de la fluorescencia se detecta mediante el examen con luz de longitud de onda apropiada. El desarrollo de las técnicas de biología molecular ha permitido elaborar sondas de ADN que posibilitan identificar a las secuencias complementarias tanto en células en metafase como en interfásicas. Esas sondas se marcan con un fluorocromo, o con un anticuerpo unido a un fluorocromo, con lo cual pueden visualizarse mediante un microscopio de fluorescencia. Estas técnicas de FISH (hibridación in situ por fluorescencia) se basan en la desnaturalización del ADN de la sonda por un lado y el de la muestra desconocida por otro. Luego se incuban juntos ambos, posibilitando la hibridación de la sonda marcada con el ADN complementario de la muestra. Luego de lavados para sacar el exceso de sonda, se puede teñir el resto del ADN con otro fluorocromo para evidenciar el contraste. Esta metodología permite identificar un determinado cromosoma usando una sonda de “pintado” de ese cromosoma, o identificar la ubicación de partes de un cromosoma, o localizar un gen específico. Otras técnicas utilizan proteínas naturales, como la proteína verde fluorescente (GFP) producida por una especie de medusa. Por técnicas de ADN recombinante se inserta el gen para la GFP dentro del gen de una determinada proteína, logrando que se visualice dicha proteína fusionada a GFP mientras desempeña su función en una célula viva. El 4'-6-diamidino-2-fenilindol (DAPI) forma complejos fluorescentes con el ADN, con gran especificidad para los pares de bases AT 6 y AU, incrementando notablemente la fluorescencia del ADN. En la dirección de internet http://www.cienciahoy.org/hoy64/tridimensional.htm puede consultarse un interesante artículo sobre 7 microscopía de fluorescencia (Ciencia Hoy, Vol. 11, Nº 64, agosto-septiembre de 2001) 13
    • Ahora se ha desarrollado un microscopio más avanzado, el microscopio de barrido confocal de fluorescencia o confocal . Utiliza un rayo láser y métodos electrónicos de procesamiento de la imagen que permiten enfocar un determinado plano de una muestra, eliminando la luz que proviene de otros planos, fuera de foco, superiores o inferiores a ése. Se obtiene una imagen nítida de cada plano y luego una computadora integra todos los planos, dando una imagen tridimensional. Este microscopio proporciona imágenes detalladas de secciones del interior de una estructura intacta, objetos tridimensionales complejos como las redes de fibras del citoesqueleto o la disposición de los cromosomas en el núcleo. PROCESAMIENTO DE MUESTRAS El examen mediato implica siempre la fijación que preserve la estructura celular y la coloración con determinadas sustancias químicas orgánicas que tiñe de forma específica y selectiva diferentes estructuras celulares. La mayor parte de los procedimientos para preparar y teñir las células también provoca la muerte de ésta. Una alternativa rápida y que evita el riesgo de artefactos es la congelación, aunque sus preparaciones no son permanentes y la estructura puede ser afectada por los cristales de hielo. Para poder colorear una célula es necesario efectuar previamente una fijación, de acuerdo al colorante que se vaya a utilizar y seguir una serie de pasos diferentes según se trate de un tejido blando o de un material lo suficientemente rígido como para ser cortado directamente. Puede implicar diversas etapas: fijación, inclusión, corte, desparafinización e hidratación y coloración.  Fijación La fijación es una operación destinada a conservar la estructura celular tanto como sea posible. La mayor parte de los procedimientos para preparar y teñir las células también provocan la muerte de ésta. Los fijadores establecen entrecruzamientos entre sus macromoléculas, de modo que queden en su posición original, y también hacen a las células permeables a los colorantes. El objeto de la fijación es, entonces, producir una precipitación o coagulación completa de las proteínas celulares, conservando el aspecto original. Hay fijadores físicos y químicos: entre los primeros se encuentran el frío y el calor. El frío endurece, pero no fija en el verdadero sentido, sólo suspende las alteraciones debidas a la necrosis. El calor seco se aplica solamente a frotis, con buenos resultados. Para realizar un frotis se coloca la muestra en un portaobjetos y con el borde de otro portaobjetos colocado en forma oblicua se extiende la muestra hasta casi el final. Entre los fijadores químicos pueden citarse los ácidos minerales (ácido crómico, ácido ósmico, etc.), los ácidos orgánicos (ácido acético, ácido pícrico, etc. ), las sales metálicas de metales pesados: (bicromatos, cloruro mercúrico, etc.) y los solventes orgánicos (alcohol etílico, metanol, formol, acetona, etc.). Actualmente los fijadores más usados son formaldehído y glutaraldehído, que forman enlaces covalentes con los grupos aminos libres de las proteínas. Inclusión  Por lo general el material fijado debe ser cortado a fin de darle espesor adecuado (unos pocos micrones) que permita su observación al microscopio. Con excepción de algunos materiales de origen vegetal, que por sí ya presentan una consistencia adecuada, el resto deberá ser endurecido transitoriamente para que resista la manipulación del corte sin alteraciones. Por consiguiente, la inclusión tiene por finalidad encerrar el objeto en una masa plástica, que lo penetre íntimamente hasta la profundidad de los elementos celulares más delicados. Para la microscopía óptica en general se emplea la parafina (mezcla de hidrocarburos saturados y no saturados, de punto de fusión entre 35 y 65 ºC). Como la parafina es insoluble en agua y alcohol, para realizar la impregnación de una pieza es necesario deshidratarla con alcohol y penetrarla luego con una sustancia que actúe como intermediaria entre ésta y la parafina, de acuerdo a los siguientes pasos: Deshidratación: con alcohol de graduación creciente (hasta 100º) Impregnación por un disolvente de la parafina: tolueno o xilol Impregnación por parafina Inclusión definitiva. El material se retira del último baño de parafina y se traslada a un molde lleno con parafina fundida, que se deja enfriar. Si es necesario se orienta la pieza con una aguja, sosteniéndola hasta que la parafina se endurezca. Queda un bloque de parafina encerrando al tejido y se suele pegar a un taco de madera para sostenerlo. Corte  Para efectuar cortes histológicos, se utiliza un micrótomo. Existen distintos tipos de micrótomos: el micrótomo de mano consiste en un pequeño aparato que permite sostener el material en un cilindro prensor, en cuya parte superior existe una platina sobre la cual se hace deslizar la navaja. Se emplea en histología vegetal. En el micrótomo automático (micrótomo de Minot) se realizan cortes del bloque o taco de parafina que contiene el tejido y se adhieren a la superficie de portaobjetos limpios. Desparafinización e hidratación  14
    • En los casos en que se han realizado tacos de parafina para incluir el material, para poder colorearlo es necesario quitarle la parafina y rehidratarlo. Para ello se sigue el camino inverso a la deshidratación: se van sumergiendo los portas con cortes en líquidos intermedios que disolverán la parafina y luego en alcoholes de graduación decreciente, comenzando con el alcohol absoluto, hasta sumergirlo finalmente en agua. Coloración Como último paso del examen se procede a colorear el material, eligiendo el colorante o la combinación de colorantes que sean adecuados para los componentes celulares que se desee observar y teniendo en cuenta el fijador que fue usado en el primer paso. La coloración es la propiedad que poseen ciertas sustancias de ejercer una absorción selectiva sobre la luz. Dicho de otra manera, un cuerpo se ve coloreado porque transmite las radiaciones complementarias de aquellas que absorben. La constitución química determina la naturaleza de la absorción. Los colorantes pueden ser clasificados tanto desde un punto de vista químico como histológico. En el primer caso se agrupan de acuerdo a su constitución; en el segundo se los clasifica en: colorantes naturales, extraídos de animales y vegetales (tales como carmín, hematoxilina y orceína) y colorantes artificiales. Desde el punto de vista químico se conocen dos tipos de colorantes según su afinidad por las distintas partes celulares o por los grupos moleculares particulares que ellas contienen: colorantes nucleares o básicos, en los que el componente coloreado activo es una base coloreada, y colorantes citoplasmáticos o ácidos, caracterizados por un ácido coloreado. Es muy raro que se utilicen los ácidos o las bases libres, porque son muy poco solubles. De allí que, en general, los colorantes básicos son sales de bases coloreadas y un ácido incoloro (por ejemplo azul de metileno). En los colorantes ácidos ocurre lo contrario: así, en la eosina el colorante es el ácido eosínico. Otros autores distinguen además los colorantes neutros, en los cuales el ácido y la base están coloreados; tal es el caso del eosinato de azul de metileno que es muy usado en hematología. MICROSCOPIOS ELECTRÓNICOS Microscopio electrónico de transmisión Las células y sus componentes son tan pequeños que los microscopios ópticos sólo pueden distinguir la estructura de las células. La ultraestructura se estudia mediante microscopios electrónicos. Mientras que el mejor microscopio óptico tiene un poder de resolución 500 veces mayor al del ojo humano, el del microscopio electrónico es 10.000 veces mayor. Esto se logró con el uso de haces de electrones, cuya longitud de onda disminuye a medida que aumenta su velocidad. El límite de resolución real de los microscopios electrónicos actuales es, en el mejor de los casos, de 0,1 nm, pero, por los problemas de preparación de la muestra y de aberraciones de las bobinas electrónicas que funcionan como lentes, se alcanza un límite de 2 nm cuando se examinan moléculas aisladas, como proteínas o ADN. El microscopio electrónico de transmisión (TEM, Transmission electron microscope) en su diseño general, es similar a uno óptico. Consta de un filamento o cátodo, que emite electrones, situado en la parte superior de un cilindro de unos 2 metros de altura en el que se produce vacío para evitar que los electrones sean dispersados por las moléculas del aire. El haz de electrones es enfocado por bobinas magnéticas, de manera similar a la forma en que la luz es refractada por los lentes de un microscopio óptico. La imagen formada por el microscopio electrónico no puede observarse directamente, sino que es recogida por una placa fotográfica o una pantalla fluorescente.Para llevar a cabo estudios de microscopía de transmisión electrónica, dado que el espécimen está expuesto a muy alto vacío, los tejidos son usualmente fijados primero con glutaraldehído, que provoca el entrecruzamiento entre moléculas de proteínas vecinas y luego con tetróxido de osmio (OsO4), que estabiliza las bicapas lipídicas y las proteínas. Dado que los electrones tienen muy bajo poder penetrante se deben preparar secciones extraordinariamente finas (50 a 100 nm de espesor, alrededor de 1/200 del espesor de una célula normal). Esto se logra deshidratando el espécimen e impregnándolo con una resina polimérica que forma un block de plástico. Este block es cortado luego con una cuchilla ultrafina de vidrio o diamante en un ultramicrótomo. Se hacen secciones seriadas y se montan en una rejilla metálica circular. Para ser visualizadas en el microscopio electrónico, las muestras biológicas compuestas de átomos de bajo peso atómico, tienen que ser contrastadas con sales de metales pesados, tales como Os, U o Pb, que actúan dando imágenes de diferente intensidad de “teñido”. El haz electrónico se hace pasar a través de la muestra; algunos electrones son dispersados por las estructuras contrastadas con el material electrodenso, mientras que el resto de los electrones es enfocado sobre una placa fotográfica o una 15
    • pantalla fluorescente. Como los electrones dispersados no inciden sobre la placa, las regiones densas aparecen como áreas de bajo flujo de electrones y por lo tanto negras, sobre las regiones claras de las zonas atravesadas por los electrones. Las fotografías de microscopía electrónica representan sólo un delgado corte transversal de la célula; para reconstruir de algún modo la imagen tridimensional del interior de la célula es necesario estudiar muchas imágenes de cortes consecutivos (llamados cortes seriados) a través de la misma. Microscopio electrónico de barrido En otra variedad de microscopía electrónica se logra obtener imágenes tridimensionales. El microscopio electrónico de barrido (SEM, scanning electron microscope) utiliza los electrones dispersados o emitidos a partir de la superficie de la muestra; a diferencia del de transmisión que recoge los electrones que han atravesado la muestra. Es más pequeño y sencillo que el de transmisión. La muestra se fija, se seca y se recubre con una película delgada de un metal pesado, por ej. oro. A continuació n la muestra es barrida por un haz focalizado de electrones; cuando el haz choca contra varios puntos en la superficie de la muestra, se emite un haz de electrones secundario que se mueve sincrónicamente con el primario y cuya intensidad de emisión varía con el contorno de la superficie. Los patrones de emisión de los electrones secundarios se registran sobre una pantalla y dan lugar a una imagen tridimensional de la superficie de la muestra, con puntos brillantes y sombras oscuras. Este tipo especial de micrografía proporciona información respecto a la forma y a las características externas de la muestra, con gran profundidad de foco, que no pueden obtenerse mediante microscopía de transmisión electrónica. La resolución alcanzada no es muy elevada, el límite de resolución puede variar de 3 a 20 nm según el aparato, con un aumento efectivo de hasta 20.000 veces; por lo tanto, se utiliza en general para estudiar células enteras o tejidos y no partes de la célula. Otras técnicas de microscopía electrónica Existen técnicas de microscopía electrónica que proporcionan información de otros aspectos de la ultraestructura celular. La criofractura permite visualizar el interior de las membranas, congelando las células con N 2 líquido en presencia de un anticongelante para evitar la distorsión por los cristales de hielo y luego se corta según un plano que atraviese la bicapa lipídica. Las caras de fractura se metalizan con platino y al microscopio electrónico se visualizan las proteínas transmembrana como pequeñas protuberancias. El grabado por congelación implica la congelación, fractura y luego descongelamiento de la superficie por sublimación del agua en el vacío y luego las zonas de la célula expuestas son sombreadas con un metal. Permite revelar la organización tridimensional de las estructuras del interior celular. También por microscopía electrónica se puede visualizar la forma de las macromoléculas aisladas si previamente se las sombrea con un metal pesado que da una imagen con apariencia tridimensional; para el caso de muestras gruesas se puede eliminar el material orgánico y queda la réplica metálica de la superficie de la muestra. Usando una combinación de métodos de computación, imágenes múltiples y vistas desde diferentes direcciones se pueden producir reconstrucciones detalladas de macromoléculas y de complejos moleculares con una técnica conocida como tomografía en microscopía electrónica. Así se ha determinado con alta resolución la estructura tridimensional de virus y de los ribosomas. FRACCIONAMIENTO CELULAR Si bien mediante la microscopía se puede determinar la disposición de los organelos y de los grandes agregados macromoleculares en las células y tejidos, muchos estudios bioquímicos requieren la obtención aislada de aquellas estructuras. Es así como surge el fraccionamiento celular, procedimiento que permite la separación de organelos y macromoléculas por ultracentrifugación. Para ello las células de una población purificada debe disgregarse en forma cuidadosa y controlada, ya sea por shock osmótico controlado, ultrasonido, haciéndolas pasar a través de un pequeño orificio o moliéndolas. Estos tratamientos rompen las membranas plasmáticas y otras membranas, pero dejan intactos los núcleos y la mayoría de los organelos. Luego la mezcla del homogenato se somete a centrifugación por rotación en una ultracentrífuga. Cuanto mayor sea el número de revoluciones por minuto, mayor será la fuerza centrífuga ejercida. Esto permite separar los diversos componentes celulares mediante centrifugación diferencial; de acuerdo a sus tamaños y densidades sedimentarán a diferentes velocidades. En un primer paso, a una velocidad relativamente baja, sedimentarán células enteras, núcleos, restos de membranas y los componentes del citoesqueleto. Sometiendo a mayor velocidad al sobrenadante, se obtiene un “pellet” (sedimento) con la fracción que contiene mitocondrias, lisosomas y, peroxisomas. A una velocidad alta y con mayor tiempo de centrifugación se separa la fracción que contiene las vesículas membranosas del retículo endoplásmico, llamadas microsomas, y otras vesículas pequeñas. Finalmente a muy alta velocidad y después de largo tiempo de centrifugación se obtienen ribosomas y grandes macromoléculas; quedando un sobrenadante que contiene otras biomoléculas, como por ej. proteínas solubles. La obtención de estas estructuras aisladas tiene fundamentalmente por objeto estudios bioquímicos relacionados con ellas, como por ejemplo estudiar la respiración celular, alguna vía metabólica que ocurra en la fracción microsomal, etc. La centrifugación diferencial permite obtener un fraccionamiento inicial del contenido celular, que luego puede purificarse con más precisión mediante una centrifugación isopícnica o en gradiente de densidad. En este método se coloca en un tubo de ultracentrífuga una sustancia, tal como sacarosa o cloruro de cesio, en un gradiente de densidad, preparado con un aparato especial de mezclado (un formador de gradientes), de forma que la densidad aumenta desde la superficie hasta el fondo. Cuando se coloca una mezcla de componentes celulares sobre este gradiente de densidad y se centrifuga a alta velocidad, los distintos tipos de componente se 16
    • separan en distintas bandas en las regiones del gradiente con igual densidad. Las fracciones celulares purificadas se recuperan con sólo punzar la base del tubo para recolectar las muestras. La velocidad a la que sedimenta cada uno de los componentes depende fundamentalmente de su tamaño y de su forma, y suele expresarse como coeficiente de sedimentación S. Actualmente las ultracentrífugas pueden alcanzar velocidades superiores a 80.000 rpm y producir fuerzas de más de 500.000 veces la de la gravedad; así se pueden separar entre sí en función de su tamaño incluso las macromoléculas pequeñas como los ARNt y las enzimas sencillas. ORGANIZACIÓN DE LA VIDA Niveles de organización biológica El nivel químico es el nivel de organización más simple. Este nivel abarca las partículas básicas de toda la materia, los átomos, y sus combinaciones llamadas moléculas. La asociación de moléculas pequeñas en estructuras más grandes da lugar a macromoléculas, tales como las proteínas (formadas por la asociación de aminoácidos), los polisacáridos (que resultan de la unión de muchas moléculas de monosacáridos o azúcares) y los ácidos nucleicos (que se forman por condensación de nucleótidos, que a su vez están constituidos por una base nitrogenada, un azúcar y ácido fosfórico). En algunos casos macromoléculas iguales o distintas se asocian en estructuras denominadas supramacromoleculares, como ocurre en los ribosomas que están constituidos por ARN y proteínas. A nivel celular se observa que hay muchas moléculas diversas que pueden asociarse entre sí hasta obtenerse estructuras complejas, y altamente especializadas, a las que se denomina organelos u orgánulos. La membrana celular que rodea a la célula y el núcleo que contiene el material hereditario son ejemplos de organelos. La célula en sí es la unidad básica estructural y funcional de la vida. Cada célula está formada por una cantidad discreta de citoplasma, rodeado por una membrana celular. Los organelos están aparentemente suspendidos en el citoplasma, pero como veremos su posición depende de la actividad de una complicada malla de diferentes tipos de proteínas que constituyen el citoesqueleto. El siguiente nivel de organización, a menudo llamado nivel orgánico, se evidencia en los organismos pluricelulares complejos, donde las células de igual o distinto tipo se agrupan para formar tejidos, como el tejido muscular y el nervioso en los animales, o el tejido de transporte o de secreción en las plantas. Los tejidos, a su vez, están organizados en estructuras funcionales llamadas órganos, como el corazón y el estómago en los animales, o la hoja, el tallo o la raíz, en las plantas. En los animales, cada grupo de funciones biológicas es realizado por un conjunto coordinado de tejidos y órganos llamado aparato o sistema orgánico. El sistema circulatorio y el aparato digestivo son ejemplo de este nivel de organización. Al funcionar juntos, con gran precisión, los sistemas y aparatos orgánicos integran el organismo pluricelular complejo, que definen al individuo. El conjunto de individuos semejantes entre sí, parecidos en sus caracteres estructurales y funcionales, que en la naturaleza pueden entrecruzarse libremente y producir descendientes fértiles, definen a una especie. Finalmente, los organismos interactúan entre sí y originan niveles de organización biológica aun más complejos, como el nivel ecológico. Todos los miembros de una especie que ocupan la misma área geográfica al mismo tiempo forman una población. El ambiente ocupado por un organismo o población es su hábitat. Las poblaciones de organismos que viven en una región determinada y que interactúan entre sí al mismo tiempo, constituyen una comunidad. Así, en una comunidad pueden reunirse centenares de tipos diferentes de formas de vida. La ciencia que estudia la manera en que los organismos de una comunidad se relacionan entre sí y con su medio abiótico recibe el nombre de Ecología. Una comunidad, junto con su medio abiótico, se denomina ecosistema. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Como todo lo que existe en nuestro planeta, los seres vivos están compuestos por átomos y moléculas. En los seres vivos estos elementos básicos están organizados de una manera muy específica; además, los átomos y las moléculas también interactúan unos con otros en una forma muy precisa, de manera que mantienen el flujo de energía necesario para la vida. Gran parte de la Biología moderna se apoya en la Biología Molecular: esto es, la química y física de las moléculas que constituyen los seres vivos. A medida que los biólogos moleculares descubren nuevos datos acerca de las moléculas biológicamente importantes, de las reacciones metabólicas y del mecanismo molecular de transmisión de la información genética, nuestro entendimiento de los organismos vivos se va incrementando en forma notable. Como consecuencia de ello han surgido dos generalizaciones importantes: 1. A pesar de la biodiversidad, la composición química y los procesos metabólicos de todos los seres vivos son notablemente similares. Esto explica por qué gran parte de lo que los biólogos aprenden estudiando bacterias o ratones en los laboratorios puede aplicarse a otros organismos, incluyendo al ser humano. 2. Los principios físicos y químicos que rigen a los sistemas vivos son los mismos que rigen a los sistemas abióticos (no vivos). 17
    • BIOELEMENTOS Alrededor del 98% de la masa de un organismo está formada por sólo seis elementos: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, calcio y fósforo. Hay unos 14 elementos más que se presentan de manera constante en los seres vivos, aunque en cantidades reducidas, por lo que habitualmente se los denomina oligoelementos (oligos = reducido) debido a que están presentes en cantidades diminutas. En los cuadros 2.1. y 2.2. se presenta una lista de los elementos que se encuentran en el cuerpo humano, mencionando la importancia de cada uno 8. Cuadro 2.1. Elementos mayores presentes en el cuerpo humano Nombre masa % Importancia o función Oxígeno 65 Necesario para la respiración celular; presente en casi todos los compuestos orgánicos; forma parte del agua Carbono 18 Constituye el esqueleto de las moléculas orgánicas; puede formar cuatro enlaces con otros tantos átomos Hidrógeno 10 Presente en la mayoría de los compuestos orgánicos; forma parte del agua Nitrógeno 3 Componente de todas las proteínas y ácidos nucleicos y de algunos lípidos Calcio 1,5 Componente estructural de los huesos y dientes; importante en la contracción muscular, conducción de impulsos nerviosos y coagulación de la sangre Fósforo 1 Componente de los ácidos nucleicos; componente estructural del hueso; importante en la transferencia de energía. Integra los fosfolípidos de la membrana celular. Cuadro 2.2. Principales Oligoelementos presentes en el cuerpo humano Potasio 0.4 Principal ion positivo (catión) del interior de las células; importante en el funcionamiento nervioso; afecta a la contracción muscular Azufre 0,3 Componente de la mayoría de las proteínas Sodio 0,2 Principal ion positivo del líquido intersticial (tisular); importante en el equilibrio hídrico del cuerpo; esencial para la conducción de impulsos nerviosos Magnesio 0,1 Necesario para la sangre y los tejidos del cuerpo; forma parte de muchas enzimas Cloro 0,1 Principal ion negativo (anión) del líquido intersticial; importante en el equilibrio hídrico Hierro trazas Componente de la hemoglobina y mioglobina; forma parte de ciertas enzimas Yodo trazas Componente de las hormonas tiroideas EL AGUA Y SUS PROPIEDADES Una gran parte de la masa de casi todos los organismos es simplemente agua. Cerca de 70% del peso total del cuerpo está formado por agua 9, y alcanza hasta 95% en una medusa o en ciertas plantas. En los tejidos humanos el porcentaje de agua es variable: desde un 20% en los huesos hasta el 85% en las células cerebrales. El contenido de agua es mucho mayor en las células embrionarias y juveniles, y disminuye con el envejecimiento. El agua no sólo es el principal componente de los organismos, sino también uno de los factores ambientales más importantes que los afectan. Muchos organismos viven en el mar o en los ríos, lagos y lagunas de agua dulce. Las propiedades físicas y químicas del agua han permitido a los seres vivos aparecer, sobrevivir y evolucionar en este planeta. El agua disuelve muchos tipos diferentes de compuestos en grandes cantidades. Debido a sus propiedades como solvente (disolvente) y a la tendencia de los átomos de ciertos compuestos de formar iones al estar en solución, desempeña un cometido importante al facilitar las reacciones químicas. El agua disuelve a las sales como el cloruro de sodio mediante hidratación y estabilización de los iones Cl y Na+, como consecuencia de la reducción de las interacciones iónicas que existen entre ellos. Los valores pueden sufrir algunas modificaciones en el caso de otros organismos. En los vegetales (sin sistema óseo ni nervioso y 8 carentes de sangre) el calcio reduce su importancia relativa. Dado que la relación O:H en peso en el agua es 8:1, el 70% del peso de agua corresponde a un 62,2% de oxígeno y a un 7,8% de hidrógeno, lo que explica los 9 porcentajes volcados en el cuadro 1, que indica que el oxígeno es el elemento más abundante en peso (65%) y que el hidrógeno contribuye con un 10%. 18
    • Las biomoléculas no cargadas pero polares como los azúcares se disuelven fácilmente en agua debido al efecto estabilizador de los muchos puentes de hidrógeno que se forman entre los grupos hidroxilo o el oxígeno carbonílico del azúcar y las moléculas polares del agua. En ambos casos se forma una capa de hidratación, que impide que las moléculas o los iones se asocien. Las moléculas que se disuelven en agua de esta manera se dicen solubles en agua; son moléculas hidrofílicas. Las moléculas no polares, como los aceites, son no solubles en agua, son moléculas hidrofóbicas. En sí misma, el agua es un reactivo o producto de muchas reacciones químicas que ocurren en los tejidos vivos. Como ya hemos visto, actúa como reactivo en el proceso de fotosíntesis y es uno de los productos en la reacción general de la respiración. También es la fuente del oxígeno del aire (como consecuencia de la fotosíntesis que realizan las plantas) y sus átomos de hidrógeno se incorporan a muchos de los compuestos orgánicos presentes en los cuerpos de los seres vivos. Por otra parte el agua se produce en todas las reacciones de condensación que dan lugar a las macromoléculas más importantes (polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos) y como reactivo interviene en las reacciones opuestas de hidrólisis que catalizan los distintos tipos de hidrolasas (enzimas hidrolíticas) y que dan como resultado la producción de monosacáridos, aminoácidos y nucleótidos, respectivamente. También el agua es un lubricante de importancia. Se la halla en los líquidos del cuerpo dondequiera que un órgano se frote contra otro, así como en las articulaciones de los huesos. Fuerzas de cohesión y adhesión El agua manifiesta los fenómenos de cohesión y adhesión. Sus moléculas presentan una fuerte tendencia a unirse entre sí (cohesión), debido a la presencia de puentes de hidrógeno 10 entre ellas. Dichas moléculas también se adhieren a otras sustancias (p. ej. aquellas sustancias que tienen en su superficie grupos de átomos o moléculas cargados). Estas fuerzas de adhesión explican por qué el agua moja algunas cosas. Las fuerzas de adhesión y cohesión explican la tendencia del agua a ascender por los tubos de vidrio de calibre muy pequeño (tubos capilares), fenómeno que recibe el nombre de capilaridad. Las fuerzas de adhesión atraen las moléculas de agua hacia los grupos cargados presentes en las superficies del tubo. Luego, otras moléculas presentes en el interior del tubo son quot;arrastradasquot; por las fuerzas de cohesión (los puentes de hidrógeno que hay entre las moléculas del agua). En tubos de mayor diámetro hay un menor porcentaje de moléculas de agua adheridas al vidrio en relación al número de moléculas de agua que hay en la superficie, por lo cual las fuerzas de adhesión no son suficientemente fuertes como para contrarrestar las fuerzas de cohesión del agua que está por debajo del nivel de la superficie del recipiente, de modo que el agua en el interior del tubo se eleva sólo un poco. El agua también se mueve en los espacios microscópicos que hay entre las partículas del suelo, de modo que llega hasta las raíces de las plantas por capilaridad; este mismo fenómeno contribuye al ascenso del agua por los tallos de las plantas hasta llegar a las hojas. El agua tiene un alto grado de tensión superficial (algunos objetos flotan sobre su superficie) debido a la cohesión de sus moléculas, ya que éstas se atraen entre sí con mayor fuerza que las moléculas del aire. De este modo, las moléculas de ag ua de la superficie libre se agrupan, produciendo una capa debido a la atracción que ejercen sobre ellas otras moléculas de agua situadas por debajo. Este hecho es importante en el caso de las plantas acuáticas y en el desarrollo de las larvas de algunos insectos. Estabilización de la temperatura El agua tiene elevado calor específico; la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 C es 1 caloría. El alto calor específico del agua es el resultado de la presencia de puentes de hidrógeno entre sus moléculas . El aumento de la temperatura de una sustancia implica la incorporación de energía calorífica para hacer que sus moléculas se muevan más aprisa, con lo que aumenta la energía cinética de las mismas. Algunos de los puentes de hidrógeno que mantienen juntas a las moléculas del agua deben romperse antes de que las moléculas puedan moverse libremente. La mayor parte de la energía incorporada al sistema se utiliza en la ruptura de los puentes de hidrógeno, de modo que sólo una parte de dicha ener gía calorífica queda disponible para acelerar el movimiento de las moléculas (es decir, para incrementar la temperatura del agua). 10 El puente de hidrógeno es un enlace que se establece entre moléculas capaces de generar cargas parciales. Es en el agua donde los puentes de hidrógeno son más efectivos, ya que los electrones que intervienen en sus enlaces están más cerca del oxígeno que de los hidrógenos y por esto se generan dos cargas parciales negativas en el extremo donde está el oxígeno y dos cargas parciales positivas en el extremo donde se encuentran los hidrógenos. La presencia de cargas parciales positivas y negativas hace que las moléculas de agua se comporten como imanes en los que las partes con carga parcial positiva atraen a las partes con cargas parciales negativas. De tal suerte que una sola molécula de agua puede unirse a otras 4 moléculas de agua a través de 4 puentes de hidrógeno. Esta característica es la que hace al agua un líquido muy especial. 19
    • Cuando el agua líquida se solidifica y forma hielo, se libera una gran cantidad de calor en el ambiente. Debido a que se necesita una gran pérdida o un gran aporte de calor para reducir o elevar la temperatura del agua, los océanos y otros grandes cuerpos de agua tienen temperatura más o menos constante. Así, muchos de los organismos que viven en los océanos cuentan con un medio cuya temperatura es bastante uniforme. El alto contenido de agua de las plantas y animales que habitan en tierra les ayuda a mantener una temperatura interna constante. La velocidad de las reacciones químicas resulta muy afectada por la temperatura, ya que en general se duplica por cada aumento de 10 °C. Las reacciones de importancia biológica sólo ocurren entre límites muy estrechos de temperatura, y el agua ayuda a minimizar las fluctuaciones de temperatura. Puesto que sus moléculas se mantienen unidas por puentes de hidrógeno, el agua tiene un elevado calor de vaporización. Debido a que el agua absorbe calor al cambiar del estado líquido al gaseoso, el cuerpo humano puede disipar el exceso de calor por la evaporación del sudor, y una hoja se mantiene fresca, en presencia de una luz intensa, evaporando agua en su superficie. La capacidad que tiene el agua de conducir rápidamente el calor hace posible la distribución uniforme del calor a lo largo de un cuerpo. Sus propiedades son esenciales para estabilizar la temperatura en la Tierra. Su cantidad en la superficie de la Tierra es enorme; esta gran masa resiste tanto el efecto de la elevación de la temperatura como el de la disminución de ésta. Densidad del agua Los puentes de hidrógeno contribuyen con otra importante propiedad del agua. Mientras que la mayor parte de las sustancias aumentan su densidad conforme disminuye su temperatura, el agua alcanza su mayor densidad a los 4°C y luego, cuando la temperatura disminuye aún más, comienza a expandirse nuevamente (haciéndose menos densa). El agua se expande al tiempo que se solidifica porque los puentes de hidrógeno en las moléculas de agua del enrejado cristalino mantienen a estas moléculas lo suficientemente separadas como para dar al hielo una densidad 10 % menor que la densidad del agua. Como resultado de esto, el agua sólida o hielo flota dentro del agua fría, que es más densa. Cuando el hielo se ha calentado lo suficiente como para aumentar su temperatura por arriba de 0°C, los puentes de hidrógeno se rompen y las moléculas de agua tienen libertad para acercarse unas a otras. La densidad del agua alcanza su punto más alto a los 4°C, temperatura por arriba de la cual comienza a expandirse nuevamente mientras la velocidad de sus moléculas aumenta. Esta propiedad excepcional del agua ha sido el factor más importante en la aparición, supervivencia y evolución de la vida en la Tierra. Si el hielo tuviera una densidad mayor a la del agua se hundiría y al final todas las lagunas, lagos e incluso los océanos se congelarían desde el fondo hasta la superficie haciendo imposible la vida. Cuando un cuerpo de aguas profundas se enfría, se forma en su superficie una capa de hielo flotante. El hielo aísla el agua líquida que se encuentra por debajo de él, evitando así el congelamiento de ésta y permitiendo que una gran variedad de animales y plantas sobrevivan por debajo de la superficie de hielo. SALES Las células y los líquidos extracelulares de las plantas y animales (como la savia y la sangre) contienen una variedad de sales disueltas, entre las que se incluyen muchos iones minerales de importancia. Tales iones son esenciales tanto para el equilibrio hídrico, regulando la presión osmótica, como para el equilibrio ácido-base y, en el caso de los animales, para el funcionamiento de nervios y músculos, la coagulación de la sangre, la formación de huesos y muchos otros aspectos del funcionamiento del cuerpo. Sodio, potasio, calcio y magnesio son los principales cationes presentes, mientras que cloruros, bicarbonato (HCO3-), fosfato (PO43-) y sulfato (SO42-) son aniones importantes (cuadro 2-3). Los líquidos del cuerpo de los animales terrestres difieren considerablemente del agua marina en lo que se refiere al contenido total de sales. Sin embargo, se parecen al agua de mar en el tipo de sales presentes y en su abundancia relativa. La concentración total de sales en los líquidos del cuerpo de la mayoría de los animales invertebrados marinos es equivalente a la del agua de mar, de aproximadamente 3,4%. Los vertebrados, sean terrestres, dulceacuícolas o marinos, tienen menos de 1% d e sal en los Iíquidos de su cuerpo. La mayoría de los biólogos creen que la vida surgió originalmente en el mar. Las células de esos primeros organismos se adaptaron y funcionaron de manera óptima en presencia de ese conjunto de sales. Conforme fueron apareciendo animales de mayor tamaño y se originaron los líquidos del cuerpo, esa combinación de sales se conservó, incluso a pesar de que algunos de los descendientes de los animales primigenios emigraron hacia el agua dulce y la tierra. Algunos animales adquirieron evolutivamente riñones y otros órganos, como las glándulas de sal, que retienen selectivamente ciertos iones y secretan otros, de modo que l os líquidos del cuerpo adquirieron concentraciones de sales un tanto diferentes. La concentración de cada ion está determinada por las velocidades relativas de absorción y excreción por parte del organismo. Aunque es pequeña la concentración de sales en las células y los líquidos del cuerpo de las plantas y animales, dicha cantidad es de gran importancia para el funcionamiento normal de las células. Las concentraciones de los cationes y aniones respectivos permanecen notablemente constantes en condiciones normales. Cualquier cambio significativo da por resultado un trastorno de las funciones celulares y, en última instancia, la muerte. Sales insolubles Ciertos compuestos inorgánicos, por ser poco solubles o por estar en grandes concentraciones, pueden acumularse dentro de las células formando cristales o pueden secretarse al exterior. Por ejemplo, los huesos están constituidos por depósitos de fosfato tricálcico; algunos vegetales contienen en sus células cristales de oxalato o carbonato de calcio; en las paredes de las células vegetales hay pectatos de calcio. 20
    • Iones combinados con moléculas orgánicas Algunos iones pueden hallarse combinados con proteínas, lípidos, glúcidos y otras moléculas. Por ej., Fe ++ en la hemoglobina y la mioglobina; Fe++ o Fe+++, en los citocromos; el Mg++ en la clorofila; Cu++ en la hemocianina; muchas enzimas requieren estar unidas a iones Mg++, Ca++, Zn++, Mn++, Cu++. COMPUESTOS ORGÁNICOS La mayor parte de los compuestos químicos presentes en los seres vivos contienen esqueletos de carbono unidos por enlaces covalentes. Estas moléculas se denominan compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos constituyen el principal componente estructural de células y tejidos; participan en infinidad de reacciones metabólicas y proveen energía para los procesos de la vida. Las propiedades poco comunes del carbono permiten la formación de moléculas grandes y complejas, esenciales para la vida: un átomo de carbono puede formar cuatro enlaces covalentes simples con otros átomos, incluyendo otros átomos de carbono. Dos átomos de carbono pueden compartir, uno con otro, dos pares de electrones, formando enlaces dobles ( C C ). En algunos compuestos se pueden formar triples enlaces ( C C ). En un gran número de compuestos el eje o esqueleto principal está formado por átomos de carbono; se pueden formar grandes cadenas carbonadas. Las cadenas de carbono pueden ser ramificadas o no ramificadas. Los átomos de carbono también se unen en forma de anillo, dando estructuras cíclicas. En algunos compuestos hay estructuras cíclicas y cadenas. Los compuestos orgánicos constituidos por carbono e hidrógeno solamente se llaman hidrocarburos. Aunque estos compuestos no son muy frecuentes en los seres vivos, los combustibles derivados de materiales fósiles son hidrocarburos, provenientes de compuestos orgánicos de especies que vivieron y murieron hace millones de años. GRUPOS FUNCIONALES El esqueleto de los compuestos orgánicos, constituido por cadenas hidrocarbonadas, no interactúa fácilmente con otros compuestos. Sin embargo, como los átomos de C se unen también con facilidad a O, N y S, uno o más de los átomos de hidrógeno ligados al esqueleto de carbono pueden ser sustituido por otros grupos de átomos con propiedades químicas particulares y definidas; son los denominados grupos funcionales. Un grupo funcional es un átomo o grupo de átomos que caracteriza una clase de compuestos orgánicos y determina sus propiedades. Los grupos funcionales pueden establecer distintos tipos de uniones con otras moléculas, tales como enlaces covalentes (ésteres, éteres, amidas, etc.), o enlaces débiles: iónicos, puentes de hidrógeno, interacciones de van der Waals, o interacciones hidrofóbicas. De este modo, los grupos funcionales determinan los tipos de reacciones químicas en los cuales interviene el compuesto. Cada clase de compuesto orgánico se caracteriza por la presencia de uno o más grupos funcionales específicos. Por ejemplo, los alcoholes contienen grupos funcionales llamados radicales hidroxilo. Otro grupo funcional importante es el carbonilo, que resulta de una doble unión entre el carbono y el oxígeno; si el carbonilo está ubicado en un carbono primario (extremo de la cadena carbonada) el grupo funcional es un aldehído, en tanto que si está unido a un carbono secundario (en mitad de una cadena carbonada) el grupo funcional es una cetona. Otro grupo importante es el grupo carboxilo (ácido), donde el carbono está unido simultáneamente a un oxígeno por una doble unión y a un hidroxilo. La reacción entre un grupo carboxilo (ácido) y un grupo hidroxilo (alcohólico) con pérdida de agua generan un éster. El nitrógeno también puede estar unido a un carbono y en ese caso forma un grupo amino; la reacción entre un grupo carboxilo y un grupo amino con pérdida de una molécula de agua origina una amida. Otros grupos funcionales son el sulfhidrilo y el fosforilo Hidroxilo R1 CH2 OH Carbonilo R1 CH2 C H Carbonilo R1 CH2 C CH2 R2 (aldehído) (cetona) O O Carboxilo R1 CH2 C OH Éster R1 CH2 C O CH2 R2 (ácido) O O Amino R1 CH2 NH2 Amida R1 CH2 C NH CH2 R2 O Grupos funcionales. El símbolo R representa el resto de la molécula de la cual forma parte el grupo funcional. Una propiedad importante de los grupos funcionales en las moléculas biológicas es su solubilidad en agua. Tanto los grupos funcionales con carga positiva, como el grupo amino que se protona dando NH3 , como los cargados negativamente, 21
    • como el grupo ácido que se disocia en H y carboxilato COO , facilitan la solubilidad en agua, ya que se asocian con fuerza a las moléculas polares de ésta. Los compuestos que contienen grupos funcionales polares sin carga tienden a ser solubles en agua debido a que los grupos polares atraen a las moléculas de agua, con las que forman puentes de hidrógeno. Los grupos funcionales que son polares interactúan, además, con otros iones con carga eléctrica o con otros grupos polares. Los enlaces entre carbono e hidrógeno son no polares, por lo cual un grupo funcional constituido sólo por enlaces carbono-hidrógeno, como el grupo metilo ( CH3) o etilo ( CH2 CH3), también es no polar. Los enlaces oxígeno-hidrógeno y nitrógeno-hidrógeno son polares; tienen una carga eléctrica parcial positiva en el polo de la molécula de hidrógeno y una carga eléctrica negativa parcial correspondiente al oxígeno o nitrógeno. Por lo tanto, los radicales amino (R NH2) e hidroxilo ( OH) son polares. Los enlaces dobles formados entre el carbono y el oxígeno (C=O) también son polares; hay una carga positiva parcial correspondiente al carbono y una negativa correspondiente al oxígeno. De aquí que los radicales carboxilo y aldehído sean polares. La mayor parte de los compuestos presentes en las células contienen uno más grupos funcionales. Por ejemplo, cada aminoácido contiene por lo menos dos grupos funcionales: un grupo amino y uno carboxilo. Las propiedades químicas de tales grupos determinan las propiedades generales de los aminoácidos. Sin embargo, muchos aminoácidos contienen otros grupos que determinan las propiedades específicas de cada tipo de aminoácido. Si se conocen los grupos presentes en un compuesto orgánico se puede predecir su comportamiento químico. BIOPOLÍMEROS Muchas moléculas de importancia biológica, tales como los polisacáridos, las proteínas y los ácidos nucleicos, son muy grandes y están constituidas por cientos o miles de átomos. Estas grandes moléculas se denominan macromoléculas o polímeros biológicos (biopolímeros). Las células forman polímeros al unir covalentemente pequeños compuestos orgánicos llamados monómeros. Así como todas las palabras de este texto se escriben utilizando las 27 letras del alfabeto en diferentes combinaciones, los monómeros pueden agruparse para formar una variedad casi infinita de moléculas más grandes. Los miles de compuestos orgánicos presentes en la materia viva se construyen a partir de unos 40 monómeros simples y pequeños. Las macromoléculas o biopolímeros son moléculas de interés biológico de elevado peso molecular, formadas por la unión covalente de unidades estructurales o monómeros, iguales o diferentes que se repiten en un orden relativo determinado. Por ejemplo, los 20 tipos comunes de aminoácidos (monómeros) se unen en incontables combinaciones y dan orígenes a los polímeros llamados proteínas. Unos pocos monosacáridos constituyen las unidades fundamentales de los polisacáridos, como el almidón, el glucógeno o la celulosa. Los ácidos nucleicos, responsables del mantenimiento de los caracteres hereditarios, son polímeros de nucleótidos, que a diferencia de los anteriores monómeros resultan de la unión de tres moléculas distintas: una base nitrogenada, un monosacárido y una molécula de ácido fosfórico. Cada organismo es característico debido a la diferencia en la secuencia de los monómeros de su ADN, el polímero que conforma sus genes. Las células y los tejidos de un mismo organismo también difieren debido a variaciones en los polímeros que los constituyen. El tejido muscular es distinto del nervioso, debido a las diferencias en el tipo y secuencia de los aminoácidos de sus proteínas. Al final, la estructura proteica es determinada por la secuencia de los monómeros que intervienen en el ADN del organismo. El proceso de síntesis mediante el cual los monómeros se unen por enlaces covalentes se llama condensación. Durante la combinación de los monómeros se pierde el equivalente de una molécula de agua: por ello a veces se utiliza el término de síntesis por deshidratación para referirse a este proceso. Sin embargo, en los sistemas biológicos la síntesis de un polímero no equivale meramente a la inversión del proceso de degradación (que requiere la adición de agua). El proceso de síntesis requiere energía y es regulado por diversas enzimas (proteínas que regulan la velocidad de las reacciones químicas). Los polímeros pueden degradarse en sus monómeros mediante hidrólisis (hidros = agua, lisis = ruptura: quot;romper con aguaquot;) catalizada por enzimas específicas, del grupo de las hidrolasas11. Los enlaces entre monómeros se rompen por adición de agua. Un hidrógeno de la molécula de agua se une a un monómero y el radical hidroxilo restante se une al monómero adyacente. Al discutir cada grupo de compuestos orgánicos se darán ejemplos específicos de hidrólisis y condensación más detallados. ISÓMEROS Los compuestos que tienen la misma fórmula molecular pero diferente estructura y, por lo tanto, diferentes propiedades, son denominados isómeros. Los isómeros pueden tener propiedades físicas y químicas distintas, y reciben diferentes nombres comunes. Las células pueden distinguir entre dos isómeros, uno de los cuales generalmente es biológicamente activo, en tanto que el otro no lo es. Hay tres tipos de isómeros: estructurales, geométricos y enantiómeros (isómeros ópticos). En los compuestos biológicos son importantes los dos últimos tipos de isomería. Isómeros geométricos. Son compuestos idénticos con respecto al arreglo de sus enlaces covalentes, aunque difieren en el orden en el cual los grupos se distribuyen en el espacio. Los isómeros geométricos, también Ilamados cis-trans, se encuentran en algunos compuestos con enlaces dobles de carbono a carbono. Debido a que los enlaces dobles no son flexibles como los simples, los átomos ligados a carbonos en un enlace doble no rotan con libertad alrededor del eje de enlace. El término cis indica que los compuestos más grandes se localizan en un mismo lado del enlace doble. Si están en lados opuestos del doble enlace el compuesto se denomina Los polisacáridos son hidrolizados por distintas carbohidrasas, las proteínas por proteasas de distinto tipo y los ácidos nucleicos 11 por nucleasas específicas. 22
    • isómero trans. La trascendencia biológica de este tipo de isomería se manifiesta esencialmente en las membranas celulares, que están compuestas por fosfolípidos. Enantiómeros Son moléculas que corresponden a una imagen en espejo de otra molécula. Constituyen un tipo de isómeros ópticos o estereoisómeros ópticos. Debe recordarse que los cuatro grupos ligados a un átomo simple de carbono se ubican en los vértices del tetraedro. Si los cuatro grupos son diferentes entre sí, el carbono central se llama asimétrico o quiral (del griego keirós = mano). Los cuatro grupos se ubican alrededor del carbono central en dos formas distintas, que constituyen imágenes en espejo la una de la otra. Estas dos moléculas son enantiómeros si no se sobreponen una con otra, sin importar cuanto se roten en el espacio. Por convención, los enantiómeros se denominan L o D. Por ejemplo, la mayor parte de los azúcares naturales utilizados por seres vivos son isómeros D y los aminoácidos que forman parte de proteínas son L. Aunque tienen propiedades químicas similares y propiedades físicas idénticas (excepto en cuanto a la dirección en la cual rotan la luz polarizada en un plano), las células distinguen entre dos isómeros: sólo uno de ellos es biológicamente activo. CARBOHIDRATOS Los carbohidratos o glúcidos contienen átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción aproximada de un carbono por cada dos hidrógenos y un oxígeno (CH 2O); de allí el término carbohidrato, que significa quot;hidrato (agua) de carbonoquot;. La mayoría responde a la fórmula empírica (CH 2O)n, donde n es el número de átomos de C. Algunos carbohidratos son moléculas simples pequeñas como los azúcares, mientras otros forman largos polímeros como el almidón y el glucógeno que funcionan como reservorios de materia y energía, o como la celulosa y la quitina que son componentes estructurales. Monosacáridos Los monosacáridos son azúcares simples que contienen de tres a siete átomos de carbono. Son polialcoholes con función aldehído o cetona. Los carbohidratos más simples contienen en consecuencia tres átomos de carbono (triosas): el gliceraldehído, que posee una función aldehído y dos funciones alcohólicas (aldotriosa) y la dihidroxiacetona, con una función cetona y dos funciones alcohólicas (cetotriosa). La ribosa es una pentosa (aldopentosa) muy abundante que es componente de los ácidos ribonucleicos (ARN); su derivado desoxigenado, la desoxirribosa (que carece de hidroxilo alcohólico en C 2) es integrante de los ácidos desoxirribonucleicos (ADN). La glucosa, galactosa y manosa son aldohexosas, en tanto que la fructosa es una cetohexosa. La glucosa (C6H12O6), el monosacárido más común, es extremadamente importante en los procesos de la vida. Durante la fotosíntesis, las algas y las plantas producen glucosa a partir de dióxido de carbono y agua, utilizando luz solar como fuente de energía. Durante la respiración celular se rompen los enlaces de la molécula de glucosa liberando la energía almacenada para que ésta pueda utilizarse en el metabolismo celular. Es tan importante la glucosa en el metabolismo que su concentración se mantiene cuidadosamente a niveles homeostáticos (más o menos constantes) en la sangre de los seres humanos y en la de otros animales complejos. Otras aldohexosas importantes son la manosa y la galactosa (presente en la leche), en tanto que la principal cetohexosa es la fructosa, que conjuntamente con la glucosa componen el disacárido sacarosa, el azúcar común de mesa. Las fórmulas lineales brindan una imagen clara, aunque poco realista, de la estructura de los monosacáridos más comunes. Las moléculas no son las estructuras simples de dos dimensiones que se ilustran en una página impresa. De hecho, las propiedades de cada compuesto dependen en parte de su estructura tridimensional, y las fórmulas tridimensionales resultan útiles para comprender las relaciones entre la estructura de una molécula y sus funciones biológicas. 23
    • Cuando la glucosa forma un anillo se origina otro C asimétrico; así hay dos formas isoméricas posibles, que difieren sólo en la orientación de un grupo -OH. Cuando el grupo hidroxilo unido al carbono 1 está de distinto lado del plano del anillo que el grupo –CH2OH, la glucosa se denomina -glucosa; cuando el radical hidroxilo se encuentra del mismo lado del plano que el grupo –CH2OH el compuesto se llama -glucosa. Esta diferencia aparentemente trivial adquiere tremenda importancia cuando estas unidades funcionales constituyen polisacáridos: la polimerización de la -glucosa da lugar al almidón o al glucógeno, según se trate de plantas o animales, en tanto que la -glucosa polimerizada origina la celulosa; los primeros son polisacáridos energéticos, ya que constituyen la sustancia de reserva de plantas y animales, en tanto que la celulosa es un polisacárido estructural, que forma la parte principal de la matriz extracelular (pared celular) de las células vegetales. Los monosacáridos tienen poder reductor; pueden ser oxidados por oxidantes suaves como los iones Fe +3, Ag+ y Cu+2. El hecho de que el grupo aldehído se encuentre en forma de hidroxilo hemiacetálico dificulta su oxidación a ácido y en consecuencia no es sencillo que evidencie su poder reductor. La reacción de Fehling da positiva con los monosacáridos, porque se realiza en medio alcalino y en caliente. De este modo la forma cíclica va pasando a forma lineal a medida que el aldehído pasa a ácido; mientras tanto, el ion cúprico se reduce a ion cuproso y produce un precipitado rojizo de óxido cuproso. Disacáridos Un disacárido consta de dos monosacáridos unidos mediante un enlace covalente, que se denomina enlace glicosídico y que generalmente se forma entre el C1 de una molécula y el C4 de la otra molécula. La maltosa (azúcar de malta) consta de dos moléculas de glucosa unidas por un enlace covalente. La sacarosa, el azúcar que utilizamos para endulzar nuestros alimentos, es una molécula de glucosa unida a otra de fructosa. La lactosa (el azúcar de la leche) se compone de una molécula de glucosa y otra de galactosa. La mayoría de los organismos transportan azúcares dentro de sus cuerpos; en los humanos, el monosacárido glucosa circula en nuestra corriente sanguínea. Sin embargo, en muchos otros organismos, particularmente en las plantas, la glucosa es convertida en una forma de transporte antes de ser movida de un lugar a otro dentro del organismo; de tal manera es metabolizada menos rápidamente mientras es transportada. Las formas de transporte de los azúcares son usualmente los disacáridos. Por lo tanto, los disacáridos sirven como efectivos reservorios de glucosa, que no puede ser metabolizada por las enzimas que habitualmente lo hacen hasta que el enlace entre los dos monosacáridos sea roto por una enzima específica. Estas enzimas están presentes sólo en los tejidos donde la glucosa será utilizada. Polisacáridos Los carbohidratos más abundantes son los polisacáridos o glucanos. Un polisacárido es una macromolécula en la que se unen por condensación varias unidades de azúcares simples unidos por enlace O-glicosídico. Aun cuando el número de unidades presentes es variable, por lo general, en una sola molécula se encuentran miles de ellas. El polisacárido puede ser una cadena simple larga o una cadena ramificada. Pueden ser homopolisacáridos o heteropolisacáridos. Polisacáridos de reserva La glucosa no puede almacenarse como tal; sus moléculas pequeñas, sin carga y tan fácilmente solubles, difundirían de las células; en cambio las moléculas más grandes y menos solubles de los polisacáridos de reserva no pasan a través de las membranas celulares. Además, la acumulación de moléculas individuales de glucosa causaría un aumento enorme de la presión osmótica de las células. Por tanto, en vez de almacenar azúcares simples, las células almacenan polisacáridos que pueden fácilmente hidrolizarse cuando se necesite. Los organismos guardan glucosa, en algunos casos primero transportándola bajo la forma de disacáridos, y luego en una forma insoluble que se deposita en áreas específicas de almacenamiento, constituyendo los polisacáridos de reserva. Son reserva de materia (para constituir otras moléculas) y de energía (pueden oxidarse para obtener ATP). 24
    • Almidón Constituye la forma típica en que se almacenan carbohidratos en las plantas: es un polímero de subunidades de -glucosa. Los monómeros se unen por enlaces (1 4). El almidón se encuentra en dos formas: amilosa y amilopectina. La amilosa, la forma más simple, no tiene ramificaciones; sus largas cadenas, de muchos cientos de -glucosas, tienden a enrollarse, una propiedad que la torna poco soluble en agua. La amilopectina, la forma más común, consta de cerca de 1000 unidades en una cadena ramificada. Las cadenas de moléculas de - D-glucosa unidas por enlaces (1 4) como en la amilosa presentan ramificaciones (1 6) que ocurren cada 20 ó 30 unidades. Amilopectina Las plantas almacenan almidón en gránulos en organelas especializadas, los plástidos, que contienen las enzimas para la síntesis y la degradación. Cuando se requiere energía, la planta somete a hidrólisis el almidón y libera subunidades de glucosa a partir de los extremos no reductores. Los hombres y otros animales que comen plantas tienen enzimas capaces de hidrolizar el almidón. La amilosa se puede hidrolizar por la -amilasa, enzima presente en la saliva y el jugo pancreático que participa en la digestión del almidón en el tracto gastrointestinal; hidroliza los enlaces (1 4), dando una mezcla de maltosa y glucosa. También puede actuar la -amilasa que se halla en la malta y libera unidades de maltosa. La amilopectina necesita enzimas desramificadoras, que rompan enlaces (1 6), además de amilasas para hidrolizarse. Los polisacáridos de longitud intermedia que se forman durante la hidrólisis se llaman dextrinas. Glucógeno Es la forma de almacenamiento de glucosa en los tejidos animales y en bacterias. Está compuesto por cadenas similares a la amilopectina pero más altamente ramificadas, aproximadamente cada 10 residuos de glucosa; es más compacto que el almidón de las plantas. El glucógeno se almacena sobre todo en hígado y células musculares, formando gránulos de tamaño variable en los que se encuentran también las enzimas para la síntesis e hidrólisis. Sus moléculas, al igual que las de almidón, están muy hidratadas pues tienen muchos –OH expuestos para formar puentes de hidrógeno. Polisacáridos estructurales Polímeros insolubles de glúcidos actúan como elementos estructurales y de protección en las paredes celulares de bacterias, plantas y hongos y en los tejidos conjuntivos y espacios extracelulares de animales. Otros funcionan como lubricantes de articulaciones óseas o como adhesivos celulares. Celulosa La celulosa es el carbohidrato más abundante sobre la Tierra, constituyendo cerca del 50 % o más del carbono de las plantas. La madera es celulosa en cerca del 50% y el algodón por lo menos en un 90%. Las células de las plantas están rodeadas por una fuerte pared celular de soporte constituida principalmente de celulosa. La celulosa es un homopolisacárido lineal, no ramificado, compuesto por unas 10.000 moléculas de -D-glucosa con enlaces (1 4); los grupos CH2OH no quedan todos del mismo lado como en la amilosa, sino que quedan alternados, sobre lados opuestos del plano de la molécula. Las moléculas de celulosa se organizan en haces de cadenas paralelas. Constituyen una serie de anillos rígidos, conectados por un átomo de O que hace de puente, alrededor del cual la rotación es libre, dando así una cadena recta y extendida. Adoptando esta conformación, varias cadenas rectas adyacentes pueden formar puentes de hidrógeno inter e intracatenarios, dando lugar a la 25
    • formación de fibras supramacromoleculares lineales y estables, de gran resistencia a la tensión e insolubles en agua. Al ser un polímero lineal, resulta óptima para construir microfibrillas, formando la fibra celulósica que constituye las paredes vegetales. Puentes Hidrógeno intra e inter cadenas Estos enlaces no se desdoblan por las enzimas que hidrolizan el almidón. Los seres humanos no tienen enzimas con las cuales digerir la celulosa y por lo tanto no pueden utilizarla como nutriente. Sin embargo la celulosa es un componente importante de la fibra de la dieta, y ayuda a mantener el buen funcionamiento del sistema digestivo. Carbohidratos modificados y complejos Muchos derivados de los monosacáridos son compuestos biológicamente importantes. Los aminoazúcares glucosamina y galactosamina son compuestos en los que el grupo hidroxilo (-OH) se ha reemplazado por un grupo amino (-NH2). La galactosamina se encuentra en el cartílago. La N-acetil-glucosamina es la unidad molecular presente en la quitina, un homopolisacárido estructural, principal componente del esqueleto de los insectos, del langostino y de otros artrópodos. Este polisacárido modificado también se presenta en las paredes celulares de los hongos. La unión es (1 4) y al igual que la celulosa es insoluble en agua. Heteropolisacárido de las paredes celulares de las bacterias: Tiene N-acetil-glucosamina y otro derivado de glucosamina, el ácido N-acetil-murámico. Se alternan unidos por enlaces (1 4). Muchos polímeros lineales de este tipo se colocan adyacentes y son entrecruzados por péptidos cortos, diferentes para cada especie bacteriana; constituyéndose un péptidoglucano. Una enzima, la lisozima, presente en las lágrimas puede hidrolizar la unión (1 4), lo que destruye a la mayoría de las bacterias. Hay heteropolisacáridos, los glicosaminoglucanos, como el ácido hialurónico que tiene alternados ácido glucurónico y N- acetilglucosamina, que están presentes en la matriz extracelular de los tejidos animales. Algunos glicosaminoglucanos se unen con proteínas y dan lugar a proteoglucanos. Los oligosacáridos, formados por hasta más de 6 tipos diferentes de monosacáridos, unidos de forma lineal o ramificada, también se combinan con lípidos y proteínas originando glicolípidos y glicoproteínas, compuestos de la membrana de la superficie externa de las células animales importantísimos para la interacción entre distintas células. La mayor parte de las proteínas secretadas por las células son glicoproteínas. LÍPIDOS Son un conjunto de biomoléculas orgánicas, químicamente heterogéneas, insolubles en agua y solubles en solventes orgánicos no polares (cloroformo, éter, éter de petróleo, benceno, etc.). Esta definición se basa en una propiedad física común que es la solubilidad y no en los grupos funcionales presentes en sus moléculas, ya que la naturaleza química de los lípidos, como se verá, es muy variada. Son compuestos de distribución universal en células y organismos y cumplen funciones esenciales. Formando parte de su estructura existen largas cadenas hidrocarbonadas lineales o cíclicas que le confieren a la molécula su hidrofobicidad y su afinidad por los solventes orgánicos no polares, que son de su misma naturaleza. No poseen peso molecular muy elevado ni forman macromoléculas como los hidratos de carbono, las proteínas y los ácidos nucleicos. Son moléculas con alto contenido de hidrógeno (muy reducidas) y por lo tanto son una buena fuente de energía (regularmente la producción de energía a partir de una molécula implica la oxidación de la misma). Debido a su escasa solubilidad en medios acuosos, los lípidos no circulan en los animales en forma libre, sino asociados a diversas proteínas, según se encuentren fuera o dentro de la célula. En el torrente sanguíneo circulan asociados a diferentes tipos 26
    • de proteínas, constituyendo los quilomicrones, cuyo peso molecular (PM) es de 10 9 a 1010 daltons (con un contenido de 2% de proteína y alrededor de 90% de glicéridos), las lipoproteínas de baja densidad (LDL12, 25% de proteína, PM 106) o de alta densidad (HDL6, 50% de proteína, PM 105). Dentro de las células eucarióticas, los lípidos circulan unidos a proteínas transportadoras específicas, como por ejemplo la proteína transportadora de ácidos grasos (FABP; fatty acid binding protein), o la proteína transportadora de fosfatidilcolina (PC-BP: phosphatidylcholine binding protein), etc Clasificación La clasificación actual de los lípidos se basa en la estructura química de los mismos como se detalla a continuación 13. En esta clasificación no existe la categoría de Glicolípidos, ya que este tipo de lípido quedará incluido en la categoría correspondiente de la porción lipídica de la molécula. Así mismo las Lipoproteínas, que son proteínas modificadas por lípidos (ácidos grasos, colesterol, etc) no se encuentran en esta clasificación. Clasificación de los lípidos A. Ácidos grasos B. Glicerolípidos C. Glicerofosfolípidos D. Esfingolípidos E. Esteroides F. Isoprenoles G. Otros. A. Ácidos grasos Son ácidos monocarboxílicos de 4 a 36 átomos de carbono. Los más frecuentes son lineales y de número par de átomos de carbono. Si se presentan dobles ligaduras (ácidos grasos insaturados), las mismas poseen configuración geométrica cis. Uno de los extremos está representado por un grupo carboxílico (ácido) que es hidrofílico, es decir, tiene afinidad por el agua, mientras que la cadena hidrocarbonada es hidrofóbica (rechaza al agua), siendo la molécula resultante anfipática. Las propiedades físicas de los mismos y de los compuestos que los poseen dependen del número de dobles ligaduras y de la longitud de la cadena. Son moléculas muy reducidas y en la célula se oxidan a CO 2 y H2O y se libera energía. Los ácidos grasos linoleico 18:2 ( 9,12)14 y linolénico 18:3 ( 9,12,15) son esenciales para los animales, y deben ser ingeridos con la dieta, debido a que los animales no pueden introducir dobles ligaduras más allá del carbono 9, en tanto que los vegetales sí pueden hacerlo. En la célula los ácidos grasos están mayoritariamente esterificados (formando uniones éster con alcoholes simples o complejos) en los fosfolípidos que constituyen las membranas biológicas y en los triglicéridos que son la principal reserva energética. Los ácidos grasos intervienen en la regulación de la expresión de determinados genes del metabolismo lipídico y de la glucosa. Dentro del grupo de ácidos grasos están incluidos derivados de éstos como los eicosanoides y las ceras. LDL y HDL son las siglas inglesas de Low Density Lipids y High Density Lipids 12 13 Más información en “A comprehensive classification system for lipids” Fahy E. et all. J. Lipid Res. 2005. 46:839-861. La notación 18: 14 2 significa que el ácido graso tiene 18 carbonos y dos dobles ligaduras (18:0 representaría un ácido graso de 18 carbonos saturado, es decir sin dobles ligaduras), en tanto que 9,12 indica que las dobles ligaduras están ubicadas entre los carbonos 9-10 y 12-13. 27
    • Eicosanoides Este término agrupa a una serie de compuestos derivados de ácidos grasos poliinsaturados de 20 átomos de carbono (de donde deriva su nombre: eicosano = veinte). Todos ellos tienen una amplia gama de funciones como señales químicas o efectores fisiológicos (en procesos inflamatorios, etc). Son el prototipo de mediadores locales, liberados in situ ante diversos estímulos. En esta categoría se incluyen las Prostaglandinas (PG), los Tromboxanos y los Leucotrienos. Se conocen unas 20 PG, cuya función es la de regular la acción hormonal. Algunas provocan la contracción de la musculatura lisa, en especial en el aparato reproductivo, de ahí que sean utilizadas para inducir el aborto. La prostaciclina es un vasodilatador que actúa principalmente sobre las arterias coronarias y que impide la agregación plaquetaria. Otras PG son mediadores de la reacción inflamatoria. Compuestos como el ácido acetilsalicílico (aspirina), ibuprofeno y los glucocorticoides (cortisol, dexametasona) inhiben la síntesis de estas PG, y de ahí sus efectos antiinflamatorios. Los Tromboxanos fueron descritos por primera vez en las plaquetas sanguíneas, aunque su distribución es muy general.. El tromboxano A2 se sintetiza en las plaquetas y tiene efectos opuestos a la prostaciclina: contrae las arterias y desencadena la agregación plaquetaria. Los Leucotrienos aparecen frecuentemente combinados con el tripéptido glutatión. Deben su nombre a que poseen tres dobles enlaces conjugados (trieno). Son mediadores locales en reacciones de tipo alérgico e inflamatorio. Ceras Son ésteres de un ácido graso de cadena larga. Sólidos a temperatura ambiente, poseen sus dos extremos hidrófobos, lo que determina su función: impermeabilizar y proteger. Las ceras más comunes son la cera de abeja (ésteres del ácido palmítico con alcoholes de cadena larga) y la lanolina (“grasa” de lana de oveja). En general en los animales se encuentran en la piel, recubriendo el pelo, plumas y exoesqueleto de insectos. En los vegetales forman películas que recubren hojas, flores y frutos. En el plancton (organismos animales y vegetales que viven suspendidos en océanos y mares) las ceras pueden actuar como fuente de energía. B. Glicerolípidos Los glicerolípidos son ésteres15 de un trialcohol llamado glicerol (1,2,3–trihidroxi-propanol) que puede estar esterificado con 1, 2 o 3 moléculas de un ácido graso, formándose un monoglicérido, diglicérido o triglicérido, respectivamente. Los triglicéridos son los lípidos más abundantes en los seres vivos y constituyen una importante fuente de energía, ya que producen más del doble de energía (por gramo) que los carbohidratos. Esto se debe a dos factores: los lípidos están más reducidos y por lo tanto liberan más energía al oxidarse a CO 2 y H2O que los carbohidratos; además, al ser hidrofóbicos no contienen agua de hidratación que se sume a su peso. Por lo tanto, los triglicéridos son una forma económica de almacenamiento energético. Los carbohidratos y proteínas pueden ser transformados en lípidos cuando la cantidad de calorías que ingresan en un organismo es mayor que la requerida. En cambio, los lípidos no pueden transformarse en hidratos de carbono en los animales; los vegetales sí son capaces de transformar lípidos en hidratos de carbono y este hecho lo aprovechan algunas semillas para almacenar en un volumen reducido la energía necesaria para los primeros estadios de vida de la planta. Debido a su hidrofobicidad, en la mayoría de las células eucarióticas los triglicéridos se separan en fases en el citoplasma acuoso formando gotas de reserva en vegetales y en las células animales ocupando casi todo el citoplasma (adipocitos). En general los triglicéridos actúan como fuente de energía y de precursores biosintéticos, y los diglicéridos como mensajeros intracelulares. Al combinarse con el glicerol, el carboxilo terminal del ácido graso se fija a uno de los grupos –OH del glicerol, formándose un 15 enlace covalente llamado éster y se desprende el equivalente de una molécula de agua. 28
    • Los triglicéridos en los que predominan los ácidos grasos saturados suelen recibir el nombre de grasas y tienen mayor punto de fusión (son las grasas animales, que son sólidas a temperatura ambiente). En los aceites vegetales (líquidos a temperatura ambiente) predominan los ácidos grasos insaturados. C. Glicerofosfolípidos Un fosfolípido (fosfoglicérido) consta de una molécula de glicerol que posee esterificados a dos ácidos grasos y a un radical fosfato (ácido fosfatídico), que a su vez se enlaza mediante una unión éster con un aminoalcohol, como la colina, la etanolamina o la serina (que además es un aminoácido), o un polialcohol como el glicerol o el inositol. Los ácidos grasos le confieren a estas moléculas un alto grado de hidrofobicidad, mientras que la base orgánica y el ácido fosfórico son altamente hidrofóbicos, por lo que estas moléculas son anfipáticas. Tienen funciones estructurales (son constituyentes de las membranas biológicas) y son mensajeros intracelulares (fosfatidilcolina, fosfatidilserina fosfatidilinositol, etc.). Los dos extremos de una molécula de fosfolípido son diferentes física y químicamente. La porción correspondiente al Acilo es hidrófoba (repele el agua), por lo que no es hidrosoluble; sin embargo, la porción formada por el glicerol y la base orgánica está ionizada y es muy hidrosoluble. Se dice que este último extremo de la molécula es hidrofílico (afín al agua). Las propiedades anfipáticas de estas moléculas lipídicas y su geometría hacen que ado pten cierta configuración en presencia de agua, ya que los extremos hidrofílicos (solubles en agua) quedan hacia afuera, interactuando con el agua circundante. Los extremos hidrófobos se orientan en el sentido opuesto. La membrana celular es una bicapa lipídica (dos capas de fosfolípidos) cuyas moléculas tienen los extremos hidrófobos hacia el centro y las cabezas hidrófilas hacia el lado externo de la superficie de la membrana. D. Esfingolípidos Son derivados de la esfingosina o 4-esfingenina (ver fórmula), un aminoalcohol insaturado de cadena larga. Si el alcohol está esterificado con fosforilcolina estamos en presencia de la esfingomielina, que forman parte de las membranas de las células nerviosas. Si en lugar de fosforilcolina hay carbohidratos, los productos se denominan cerebrósidos (gluco- o galactocerebrósidos) o gangliósidos (además de monosacáridos tienen ácido siálico, que es el N-acetilneuramínico). Los cerebrósidos y gangliósidos están también presentes en células nerviosas y por tener glúcidos deberían ser consideradas también como glicolípidos. En este sentido también cabe mencionar a los glicolípidos presentes en las membranas de los cloroplastos, que en realidad son glicéridos en los que un ácido graso está reemplazado por una o dos unidades de galactosa, en las cuales el hidroxilo alcohólico del C 6 puede estar 29
    • esterificado con ácido sulfúrico, formando un grupo sulfónico. Son constituyentes de las membranas y mensajeros intracelulares (esfingomielina). E. Esteroles Su estructura es muy diferente a la del resto de los lípidos. Una molécula de esteroide tiene sus átomos de carbono dispuestos en cuatro anillos entrelazados; tres de los anillos contienen seis átomos, mientras que el cuarto sólo tiene cinco. La longitud y estructura de las cadenas laterales que parten de esos anillos establecen la diferencia entre un tipo de esteroide y otro. Los esteroides se sintetizan a partir de unidades de isopreno. Son lípidos estructurales de la mayoría de las células eucarióticas: el colesterol en animales, el estigmasterol en vegetales y el ergosterol en hongos; las bacterias carecen de esteroles. El colesterol posee un grupo hidroxilo que le da carácter hidrofílico, pero tiene además un esqueleto hidrocarbonado hidrofóbico, por lo que la molécula es anfipática. Entre los esteroides de mayor importancia biológica cabe mencionar el colesterol, las sales biliares, las hormonas sexuales masculinas y femeninas, y las hormonas secretadas por la corteza suprarrenal. El colesterol es un componente estructural de las membranas celulares animales. Otros esteroles de importancia son las hormonas sexuales (femeninas y masculinas) y las hormonas de la corteza suprarrenal. Algunos esteroles actúan como detergentes intestinales (ácidos biliares, que es la forma en que elimina el colesterol del organismo). En la figura puede verse la estructura del colesterol y de la testosterona, hormona sexual masculina. F. Isoprenoles Suelen incluirse en este grupo moléculas formadas por condensación de unas pocas unidades de isopreno. Químicamente, la mayoría son hidrocarburos, aunque algunos contienen funciones oxidadas. Muchas de estas moléculas son vitaminas liposolubles. Son frecuentes en los aceites esenciales (sustancias aromáticas) de las plantas. Entre las vitaminas derivadas del isopreno se encuentra la Vitamina A (retinol), un alcohol tetraprenoide, indispensable para evitar trastornos como la ceguera nocturna (falta de acomodación visual a la oscuridad), la xeroftalmia (queratinización del epitelio de la conjuntiva del ojo) y la sequedad de los epitelios. También se ubica aquí a la Vitamina E, utilizada en el tratamiento de la esterilidad, y a la Vitamina K (naftoquinona), esencial en el proceso de coagulación sanguínea. ACIDOS NUCLEICOS Los ácidos nucleicos son macromeléculas, cuyos monómeros son los nucleótidos, fundamentales para el funcionamiento celular, por su papel en el almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética. En las células se encuentran dos variedades de ácidos nucleicos: el ácido ribonucleico (ARN) y el ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN y el ARN difieren químicamente como funcionalmente. El ADN forma genes, el material hereditario de las células, y contiene instrucciones para la producción de todas las proteínas que el organismo necesita. El ARN está asociado a la transmisión de la información genética desde el núcleo hacia el citoplasma, donde tiene lugar la síntesis de proteínas, proceso al cual está estrechamente relacionado. Hay tres tipos de ARN que actúan en el proceso de síntesis de proteínas: ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosómico (ARNr). Al igual que las proteínas, los ácidos nucleicos son moléculas grandes y complejas. Fueron aisladas por primera vez por Miescher en 1870, a partir del núcleo de las células del pus; su nombre se origina del hecho de que la primera vez que se identificaron se observó que eran ácidos, además de que fueron identificados en el núcleo celular. 30
    • Nucleótidos: subunidades de los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son biopolímeros, pero a diferencia de los polisacáridos como el almidón o el glucógeno, en los que el monómero es una molécula simple (la - o la -glucosa, respectivamente), los monómeros de los ácidos nucleicos son los nucleótidos, unidades moleculares que constan de: 1) un azúcar de cinco carbonos, ya sea desoxirribosa en el caso del ADN o ribosa en el caso del ARN; 2) un grupo fosfato y, 3) una base nitrogenada, ya sea una purina de doble anillo o una pirimidina de anillo simple. Los nucleótidos están conformados por un azúcar de 5 carbonos (ribosa en el caso del ARN y desoxiribosa en el del ADN), por un grupo fosfato y una base nitrogenada. El grupo fosfato se une al carbono 5’ del azúcar a través de un enlace fosfodiéster. La base nitrogenada se une al carbono 1’ del monosacárido. Los nucleótidos contienen dos tipos de base nitrogenadas: purinas y pirimidinas. El ADN contiene las bases púricas Adenina (A) y Guanina (G) y las bases pirimídicas Citosina (C) y Timina (T), junto con el azúcar desoxirribosa y el fosfato. El ARN contiene las mismas bases púricas (A y G), pero en cuanto a las bases pirimídicas el Uracilo (U) reemplaza a la timina. La unión del azúcar con la base nitrogenada es lo que se denomina nucleósido, por lo tanto un nucleótido es un nucleosido monofosfato. Las moléculas de los ácidos nucleicos están formadas por cadenas de nucleótidos, cada uno de ellos unido al siguiente por enlaces covalentes entre la molécula de azúcar de una cadena (el carbono 3´de la ribosa o de la desoxirribosa) y la molécula de fosfato de la otra cadena, que a su vez está unido al carbono 5´de la pentosa. Estos enlaces son Ilamados uniones o puentes fosfodiéster, porque el fosfato está unido por una unión éster fosfato al azúcar del nucleótido y por otra unión equivalente al azúcar del nucleótido que lo precede. Un polinucleótido determinado presenta siempre un extremo con un grupo hidroxilo 5’ libre y el extremo opuesto de la cadena con un grupo hidroxilo 3’. Por convención las secuencias de nucleótidos se escriben siempre del extremo 5’ al 3’. 31
    • Las moléculas de ADN son considerablemente más grandes que las de ARN. Uno de los avances biológicos más importantes del siglo XX, fue la descripción por Watson-Crick, que el ADN estaba formado por una hélice de doble cadena. La doble hélice consta de dos cadenas complementarias de ADN enrrolladas alrededor de un eje común, formando una hélice dextrógira. Las dos cadenas se orientan en sentido opuestos a lo largo de la hélice, una en sentido 5’-3’ y la otra en el sentido 3’-5’. El esqueleto de la doble hélice lo forman los azúcares (compuestos polares) y los grupos fosfatos (cargados positivamente), los cuáles quedan en contacto con el medio acuoso y por sus características químicas pueden interaccionar con el H2O. Por el contrario, las bases nitrogenadas, que son compuestos aromáticos con menos afinidad por el H 2O quedan dispuestos en el interior de la doble hélice. Las dos cadenas se enfrentan por las bases, que se mantienen unidas por la existencia de puentes de hidrógeno, pero la complementariedad proviene de que siempre una base púrica (de mayor dimensión) se enfrenta con una base pirimídica y que el acoplamiento siempre enfrenta a A con T y a G con C. La interacción entre las bases nitrogenadas, que mantiene unidas a las dos hebras, es a través de dos puentes hidrógenos entre A con T y tres puentes hidrógeno entre C con G. Este hecho es fundamental para permitir la duplicación (“replicación”) del ADN, ya que cada una de las cadenas sirve de molde para que se produzca la cadena complementaria respectiva. La hélice dextrógira de Watson-Crick, es la versión de lo que se denomina ADN-B, que es la conformación más abundante del ADN en las células. Sin embargo existen otras dos conformaciones que son el ADN-A y el ADN-Z. El ADN-A también es una hélice dextrógira pero más corta y gruesa; y la forma de ADN-Z es una doble hélice levógira. Como consecuencia de su elevado contenido en ácido fosfórico y a raíz del pH cercano a la neutralidad del medio celular, las moléculas de ADN en el núcleo poseen carga negativa. Este hecho favorece su asociación con proteínas básicas (las histonas), que aparentemente juegan un rol protector y que en conjunto con el ADN constituyen la cromatina nuclear. El ADN (y las histonas asociadas) se dispone en forma helicoidal y parcialmente enrollada mientras la célula está en actividad normal, pero sufre una gran condensación (superenrrollamiento) en el momento de la división celular, dando lugar a los cromosomas. En realidad no existen diferencias estructurales entre la cromatina nuclear y los cromosomas, sino que se trata de distintos grados de condensación de la molécula de ADN. Si bien el término cromatina se sigue utilizando (proviene de la época de las primeras observaciones microscópicas de núcleos coloreados: cromatos = color), la tendencia moderna es llamar cromosoma al ADN nuclear, independientemente del grado de condensación que exhiba. La diferencia esencial entre ADN y ARN, además del reemplazo de la desoxirribosa por la ribosa y de T por U, es que el ARN está constituido por una cadena única y que sus dimensiones son considerablemente más reducidas que las del ADN. A pesar, de estar constituido por una sola cadena puede adoptar estructuras secundarias. Estas estructuras se forman entre regi ones complementarias de la misma cadena y se estabilizan por puentes hidrógeno siguiendo la misma lógica que en el caso del ADN (C con G y A con U). 32
    • Dentro de los plegamientos de moléculas de ARN, el mejor caracterizado es el caso de los ARNt. Todos los ARNt tienen una estructura secundaria común, que consta de cuatro regiones de apareamiento complementario y una quinta variable. Esto genera lo que se conoce como estructura secundaria en forma de trébol. Otra particularidad de los ARNt es la presencia de nucleótidos modificado químicamente. Los tres tipos principales de ARN (mensajero, de transferencia y ribosómico) están asociados con el proceso de síntesis de proteínas, que tiene lugar en los ribosomas, estructuras que contienen ARN y proteínas y que constituyen el lugar físico en el que se desarrolla la síntesis de las moléculas proteicas. El ARNm contiene generalmente la información de la secuencia de aminoácidos de una única proteína y obtiene dicha información por el proceso de transcripción, a través del cual una enzima específica (ARN polimerasa) copia la información contenida en un sector (un gen) de una de las dos cadenas del ADN. Este proceso ocurre naturalmente en el núcleo, pero el ARNm pasa al citoplasma a través de los poros nucleares y se encuentra con los ribosomas. La secuencia de bases del ARNm (que como se dijo es Estructura del ARN de transferencia (ARNt) complementaria de la secuencia de bases de un sector de ADN) contiene la información sobre la posición que deben ocupar los aminoácidos en la proteína. Esta codificación recibe el nombre de código genético. Por su parte distintos ARNt son los encargados de reconocer a cada uno de los aminoácidos y ubicarlos en el lugar señalado por el código genético en un proceso conocido como traducción Otros nucleótidos importantes Además de su importancia como subunidades de los ácidos nucleicos, los nucleótidos intervienen en otras importantes funciones celulares. El trifosfato de adenosina (ATP), compuesto de adenina, ribosa y tres fosfatos tiene una importancia destacada como fuente de energía para las células. Los dos fosfatos terminales se unen al nucleótido mediante enlaces quot;ricos en energíaquot;, que se señalan por el símbolo P. Estos enlaces reciben tal nombre porque liberan una gran cantidad de energía cuando se someten a hidrólisis. La energía química que se libera es biológicamente utilizable y puede transferirse a otras moléculas. La mayor parte de la energía química de las células se almacenan en enlaces de fosfato (ATP) ricos en energía, lista para liberarse cuando el grupo fosfato se transfiere a otra molécula. Un nucleótido puede convertirse en una forma cíclica por medio de enzimas Ilamadas ciclasas. De esta manera la adenilatociclasa convierte al ATP en adenosín monofosfato cíclico (AMP cíclico). Los nucleótidos cíclicos juegan un papel importante en la mediación de los efectos hormonales y en la regulación de varios aspectos de la función celular. Las células contienen varios dinucleótidos de importancia especial en los procesos metabólicos. Por ejemplo, el dinucleótido de adenina y nicotinamida (NAD) y el dinulcleótido de adenina y flavina (FAD) son muy importantes como receptores y donores de hidrógeno y electrones en funciones biológicas de oxidación y reducción en las células. ARN ADN Bases Nucleósidos Nucleótidos Desoxinucleósidos Desoxinucleótidos Purinas Adenina (A) Adenosina Adenosín monofosfato (AMP) Desoxiadenosina Desoxiadenosín monofosfato (dAMP) Guanina (G) Guanosina Guanosín monofosfato (GMP) Desoxiguanosina Desoxiguanosín monofosfato (dGMP) Pirimidinas Citosina (C Citidina Citidín monofosfato (CMP) Desoxicitidina Desoxicitidín monofosfato (dCMP) Uracilo (U) Uridina Uridín monofosfato (UMP) Timina (T) Desoxitimina Desoxitimidín monofosfato (dTMP) 33
    • PROTEÍNAS Las proteínas son macromoléculas esenciales en la química de la vida. Son componentes estructurales de las células y tejidos, de modo que el crecimiento, la restauración y el mantenimiento del organismo dependen del abastecimiento adecuado de estas sustancias. Por su parte, algunas proteínas actúan como catalizadores o enzimas, moléculas especiales que regulan miles de diferentes reacciones químicas que ocurren en los seres vivos. En este módulo veremos además otras importantes funciones que cumplen estas moléculas fundamentales para la vida. Los proteínas constitutivas de cada célula son la clave de su estilo de vida. Cada tipo celular posee una distribución, cantidad y especie de proteínas que determina el funcionamiento y la apariencia de la célula. Por ejemplo, una célula muscular difiere de otras en virtud de su gran contenido de proteínas contráctiles, como la miosina y la actina, a las que se debe, en gran parte su apariencia y su capacidad de contracción. La proteína llamada hemoglobina, que se encuentra en los glóbulos rojos o eritrocitos, se ocupa de la especializada función de transportar oxígeno. La mayor parte de las proteínas son específicas de cada especie; es decir, las proteínas varían muy poco de una especie a otra. Así, las proteínas presentes en las células de un perro no son demasiado diferentes en relación a las de un zorro o de un coyote. Se considera que el grado de diferencia entre las proteínas de distintas especies depende de las relaciones evolutivas. Los organismos escasamente relacionados tienen proteínas que difieren en forma más marcada que las de aquellos entre los cuales se establece una relación evolutiva más estrecha. De todos modos algunas proteínas son diferentes aún entre individuos de una misma especie, por lo que se considera que cada organismo es único, desde el punto de vista bioquímico. Sólo individuos genéticamente idénticos (hermanos gemelos o cepas de organismos cultivados en relación muy estrecha) presentan proteínas idénticas. Funciones biológicas de las proteínas Describir las funciones de las proteínas equivale a describir en términos moleculares todos los fenómenos biológicos. Gracias a su gran heterogeneidad estructural, las proteínas pueden asumir funciones muy variadas, de las cuales podemos destacar: Función enzimática. La gran mayoría de las reacciones metabólicas tienen lugar gracias a la presencia de un catalizador de naturaleza proteica específico para cada reacción. Estos biocatalizadores reciben el nombre de enzimas. La gran mayoría de las proteínas son enzimas. Función hormonal. Las hormonas son sustancias producidas por una célula y que una vez secretadas ejercen su acción sobre otras células dotadas de un receptor adecuado. Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la insulina y el glucagón (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas segregadas por la hipófisis como la hormona del crecimiento, o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio), pero existen hormonas que no son proteínas (las hormonas sexuales y las hormonas producidas por la tiroides, entre otras). Reconocimiento de señales químicas. La superficie celular alberga un gran número de proteínas encargadas del reconocimiento de compuestos químicos de muy diverso tipo: receptores de hormonas, de neurotransmisores, de anticuerpos, etc. En muchos casos, los ligandos que reconoce el receptor (hormonas y neurotransmisores) son también de naturaleza proteica y en otros casos son organismos (bacterias, virus). Función de transporte. En los seres vivos son esenciales los fenómenos de transporte, bien para llevar una molécula hidrofóbica a través de un medio acuoso (transporte de oxígeno o lípidos a través de la sangre) o bien para transportar moléculas polares a través de barreras hidrofóbicas (transporte a través de la membrana plasmática). Los transportadores biológicos son siempre proteínas. Función estructural. Las células poseen un citoesqueleto de naturaleza proteica que constituye un armazón alrededor del cual se organizan todos sus componentes, y que dirige fenómenos tan importantes como el transporte intracelular o la división celular. Por otra parte en los tejidos de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso) de los vertebrados, las fibras de colágeno (una proteína fibrosa) forman parte importante de la matriz extracelular y son las encargadas de conferir resistencia mecánica tanto a la tracción como a la compresión. Función de defensa. La propiedad fundamental de los mecanismos de defensa es la de discriminar lo propio de lo extraño. En bacterias, una serie de proteínas llamadas endonucleasas de restricción se encargan de identificar y destruir aquellas moléculas de ADN que no identifica como propias. En los vertebrados superiores, las inmunoglobulinas (anticuerpos) se encargan de reconocer moléculas u organismos extraños y se unen a ellos para facilitar su destrucción por las células del sistema inmunitario. Función de movimiento. Todas las funciones de motilidad de los seres vivos están relacionadas con las proteínas. Así, la contracción del músculo resulta de la interacción entre dos proteínas, la actina y la miosina. El movimiento de la célula mediante cilios y flagelos está relacionado con las proteínas que forman los microtúbulos. Funciones de reserva. La ovoalbúmina de la clara de huevo, la lactoalbúmina de la leche, la gliadina del grano de trigo y la hordeína de la cebada, constituyen una reserva de aminoácidos para el futuro desarrollo del embrión. Funciones reguladoras. Muchas proteínas se unen al ADN y de esta forma controlan la transcripción génica. De esta forma el organismo se asegura que la célula, en todo momento, tenga todas las proteínas necesarias para desempeñar normalmente 34
    • sus funciones. Las distintas fases del ciclo celular son el resultado de un complejo mecanismo de regulación desempeñado por proteínas como la ciclina. Otras funciones. Los fenómenos de transducción (cambio en la naturaleza físico-química de señales) están mediados por proteínas. Así, durante el proceso de la visión, la rodopsina de la retina convierte (o mejor dicho, transduce) un fotón luminoso (una señal física) en un impulso nervioso (una señal eléctrica) y un receptor hormonal convierte una señal química (una hormona) en una serie de modificaciones en el estado funcional de la célula. Aminoácidos Los aminoácidos conforman las unidades estructurales de las proteínas. Su composición elemental es carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y, a veces, azufre. Cada aminoácido contiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) unidos al mismo átomo de carbono, llamado carbono alfa y difieren entre sí en su grupo R o cadena lateral unida a este carbono alfa. La glicina, el aminoácido más simple, presenta un hidrógeno como grupo R o cadena lateral, la alanina un grupo metilo ( CH3), la valina un grupo isopropilo, etc. De todos los aminoácidos posibles, sólo veinte se encuentran normalmente en las proteínas (aminoácidos naturales). Los aminoácidos son sólidos cristalinos que al disolverse en una solución de pH neutro se comportan como iones dipolares, siendo esta la forma en que se comportan en el pH celular. El grupo amino (-NH2) acepta un protón hasta convertirse en -NH3+ (ion amonio) y el grupo carboxilo dona un protón convirtiéndose en -COO- (carboxilato) disociado. El carbono alfa de un aminoácido es un carbono asimétrico. Por tanto, cada aminoácido puede presentarse en dos isómeros ópticos distintos, las formas L y D. Sin embargo, los isómeros de aminoácidos presentes en los seres vivos son casi exclusivamente L-isómeros. Una excepción serían los pocos aminoácidos D presentes en los antibióticos producidos por los hongos. Los aminoácidos se agrupan según las propiedades de sus cadenas laterales. Los aminoácidos con cadenas laterales no polares son hidrófobos, en tanto que aquéllos con cadenas laterales polares son hidrófilos. Los aminoácidos ácidos tienen cadenas laterales con un grupo carboxilo. En el pH celular, el grupo carboxilo se disocia de manera que el grupo R tiene una carga negativa. Los aminoácidos básicos tienen carga positiva debido a la disociación del grupo amino en su cadena lateral. Las cadenas laterales ácidas o básicas son iónicas y por lo tanto son hidrófilas. Además de los veinte aminoácidos naturales conocidos, algunas proteínas contienen otros aminoácidos menos comunes. Por ejemplo, la lisina y la prolina pueden convertirse en hidroxilisina e hidroxiprolina, respectivamente, después de incorporarse al colágeno. Estos aminoácidos dan origen a enlaces cruzados entre las cadenas peptídicas del colágeno. Dichos enlaces aportan la firmeza y la fuerza de las moléculas del colágeno, que es uno de los principales componentes del cartílago, del hueso y de otros tejidos conectivos. Con pocas excepciones, las plantas sintetizan todos sus aminoácidos a partir de sustancias más simples. Las células humanas y animales fabrican algunos de importancia biológica, aunque no todos, si cuentan con la materia prima necesaria. Aquellos que los animales no pueden sintetizar, deben obtenerlos en la dieta: éstos son los llamados aminoácidos esenciales. Los animales tienen distintas capacidades de biosíntesis, es decir que lo que para un animal es un aminoácido esencial, para otro puede no serlo. 35
    • Las cadenas de polipéptidos se forman a partir de aminoácidos Los aminoácidos se combinan químicamente unos con otros enlazando el carbono del grupo carboxilo de una molécula con el nitrógeno del grupo amino de otra. El enlace covalente que une dos aminoácidos se denomina enlace peptídico. Cuando dos aminoácidos se combinan, se forma un dipéptido; una cadena más larga recibe el nombre de polipéptido. El elaborado proceso por medio del cual se sintetizan polipéptidos se discutirá más adelante. Un polipéptido contiene varias decenas, cientos o hasta miles de aminoácidos unidos en un orden lineal específico. A su vez, una proteína puede estar compuesta por una o varias cadenas de polipéptidos, de modo que puede formarse una variedad casi infinita de moléculas proteínicas, las cuales difieren entre sí en cuanto al número, tipo y secuencia (ordenamiento) de los aminoácidos que las conforman. Los veinte tipos de aminoácidos que se encuentran en las proteínas podrían considerarse como letras de un alfabeto, de manera que cada proteína sería una palabra formada por distintas letras. Estructura de las proteínas: tipos Las cadenas de polipéptidos que forman una proteína se encuentran enrolladas o plegadas en una conformación específica, tridimensional. Esta conformación determina la función de la proteína. Por ejemplo, la conformación de una enzima le permite quot;identificarquot; y actuar sobre su sustrato, sustancia que dicha enzima regula. La forma de una proteína hormonal le permite combinarse con su receptor en el sitio de la célula blanco (la célula sobre la cual la hormona está diseñada para actuar). Las proteínas se clasifican en fibrosas o globulares. En las proteínas fibrosas, las cadenas de polipéptidos están dispuestas en láminas largas; en las proteínas globulares las cadenas de polipéptidos se encuentran plegadas en forma estrecha a fin de producir una molécula compacta, de forma esférica. La mayor parte de las enzimas son proteínas globulares. Hay varios tipos de estructuras en una molécula proteica: primaria, secundaria, terciaria y hasta cuaternaria. Estructura primaria La secuencia, es decir el orden en que se disponen los aminoácidos en una cadena polipeptídica, determina su estructura primaria. Esta secuencia se encuentra especificada en la información genética del organismo. La insulina, hormona secretada por el páncreas que se utiliza en el tratamiento de la diabetes, fue la primera proteína cuya secuencia de aminoácidos pudo determinarse. La insulina contiene 51 unidades de aminoácidos unidos en dos cadenas (una de 30 y otra de 21 aminoácidos) conectadas por puentes disulfuro ( S S ). Estructura secundaria Las cadenas peptídicas no suelen encontrarse aplanadas ni se pliegan al azar, sino que forman una estructura tridimensional específica, en general en forma de hélice o de otra estructura regular, disposición espacial que se conoce con el nombre de estructura secundaria. Esta disposición se debe a las interacciones entre los átomos del esqueleto regular de la cadena peptídica. Los grupos funcionales no intervienen en la formación de enlaces de la estructura secundaria. Una estructura secundaria que se observa con frecuencia en las moléculas de proteína es la llamada hélice alfa, que implica la formación de espirales de una cadena peptídica. La hélice alfa es una estructura geométrica muy uniforme y en cada giro se encuentran 3,6 aminoácidos. La estructura helicoidal se mantiene estable mediante enlaces por puente de hidrógeno entre los aminoácidos en los giros sucesivos de la espiral. En la estructura alfa-helicoidal, los puentes de hidrógeno ocurren entre átomos de una misma cadena peptídica. Otro tipo de estructura secundaria es la denominada lámina plegada beta. En ésta los puentes de hidrógeno pueden ocurrir entre diferentes cadenas polipeptídicas (lámina intercatenaria); cada cadena en forma de zigzag está completamente extendida y los enlaces de hidrógeno ocasionan la formación de la estructura en forma de lámina. Pero también se pueden formar láminas plegadas entre regiones diferentes de una Hélice alfa misma cadena peptídica (lámina intracatenaria) Esta estructura es más flexible que elástica. Son posibles dos formas laminares, según el alineamiento de las diferentes cadenas o segmentos: si éstos se alinean en la misma dirección (de extremo N- a C-terminal, por ej.) la disposición resulta ser una lámina beta paralela, en tanto que si están alineados en sentido opuesto, la lámina es beta antiparalela. Si bien ambos casos ocurren en la naturaleza, la estructura antiparalela es más estable porque los dipolos C=O y N H están mejor orientados para una interacción óptima. 36
    • En la mayoría de las proteínas la estructura secundaria siempre tiene una porción que no es ni helicoidal ni laminar, denominada aleatoria (zonas de conexión). De este modo las proteínas pueden ser parcialmente helicoidales y aleatorias, parcialmente laminares y aleatorias, totalmente aleatorias o una mezcla variable de partes de ordenamiento helicoidal, laminar y aleatorio. Lámina plegada beta Un concepto muy utilizado en la estructura tridimensional de una proteína es el dominio, que corresponde a una zona de la molécula que tiene características estructurales definidas. En una molécula de proteína puede haber más de un dominio y este hecho está relacionado con la función de la misma. Los dominios suelen ser muy conservados (mantenidos en el tiempo) a lo largo de la evolución: las proteasas “tipo papaína” de virus, bacterias, plantas y animales tienen una estructura compuesta de dos dominios entre los cuales se ubica el sitio activo de la enzima. Estructura terciaria La estructura terciana de una molécula de proteína está determinada por la forma que adopta cada cadena polipeptídica. Esta estructura tridimensional está determinada por cuatro factores que se deben a interacciones entre los grupos R: 1. Puentes de hidrógeno entre los grupos R de las subunidades de aminoácidos en zonas adyacentes de la misma cadena de polipéptidos. 2. Atracción iónica entre los grupos R con cargas positivas y aquéllos con cargas negativas. 3. Interacciones hidrofóbicas derivadas de la tendencia de los grupos R no polares para asociarse hacia el centro de la estructura globular, lejos del Iíquido que los rodea. 4. Los enlaces disulfuro, que son covalentes (-S S-), unen los átomos de azufre de dos cisteínas. Estos enlaces pueden unir dos porciones de una misma cadena o dos cadenas distintas. Estructura cuaternaria Las proteínas compuestas de dos o más cadenas de polipéptidos (proteínas multiméricas) presentan estructura cuaternaria: cada cadena tiene estructuras primaria, secundaria y terciaria y forma una molécula proteínica biológicamente activa al relacionarse las diferentes cadenas mediante la estructura cuaternaria adecuada. La hemoglobina, proteína de los glóbulos rojos encargada del transporte de oxígeno, es un ejemplo de proteína globular con estructura cuaternaria. La hemoglobina es una proteína tetramérica compuesta por 574 aminoácidos dispuestos Hemoglobina en cuatro cadenas polipeptídicas: dos cadenas alfa idénticas y dos cadenas beta idénticas entre sí. Su fórmula química es C 3032H48160872S8Fe4 37
    • La estructura de las proteínas determina su función La estructura de las proteínas determina la actividad biológica de éstas. De entre las innumerables conformaciones teóricamente posibles de una proteína, generalmente hay una que predomina. Esta conformación es generalmente la más estable y en ese caso se dice que la proteína se encuentra en estado nativo (proteína nativa). La actividad biológica de una proteína puede ser afectada por cambios en la secuencia de aminoácidos o en la conformación de la proteína. Cuando ocurre una mutación (cambio químico en un gen) que ocasiona un cambio en la secuencia de aminoácidos de la hemoglobina, puede producirse un trastorno, denominado anemia falciforme. Las moléculas de hemoglobina en una persona con anemia falciforme tienen el aminoácido valina en la posición 6, en vez de ácido glutámico, es decir, el sexto aminoácido del extremo terminal de la cadena beta. La sustitución de la valina con una cadena lateral sin carga por glutamato con una cadena lateral con carga hace que la hemoglobina sea menos soluble y más propensa a formar estructuras en forma de crista l, lo que provoca un cambio en la forma de los glóbulos rojos (de ahí el nombre de falciforme, en forma de hoz). Los cambios en la estructura tridimensional de una proteína también alteran su actividad biológica. Cuando una proteína se calienta o se trata con algunas sustancias químicas, su estructura terciaria se distorsiona y la cadena peptídica en espiral se desdobla para dar lugar a una conformación más al azar. Este desdoblamiento se acompaña de una pérdida de su actividad biológica (por ejemplo, de su capacidad de actuar como enzima). Este cambio en la forma de la proteína y la pérdida de su actividad biológica se Ilama desnaturalización. En general, la desnaturalización no puede revertirse; sin embargo, en determinadas condiciones, algunas proteínas que han sido desnaturalizadas recuperan su forma original y su actividad biológica cuando se restauran las condiciones normales del medio. Las proteínas no son eternas y en las células es frecuente que las moléculas de proteína se sinteticen y se degraden de acuerdo a las necesidades celulares. La degradación de una proteína es llevada a cabo por proteasas o peptidasas que hidrolizan algunas o todas las uniones peptídicas, con lo que la proteína puede quedar reducida a sus unidades constitutivas, los aminoácidos, que pueden luego ser utilizados para construir moléculas de la misma o de otra proteína. El proceso de hidrólisis destruye todas las estructuras, incluso la primaria y puede ser llevado a cabo en el laboratorio por la acción de enzimas, o por ácidos o álcalis concentrados a elevadas temperatura 38