Apuntes Apoyo Prueba 1

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Apuntes Apoyo Prueba 1

  1. 1. 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
  2. 2. 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
  3. 3. 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
  4. 4. 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
  5. 5. 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
  6. 6. 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
  7. 7. 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
  8. 8. 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
  9. 9. 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
  10. 10. 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
  11. 11. 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
  12. 12. 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
  13. 13. 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
  14. 14. 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
  15. 15. 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
  16. 16. 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
  17. 17. 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

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