CapMuestra Web

15Introduccin 15Introduccin

Qu es la histologa?De acuerdo con la traduccin literal, la palabra histologa significa estudio del tejido, y se refiere al anlisis de la composicin microscpica y las respectivas funciones de los organismos plurice-lulares. Las primeras investigaciones histolgicas fueron posibles a partir del ao 1600, cuando se incorpor el recientemente inventado microscopio simple (una sola lente) a los estudios anatmicos. La anatoma, es decir el estudio de la forma y la estructura de los organismos vivos, comienza entonces a clasificarse de manera gradual en anato-ma macroscpica, que comprende las estructuras observables a simple vista, y anatoma micros-cpica, que requiere el uso de auxiliares pticos.

Marcello Malpighi fue el fundador de la histologa, y su nombre an est ligado a varias estructuras histolgicas. En 1665, Hooke descubri que el tejido vegetal est compuesto por pequeas cmaras o celdillas, a las que denomin clulas (lat. cella, pequea habitacin, celda o cmara), mientras que el ncleo celular o ncleo (lat. ori-ginal nuculeus, semilla de la nuez pequea ncula; gr. karyon) recin se descubri poco despus de la introduccin de los microscopios compuestos mejorados (varias lentes), alrededor de 1830. Este adelanto tcnico pronto condujo a la generaliza-cin ms bsica de la ciencia biolgica, la teora celular, desarrollada en 1838 por Schleiden para el reino vegetal y en 1839 por Schwann para el reino animal. Por esta teora, se reconoce que la clula es el elemento fundamental del organismo, al que, en ltima instancia, deben referirse todos los procesos vitales, y que las plantas y los ani-males son agrupaciones de estas unidades vivas potencialmente independientes. El estudio de la clula o citologa (gr. kytos, espacio hueco o celda) pronto se transform en una importante rama de la investigacin microscpica y pocos aos despus se descubri que las clulas siempre se forman por divisin de otras clulas y que el proceso se origina en el ncleo. Virchow lo expres en la famosa teora omnis cellula e cellula (toda clula se origina de otra clula). Otra importante generalizacin de la misma poca fue la concepcin, an actual, de que slo existen 4 tejidos animales fundamentales, a saber, tejido epitelial, tejido conectivo, tejido

muscular y tejido nervioso, cada uno de los cuales presenta gran cantidad de subtipos derivados, por ejemplo sangre y tejidos linfoides.

Se forman tejidos cuando las clulas, por lo general de distinto tipo (especializacin), se agru-pan para llevar a cabo determinadas funciones. Adems de las clulas, el tejido se compone de una matriz extracelular, producida por las pro-pias clulas, en la que stas se encuentran inmer-sas para conformar una organizacin estructural caracterstica de cada tejido. Los rganos son unidades funcionales mayores, compuestas por distintos tipos de tejido, por ejemplo, el hgado y el bazo. Los sistemas orgnicos comprenden varios rganos con funciones relacionadas, por ejemplo, el sistema respiratorio compuesto por la nariz, la faringe, la laringe, la trquea, los bronquios y los pulmones. Por ltimo, los siste-mas difusos se definen como grupos celulares con funciones relacionadas pero de localizacin difusa en varios rganos distintos, por ejemplo, el sistema inmunitario. Si bien por su etimologa la palabra histologa significa estudio de los tejidos, la asignatura histologa incluye, adems, la estruc-tura de las clulas de los tejidos y la conformacin de los rganos; es decir, el estudio de las clulas o citologa, el estudio de los tejidos o histologa propiamente dicha y el estudio de la estructura de los rganos o histologa especializada, tam-bin conocida como anatoma microscpica.

Diversos adelantos tcnicos han implicado un desarrollo casi explosivo de la investigacin histolgica. En el Captulo 2 se tratarn estas tcnicas, entre ellas, la microscopia electrnica, la radioautografa, el fraccionamiento celular, la inmunohistoqumica y la tecnologa gentica con hibridacin in situ. Aqu slo se dir que su apli-cacin ha representado una total revolucin de los conocimientos y la comprensin de la estructura y la funcin ms minuciosas a nivel molecular. Mientras que con preferencia puede considerarse el trmino citologa respecto de la estructura celular, las numerosas tcnicas recientes, y en particular las aplicaciones combinadas, han creado una nue-va asignatura ms interdisciplinaria, la biologa celular, que integra la estructura, la bioqumica, la fisiologa y la gentica a nivel celular.

Captulo 1

IntroduccinCuando se es muy joven y se sabe un poco, las montaas son montaas, el agua es agua y los rboles son rboles. Cuando se ha estudiado y se es ledo, las montaas ya no son montaas, el agua ya no es agua y los rboles ya no son rboles. Cuando se es sabio, nuevamente las montaas son montaas, el agua es agua y los rboles son rboles.

Antiguo refrn del Budismo Zen

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Geneser: Histologa, 4a Edicin. Editorial Mdica Panamericana 2014

16 Captulo 1

Plasmalema

Citoplasma

Nucleolema

Ncleo

Fig. 1-1. Dibujo esquemtico de una clula.

En gran parte debido a este reciente desarrollo en la fase investigativa, la histologa ocupa un lugar central en la educacin y la investigacin mdicas. Al explicar las interrelaciones entre la estructura y la composicin molecular de las clulas, los tejidos y los rganos, la histologa representa el nexo de unin entre la bioqumica, la fisiologa y la gentica, por un lado, y los procesos patolgicos y la clnica por el otro.

Qu es una clula? A continuacin, se explicarn brevemente las propiedades biolgicas y estructurales generales de las clulas antes de analizarlas con mayor detalle en los prximos captulos.

Mitocondrias

Cromatina

a b

Nuclolo

Ergastoplasma

Gotas de lpidos

Grnulo de secrecin

Aparato de Golgi

Fig. 1-2. Ejemplos de orgnulos e inclusio-nes. a es un fibroblasto (clula de tejido conec-tivo) y b es una clula secretora pancretica. (Segn Giese).

La sustancia viva presente en los vegetales y los animales se denomina protoplasma (gr. protos, pri-mero; plasma lo formado), y la clula es la mnima porcin de protoplasma que posee existencia inde-pendiente. Los organismos animales ms simples, los protozoos (gr. zoon, animal), estn formados por una nica clula, mientras que todos los dems animales pertenecen a los organismos multicelula-res o metazoos (gr. meta, posterior; los metazoos aparecieron con posterioridad a los protozoos en la historia de la evolucin) y pueden ser considerados como un estado de clulas individuales.

La sustancia viva de la clula o protoplasma incluye el ncleo, compuesto por nucleoplasma, y el protoplasma circundante o citoplasma (Fig. 1-1). Toda la clula est rodeada por una membrana muy delgada de protoplasma especializado, la membrana celular o plasmalema (gr. lemma, membrana), que determina los lmites de la clula como unidad estructural. Del mismo modo, el nucleoplasma se mantiene separado del citoplasma por medio de una membrana de protoplasma es-pecializado, la membrana nuclear o nucleolema.

El ncleo y el citoplasma contienen varias estructuras identificables con el microscopio ptico, denominadas orgnulos e inclusiones. Se considera a los orgnulos como los pequeos rganos internos de la clula. Son unidades de protoplasma especializado, a cargo de funciones celulares especficas. Algunos ejemplos de org-nulos citoplasmticos son las mitocondrias (pro-duccin de energa), el ergastoplasma (sntesis de protenas) y el aparato de Golgi (depsito de sustancias de secrecin), mientras que el nuclolo (cuerpo nuclear) es un orgnulo nuclear (Fig. 1-2). Las inclusiones son componentes celulares

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prescindibles, y a menudo temporarios, que pueden ser sintetizados por la propia clula o ser captados del medio circundante, por ejemplo, los depsitos de sustancias nutritivas y pigmentos.

El resto del citoplasma, que rodea los orgnu-los y las inclusiones, aparece poco estructurado con el microscopio ptico y se denomina citosol.

Forma y tamao de las clulas Los mamferos estn formados por gran canti-dad de distintos tipos celulares, cada uno con funciones especfi cas. La especializacin fun-cional implica las correspondientes diferencias de aspecto, que permiten identifi car los distintos tipos celulares mediante el microscopio, segn se ver ms adelante. Aqu slo se presentan las variaciones de forma y tamao.

Clulas procariotas

Si bien los temas tratados en el resto del libro se refi eren a clulas nucleadas o eucariotas (gr. eu, bueno, verdadero; karyon, semilla), cabe destacar que las clulas anucleadas o proca-riotas (gr. protos, primero) han desempeado un papel muy importante en la investigacin de la biologa molecular celular. Las clulas procariotas incluyen las bacterias y las arqueas (gr. archaios, antiguo, original), que son clulas

pequeas, ms primitivas, carentes de ncleo celular. El DNA se compone de una nica mo-lcula circular, sin protena histona asociada. Se encuentra en contacto directo con el resto del protoplasma, que carece de orgnulos limita-dos por membrana, tales como mitocondrias o aparato de Golgi. El nombre procariota se debe a que este tipo celular apareci antes que las clulas eucariotas en la historia de la evolucin.

Fig. 1-3. Dibujo esquemtico que ilustra la va-riacin de las clulas en cuanto a forma y tamao. Todas las clulas estn dibujadas con el mismo aumento (900). La circunferencia exterior corresponde al tamao de un oocito (clula huevo) humano maduro. Dentro del crculo se distinguen: a, un espermatozoide; b, un adipocito; c, un fi bro-blasto; d, un eritrocito; e, un leucocito; f, una clula de msculo liso; g, una neurona; h, una clula de sostn del tejido conectivo. (Segn Windle).

Forma. La relacin entre forma y funcin se observa con mayor claridad en las clulas nerviosas, que poseen largas prolongaciones (en algunos casos, con longitud superior a un metro) a travs de las cuales logran establecer contacto con clulas muy alejadas, a las que afectan a pesar de la apreciable distancia que las separa. Otro ejemplo son las clulas musculares, muy alarga-das, que cuando se contraen permiten un notable acortamiento longitudinal (Fig. 1-3).

Pero la forma de las clulas no se debe slo a su funcin. En un medio lquido muchas clulas adoptan una forma redondeada o esfrica. Cuando las clulas se encuentran en masas compactas, por ejemplo en los epitelios o el tejido adiposo, la forma aparece afectada por la presin ejercida por las clulas circundantes, igual que en las burbujas de jabn. En consecuencia, adoptan una forma polidrica, es decir, con muchas caras. Algunas clulas no presentan una forma constante, sino que la modifi can con frecuencia, por ejemplo algunos de los leucocitos.

Tamao. Tambin el tamao de las distintas clulas es muy variable (Fig. 1-3). En promedio, el tamao de la mayora de las clulas vara entre 10-60 m (1 m = 1/1000 mm, vanse el Cuadro 1-1 y la Fig. 1-4), si bien las ms pequeas (euca-riotas) tienen un dimetro de 4 m. Algunos grupos animales poseen clulas de mayor tamao que otros; por ejemplo, los anfi bios presentan clulas grandes, mientras que los mamferos tienen clulas relativamente pequeas. No hay ninguna relacin entre el tamao de un animal y el de sus clulas.

La sustancia viva presente en los vegetales y los animales se denomina protoplasma (gr. protos, pri-mero; plasma lo formado), y la clula es la mnima porcin de protoplasma que posee existencia inde-pendiente. Los organismos animales ms simples, los protozoos (gr. zoon, animal), estn formados por una nica clula, mientras que todos los dems animales pertenecen a los organismos multicelula-res o metazoos (gr. meta, posterior; los metazoos aparecieron con posterioridad a los protozoos en la historia de la evolucin) y pueden ser considerados como un estado de clulas individuales.

La sustancia viva de la clula o protoplasma incluye el ncleo, compuesto por nucleoplasma, y el protoplasma circundante o citoplasma (Fig. 1-1). Toda la clula est rodeada por una membrana muy delgada de protoplasma especializado, la membrana celular o plasmalema (gr. lemma, membrana), que determina los lmites de la clula como unidad estructural. Del mismo modo, el nucleoplasma se mantiene separado del citoplasma por medio de una membrana de protoplasma es-pecializado, la membrana nuclear o nucleolema.

El ncleo y el citoplasma contienen varias estructuras identifi cables con el microscopio ptico, denominadas orgnulos e inclusiones. Se considera a los orgnulos como los pequeos rganos internos de la clula. Son unidades de protoplasma especializado, a cargo de funciones celulares especfi cas. Algunos ejemplos de org-nulos citoplasmticos son las mitocondrias (pro-duccin de energa), el ergastoplasma (sntesis de protenas) y el aparato de Golgi (depsito de sustancias de secrecin), mientras que el nuclolo (cuerpo nuclear) es un orgnulo nuclear (Fig. 1-2). Las inclusiones son componentes celulares

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Caractersticas fi siolgicas de las clulasLas clulas poseen propiedades fundamentales, denominadas vitales (lat. vita, vida) porque pre-cisamente son expresin de que las clulas son cosas vivas, no inanimadas. A continuacin se vern brevemente algunas de estas propiedades fi siolgicas (es decir, funcionales normales) o expresiones vitales. En un organismo ani-mal pluricelular hay una considerable especia-lizacin de los distintos tipos celulares, lo cual implica que no todas estas propiedades estn presentes en todas las clulas. Por lo tanto, el elevado nivel de desarrollo de una funcin en determinado tipo celular a menudo se produce en detrimento de otras propiedades.

Absorcin. Representa la capacidad celular de captar sustancias del medio circundante.

Secrecin. Ciertas clulas estn capacitadas para transformar las molculas absorbidas en un producto especfi co, que luego es eliminado en forma de secrecin.

Excrecin. Las clulas pueden eliminar los productos de desecho formados por sus procesos metablicos.

Respiracin. Las clulas producen energa mediante la utilizacin del oxgeno absorbido en la oxidacin de las sustancias nutritivas. Esta de-gradacin de los alimentos, que consume oxgeno, se denomina respiracin celular.

Irritabilidad. Es la capacidad de una clula de reaccionar ante un estmulo, por ejemplo la luz, o una accin mecnica o qumica. Todas las clulas son irritables, pero esta propiedad est ms acentuada en las clulas nerviosas.

Conductividad. Una de las posibles reaccio-nes ante un estmulo irritante es la formacin de una onda excitatoria o impulso, que se extiende desde el punto de irritacin hacia toda la superfi cie de la clula. La capacidad de transmitir un impul-so se denomina conductividad. La irritabilidad y la conductividad son las principales propiedades fi siolgicas de las clulas nerviosas.

Contractilidad. Se designa as la capacidad de la clula de acortarse en una direccin de-terminada como reaccin ante un estmulo. La contractilidad es una caracterstica especial de las clulas musculares.

Reproduccin. Las clulas poseen la capaci-dad de renovarse por crecimiento y divisin. El crecimiento celular presupone la sntesis de una mayor cantidad de sustancia celular, mientras que mediante la divisin celular se generan clulas nuevas por particin de las ya existentes.

1 cm

1 Hipfisis

1 mm

10Vellosidad intestinal

100 m

100 Oocito

10m 1.000 Eritrocito

1mLongitudes de onda visibles

0,1 m

10.000

Virus

0,01m

1.000.000

100.000

Protenas globulares y filamentosas

0,001 m

10.000.000 Anillo de benceno

0,0001m (1 )100.000.000 tomo de

carbono

Fig. 1-4. Dibujo esque-mtico que orienta al lector sobre la rela-cin de los tamaos en biologa. (Segn Garven).

1 mm =103 m = 106 nm = 107 103 mm = 1 m = 103 nm = 104

106 mm = 103 m = 1 nm = 10 107 mm = 104 m = 101 nm = 1

m = micrmetro nm = nanmetro = ngstrmCuadro 1-1. Unidades de longitud utilizadas en histologa.

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Componentes qumicos de las clulasEn ltima instancia, las propiedades de las clulas vivas estn limitadas por las caractersticas de las molculas que las componen. Por lo tanto, como conclusin de este captulo introductorio, se describirn sintticamente las propiedades qumicas ms bsicas de la clula, a modo de breve presentacin de las relaciones biolgicas celulares y moleculares ms complejas que se vern ms adelante.

Los componentes qumicos de la clula pue-den clasificarse en inorgnicos (agua y sales) y orgnicos (protenas, hidratos de carbono, lpidos y cidos nucleicos). La mayor parte de la clula est compuesta por agua (70-80%), mientras que casi la totalidad del resto est formado por compuestos orgnicos (slo alrededor del 1% es material inorgnico).

Agua. La mayor parte de la clula es agua, que es indispensable dado que casi todas las reaccio-nes qumicas, y en consecuencia las actividades celulares, se producen en medio acuoso. Esto se debe a una de las propiedades ms importantes y bsicas del agua: la capacidad para actuar como solvente de sustancias con carga y polares, lo cual, a su vez, se relaciona con el pequeo tama-o de la molcula de agua y su fuerte polaridad (vase el Recuadro).

La polaridad de las molculas de agua permite que penetre con facilidad entre los iones u otras molculas polares de las sustancias slidas y se forme una cubierta en la superficie de las dems molculas o iones, lo cual produce una fuerte disminucin de la atraccin entre ellos. De esta manera, se separan y se disuelven. La polaridad de las molculas de agua contribuye tambin a que se formen mltiples enlaces de hidrgeno con las molculas de agua vecinas (entre los tomos de oxgeno, con carga relativa negativa, y los to-mos de hidrgeno, con carga relativa positiva, de las molculas adyacentes). Por lo tanto, en todo momento, cada molcula de agua forma 4 enla-ces de hidrgeno con las molculas vecinas de agua en estado lquido. As se crea un reticulado tridimensional de molculas de agua en estado dinmico, dado que los enlaces de hidrgeno se rompen y se forman constantemente a gran ve-locidad, pero a la vez con gran fuerza de unin. En consecuencia, las sustancias no polares, que carecen de sitios con carga, no pueden adosarse al reticulado de las molculas de agua, por lo que no se disuelven. En cambio, si las molculas que intentan penetrar en el reticulado de molculas de agua poseen sitos polares o con carga, competirn en atraccin con las molculas de agua; por ende, el reticulado de agua puede abrirse y rodear la molcula polar. Los compuestos solubles en agua, por ejemplo las sustancias polares, tambin

se denominan hidrfilos (gr. hydro, agua; filein, amor), mientras que las sustancias no polares insolubles se denominan hidrfobas (gr. fobos, temor). Si hay gran cantidad de sustancias no polares, hidrfobas, en agua, las molculas presionadas intentarn unirse y formar esferas para disminuir la superficie en contacto con el agua. Este fenmeno se denomina atraccin hidrfoba o no polar y se observa con facilidad si se intenta mezclar, por ejemplo, aceite con agua por agitacin en una botella. El aceite no es soluble en agua y se agrupa en gotas redondas. Este tipo de mezcla inestable de dos lquidos no miscibles tambin se denomina emulsin. Al dejar en reposo la botella, despus de la agitacin se unen las gotas y muy pronto se separa el agua del aceite para formar dos capas, la superior de aceite debido a su menor densidad. Tambin contribuye con fuerza a las propiedades del agua como solvente la capacidad de las molculas de agua para formar fcilmente enlaces de hidrgeno con otras sustancias. Como se ver ms adelante, estas relaciones entre agua y molculas polares y no polares tienen gran importancia para la estructura de las clulas, en especial para las propiedades de la membrana.

La intensa fuerza de atraccin entre las mo-lculas de agua es causal de la gran capacidad de acumular calor que tiene el agua, dado que el calor entregado primero debe romper los enlaces de hidrgeno, antes de que comience a aumentar la temperatura. Este proceso es muy importante para la estabilizacin de la temperatura de las clulas. La gran tensin superficial del agua tambin se debe a la unin entre sus molculas. Por ltimo, no debe olvidarse que las molculas de agua intervienen directamente como reactantes en numerosas reacciones enzimticas.

Sales. Los iones de las sales minerales tienen gran importancia en el mantenimiento de la presin osmtica dentro de la clula. Las concen-traciones inicas intracelulares difieren de las del lquido extracelular. Es especialmente caracters-tico que la clula posea una elevada concentracin de K+ y Mg++, mientras que Na+, Ca++ y Cl apare-cen sobre todo en el lquido extracelular. La mayor concentracin de aniones celulares corresponde al fosfato. Ciertos iones inorgnicos son cofactores imprescindibles de procesos enzimticos, por ejemplo los iones de calcio.

Protenas. Las protenas (gr. proteios, de pri-mer orden) tienen importancia fundamental en la estructura y la funcin de las clulas y del organis-mo como unidad. Forman parte de las molculas estructurales celulares y contribuyen a la fuerza de traccin (como fibras de colgeno) en estructuras extracelulares, por ejemplo del tejido conectivo y los huesos. Algunas protenas se secretan en la

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Se denomina enlace qumico a las fuerzas que mantienen unidos los tomos de las molculas.

Las uniones electrostticas (tambin denominadas enlaces iongenos) se produ-cen cuando un ion o un grupo de iones son atrados por un ion o un grupo de iones con carga opuesta. Se forma un ion cuando un tomo libera o capta electrones y se genera as una carga elctrica. Si el tomo libera uno o ms electrones, se forma un catin con carga positiva, por ejemplo Na+, debido al exceso de protones con carga positiva en el ncleo respecto de la cantidad de electrones con carga negativa que rodean el ncleo. Por el contrario, si un tomo capta uno o ms electrones, se forma un anin con carga ne-gativa, por ejemplo Cl, en este caso debido al exceso de electrones negativos respecto de los protones positivos. Por ejemplo, en condiciones adecuadas, un ion sodio cede con facilidad un nico electrn a un tomo de cloro para formar los iones Na+ y Cl. La carga opuesta de los dos iones produce una atraccin, un enlace electrosttico o iongeno que los mantiene unidos para dar NaCl en estado slido. Las uniones electrostticas constituyen los enlaces qumicos ms fuertes. Se requieren alrededor de 320 kilojoule (kJ) por mol para romper el enlace entre los iones formados en sustancias slidas o cristales. Si hay otras molculas cargadas presentes, stas son atradas por las cargas opuestas y se forma una cubierta protectora alrededor de los iones. La atraccin entre los iones se debilita debido a esta cubierta, lo cual facilita la separacin. Este proceso es muy notable en las molculas de agua, debido a sus propie-dades polares (vase ms adelante), y slo se requieren alrededor de 8 kJ/mol para romper los enlaces electrostticos cuando los iones estn recubiertos por una capa superfi cial de molculas de agua. Esto explica por qu los iones se separan fcilmente en un medio acuo-so y se disuelven para formar iones libres.

Enlaces covalentes. Mientras que en la formacin de uniones electrostticas se ceden y se captan electrones, para crear enlaces co-valentes los tomos comparten electrones. El ejemplo ms simple lo representa la formacin de hidrgeno molecular, H2, a partir de dos tomos del elemento. Si dos tomos de hidr-geno se acercan lo sufi ciente, el resultado pue-de ser que los electrones nicos provenientes de cada tomo de hidrgeno se unan para for-mar en conjunto una nueva rbita electrnica con dos electrones, que rodea ambos tomos.

Dado que esta rbita electrnica interna est completa, es estable desde el punto de vista energtico, y los tomos de hidrgeno quedan unidos, es decir, se produce un enlace covalen-te. La fuerza de los enlaces covalentes es muy variable; pero por lo general son relativamente estables (se requieren alrededor de 200-450 kJ/mol para romper un enlace covalente). Los electrones siempre se comparten de a pares en este tipo de enlace. Si se comparte un par de electrones, se produce un enlace simple; si se comparten dos electrones, se forma un enlace doble. Un enlace covalente se representa con dos puntos (H:H) o con un guion entre los smbolos de los tomos (H-H). Desde el punto de vista biolgico tiene especial importancia la capacidad del tomo de carbono de formar 4 enlaces covalentes distintos (dado que tiene 4 electrones no apareados en la rbita electrnica externa, que puede completarse hasta alcanzar un nivel de energa estable por formacin de cuatro enlaces covalentes). En consecuencia, los tomos de carbono pueden unirse en cadenas o en estructuras ramifi ca-das, que forman la columna vertebral de infi nidad de molculas biolgicas. En estas molculas, suelen aparecer tomos de hidr-geno, oxgeno, nitrgeno y azufre, con gran capacidad para formar enlaces covalentes; as, es comn un compuesto que presente un enlace con hidrgeno, dos con oxgeno, tres con nitrgeno y dos con azufre.

Se produce polaridad cuando los electro-nes de un enlace covalente no se comparten de modo equivalente entre los dos tomos involucrados. Esto implica que, en su movi-miento orbital, los pares de electrones com-partidos son atrados con mayor fuerza por uno de los ncleos atmicos y, por lo tanto, permanecen ms tiempo cerca de ste. Esto produce una carga negativa sobre el tomo en cuestin, mientras que, en cambio, el tomo que prescinde de los electrones durante pe-rodos ms prolongados adquiere una carga ligeramente positiva. En consecuencia, toda la molcula compuesta por los tomos presenta, de acuerdo con la posicin de stos, extremos con positividad y negatividad relativas. Este tipo de molculas se denominan polares, mientras que las molculas sin extremos re-lativos positivo y negativo se denominan no polares o apolares.

Como se ver ms adelante, la aparicin de enlaces polares y no polares juega un papel muy importante en el contexto biolgico. Por ejemplo, las notables propiedades biolgicas

Enlaces qumicos y polaridad

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21Introduccin

del agua se deben a que su molcula es muy polar. En todo momento, los electrones com-partidos de la molcula de agua se encontrarn ms cerca del ncleo de oxgeno, por lo que ste adquiere una carga relativa negativa y, en contraste, los tomos de hidrgeno ad-quieren carga relativa positiva. Dado que, al mismo tiempo, la ubicacin de los tomos de hidrgeno es asimtrica respecto del tomo de oxgeno, es decir, estn localizados hacia un lado de este ltimo, la totalidad de la mo-lcula de agua presenta un extremo positivo y uno negativo. Se observa una distribucin no equitativa en los pares de electrones compartidos de los enlaces covalentes entre tomos de hidrgeno y de oxgeno, nitrgeno y azufre. Las zonas de una molcula de mayor tamao, en la que se encuentran grupos -OH, -NH o -SH, contribuyen a transformar estas zonas en polares. Por el contrario, las zonas con enlaces CH se caracterizan por ser no polares, debido a que los tomos de carbono e hidrgeno comparten equilibradamente los pares de electrones cuando forman enlaces covalentes. Esto se observa con frecuencia en las largas cadenas hidrocarbonadas de los cidos grasos. Los grupos carbonilo (C=O) tienen slo una leve polaridad, dado que los electrones del doble enlace covalente entre el carbono y el oxgeno se comparten en forma moderadamente desigual.

Los enlaces de hidrgeno se producen cuando tomos de hidrgeno con positividad relativa (como consecuencia de compartir electrones en forma no equitativa [polaridad] en un enlace covalente con oxgeno, nitrgeno o azufre) son atrados por otros tomos con negatividad relativa como consecuencia de otra desigualdad al compartir electrones. Esto se representa en las frmulas de los compuestos mediante una lnea de puntos:

H+/

O- H+ N- /

Ntese que en la formacin de un enlace de hidrgeno no se produce intercambio de electrones (como en las uniones electrostticas) ni se compartan pares de electrones (como en los enlaces covalentes).

Los enlaces de hidrgeno son dbiles (se requieren slo 8-20 kJ/mol para romperlos), pero a menudo se forman muchos enlaces de hidrgeno dentro de una misma molcula o entre molculas distintas, por lo que la fuerza conjunta de los enlaces de hidrgeno es capaz

de estabilizar la estructura tridimensional de complicadas molculas como protenas y cidos nucleicos. Los enlaces de hidrgeno se rompen con mucha mayor facilidad que los enlaces covalentes debido a su fuerza mucho menor, en especial cuando hay aumento de la temperatura. Ya a 50-60 C se separan los enlaces hidrgeno de la mayor parte de las molculas biolgicas y a 100 C desaparecen casi por completo. La principal causa de la desnaturalizacin de las protenas y la consi-guiente prdida de sus propiedades biolgicas (p. ej., la inactivacin de las enzimas) con el calentamiento es precisamente la rotura de los enlaces de hidrgeno y lo mismo es cierto para la desnaturalizacin del DNA (es decir, la separacin de la molcula bicatenaria de DNA en dos hebras individuales).

Las fuerzas de van der Waals pueden ser de atraccin o de repulsin y se deben a la generacin de desequilibrios transitorios y aleatorios cuando se comparten los electro-nes de un enlace covalente (es independiente de la distribucin equitativa o no del par de electrones en el enlace covalente). Esto produce variaciones muy rpidas en sentido positivo o negativo en los tomos ubicados en los extremos del enlace covalente y, a continuacin, modifi caciones opuestas en las cargas de los enlaces covalentes cercanos. Por lo tanto, se crea una leve atraccin entre los tomos, que crece gradualmente en intensidad a medida que se acercan los tomos entre s. La atraccin se transforma en repulsin cuando la distancia disminuye hasta producir la superposicin de las rbitas electrnicas externas. Esta repulsin entre los tomos es relativamente fuerte. El resultado total de las fuerzas de van der Waals (atraccin y repul-sin) se manifi esta en una tendencia a que los tomos de una molcula, o de molculas diferentes, adopten posiciones que permitan el mximo acercamiento posible debido a la atraccin pero, al mismo tiempo, mantengan los requerimientos mnimos de espacio para cada tomo individual como consecuencia de las fuerzas de repulsin.

Si bien la atraccin de van der Waals con la distancia ptima entre dos tomos es dbil (slo se requieren 4 kJ/mol para romperla), el efecto conjunto de las fuerzas de van der Waals tiene gran importancia, junto con las dems formas de unin, para estabilizar la conformacin tridimensional de una molcula.

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22 Captulo 1

forma de enzimas digestivas o anticuerpos; otras actan como sustancias seal, por ejemplo hor-monas. Las protenas tienen especial importancia en el metabolismo celular (gr. metabole, trans-formacin), que comprende todas las reacciones qumicas de la clula. Algunas reacciones metab-licas son degradativas, por ejemplo la degradacin de las protenas, y se denominan catablicas (gr. kata, hacia abajo; balein, arrojar). En otras, se produce la formacin o sntesis de membranas, por ejemplo, y se denominan anablicas (gr. ana, hacia arriba). El especial papel que desempean las protenas en el metabolismo celular se debe a que casi todas las reacciones qumicas involucra-das son catalizadas por enzimas (gr. en, en; zyme, fermento o levadura) y a que casi todas las enzimas conocidas son protenas. Las enzimas pueden aparecer en solucin (en el citosol o dentro de los orgnulos) o estar ubicadas sobre las membranas, donde catalizan las reacciones que se producen en la superficie lmite entre las membranas y el medio circundante.

Las protenas se presentan como molculas de gran tamao o macromolculas, con pesos moleculares entre 6000 y muchos millones. Todas las protenas de todas las especies, desde las bac-terias hasta el ser humano, estn formadas por los mismos 20 aminocidos diferentes. Las plantas son capaces de sintetizar aminocidos a partir de agua, dixido de carbono y nitrgeno inorgnico. Por el contrario, los organismos animales no pueden sintetizar todos los aminocidos a partir de las sustancias fundamentales, por lo que necesitan incorporarlos como protenas a travs de la alimen-tacin. stas son degradadas en el tracto digestivo a aminocidos libres que se absorben y llegan a las clulas de todo el organismo por va hemtica. Entonces, son utilizados en la sntesis de distintas protenas, segn el tipo celular. Los aminocidos libres de la clula tambin pueden provenir de la degradacin de protenas celulares. En conjunto, los aminocidos libres forman el denominado fondo comn de aminocidos, que suministra aminocidos para la sntesis de nuevas protenas.

Todos los aminocidos se caracterizan por contener un grupo amino (NH2) y un grupo carboxilo (COOH), por lo que las protenas poseen nitrgeno (todas contienen carbono, hi-drgeno, oxgeno y nitrgeno; algunas tambin poseen azufre, fsforo y hierro). Cada aminocido tambin presenta una cadena lateral designada R (Fig. 1-5), que vara de un aminocido a otro y es especfica para cada uno. Los aminocidos en solucin a pH neutro se encuentran, sobre todo, como iones dipolares (zwitteriones), es decir, con protones en el grupo amino y el grupo carboxilo disociado (Fig. 1-5). Sin embargo, el estado de ionizacin vara con el pH del medio (Fig. 1-6).

El tomo de carbono central (Figs. 1-5 y 1-6) tambin se denomina tomo de carbono alfa.

Los aminocidos de una protena estn unidos formando largas cadenas a travs de los denomi-nados enlaces peptdicos, que se crean entre el grupo amino y el grupo carboxilo de dos amino-cidos (Fig. 1-7). Si la molcula formada contiene slo dos aminocidos, se denomina dipptido; si contiene 3, tripptido; y si posee ms de 3, poli-pptido. Una protena se compone de una cadena polipeptdica o ms y cada cadena puede contener desde unos pocos a miles de aminocidos. Por lo general, una cadena polipeptdica presenta un grupo amino libre en un extremo, que se designa terminal amino o terminal N, y un grupo COOH libre en el otro extremo, denominado terminal carboxilo o terminal C. Por convencin se es-tableci que una cadena polipeptdica comienza en el terminal amino, por lo que la secuencia de aminocidos se escribe a partir de este punto. Cabe destacar entonces que el tripptido glicina-alanina-tirosina es diferente del tripptido tirosina-alanina-glicina. Las cadenas polipeptdicas pueden contener cadenas laterales de aminocidos ani-nicas o catinicas, ya que algunos aminocidos poseen 2 grupos carboxilo o amino. Dado que el estado de carga de un aminocido depende del pH del medio, toda la molcula proteica se comportar como anin o catin, segn la suma algebraica de las cargas positivas y negativas a determinado pH. Se dice que la protena es anftera y el pH en el cual la protena es neutra desde el punto de vista elctrico se denomina punto isoelctrico.

La secuencia de aminocidos es especfica para cada protena y est determinada genticamente, dado que depende del cido desoxirribonucleico (DNA) del ncleo celular (vase ms adelante). La secuencia de aminocidos tambin determina la estructura primaria de la protena y establece la forma tridimensional o conformacin. Es ca-racterstico que las protenas presenten una estruc-tura tridimensional o conformacin bien definida, fundamental para la funcin. Por el contrario, una cadena polipeptdica extendida o dispuesta en forma aleatoria no presenta ninguna actividad biolgica. Aunque la secuencia de aminocidos o la estructura primaria establecen la conformacin, en algunos casos pueden aparecer diferencias menores en la secuencia sin que se altere la funcin de la protena. Un ejemplo caracterstico lo constituye la molcula de insulina, cuya secuencia de aminocidos difiere en varios sitios entre el ser humano, el buey, el perro y el ratn, pero todas estas molculas igual funcionan como insulina. Sin embargo, es muy importante saber en cules localizaciones exactas se producen las sustituciones. Un ejemplo es la pa-tologa denominada anemia de clulas falciformes o drepanocitosis, donde slo un aminocido de

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23Introduccin

una de las cadenas polipeptdicas de la molcula de hemoglobina (el pigmento rojo sanguneo portador del oxgeno) difiere de la secuencia de aminocidos de la hemoglobina normal. Esto causa la forma de hoz de los eritrocitos que, a su vez, produce la obs-truccin de los vasos pequeos. Adems, se produce anemia (carencia de sangre) como consecuencia de la rotura de los glbulos rojos anormales.

La conformacin tridimensional se divide a su vez en estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria, que se forman debido al plegamiento de la cadena polipeptdica, segn caractersticas determinadas por la secuencia de aminocidos.

La estructura secundaria puede presentar forma de espiral, denominada hlice alfa, o de lmina, designada lmina beta (Fig. 1-8). Ambas estructuras se generan por la formacin de enlaces de hidrgeno.

En casos aislados una protena se compone ex-clusivamente de hlices alfa o lminas beta. Esto ocurre, por ejemplo, en la protena queratina alfa (exclusivamente hlices alfa), que se encuentra en la epidermis, el cabello y las uas. Del mismo modo, la protena de la seda fibrona se compone slo de lminas beta. Ambos tipos de protenas son ejemplos de las denominadas protenas fibri-lares o fibroprotenas, que se caracterizan por

formar largas fibras en las que predomina un tipo determinado de estructura proteica secundaria.

No obstante, la mayora de las protenas no son fibroprotenas y presentan estructura terciaria (Fig. 1-9) debido a que la cadena polipeptdica con-tiene plegamientos que determinan una estructura compacta globular (redondeada). En consecuencia, estas protenas se denominan protenas globulares y por lo general presentan sitios caractersticos, o dominios, en los cuales el plegamiento local es es-pecialmente compacto. Los dominios pueden estar compuestos slo por hlices alfa, slo por lminas beta o incluso por una combinacin de ambas. Por lo general, en las protenas pequeas slo se encuentra un nico dominio, mientras que las ms grandes pueden tener ms de 20. A menudo, cada dominio tiene una funcin especializada. Muchos tipos distintos de fuerzas de unin contribuyen al plegamiento y el mantenimiento de la estructura globular, entre ellos uniones electrostticas, enlaces disulfuro (enlace covalente representado por -S-S-, que se forma entre dos grupos SH que provienen de dos aminocidos cistena diferentes), enlaces de hidrgeno y fuerzas de van der Waals. Tambin intervienen las atracciones hidrfobas, dado que los aminocidos con cadenas laterales hidrfobas tienden a alejarse del agua del medio a travs del

Fig. 1-5. Estructura general de un amino-cido en forma no ioni-zada y como zwitterin.

NH2

H C COOH

R

No ionizado Zwitterin

NH3

H C COO

R

-

+

Fig. 1-6. El estado de ionizacin de un ami-nocido depende del pH del medio.

pH = 1 pH = 7 pH = 11

NH3

H C COOH

R

+ NH3

H C COO

R

-

+

H++ H++

NH2

H C COO

R

-

+

Fig. 1-7. Formacin de un enlace peptdico.

Enlace peptdico

H

H N C C

R

3+ =

O-

O

1

+

H

H N C C

R

3+ =

O-

O

2

H

H N C C

R

3+

O

1

=

N

H

C C

R2

H

=

O

O

H O2

+

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24 Captulo 1

plegamiento globular, lo que les permite esconder-se en el interior globular de la molcula proteica.

Por ltimo, la estructura cuaternaria (Fig. 1-10) se forma debido a que algunas protenas estn compuestas por varias cadenas polipeptdi-cas que se pliegan en conjunto, donde los distintos polipptidos se unen entre s mediante los mis-mos tipos de fuerzas que unen una nica cadena polipeptdica en la formacin de la estructura terciaria. Cada cadena polipeptdica se denomina subunidad, y toda la protena se designa protena multisubunitaria.

La conformacin determina la funcin de una protena, como se demuestra a travs de acciones que afectan las fuerzas de unin; por ejemplo, la urea (que rompe los enlaces de hidrgeno), las sales (que interfieren en los enlaces electrost-ticos) y el aumento moderado de la temperatura (que rompe todas las uniones dbiles) alteran la conformacin normal y causan la prdida simult-nea de las funciones normales. Esta modificacin se denomina desnaturalizacin y en ocasiones es reversible, ya que la protena retoma su con-formacin normal espontneamente, una vez interrumpida la accin, y recobra sus funciones. Ante acciones ms poderosas (p. ej., el calenta-miento fuerte), la desnaturalizacin es irreversible (comprese con la clara al hervir un huevo). Como se ver ms adelante, tiene especial importancia el cambio que producen la fosforilacin y la acetilacin en la estructura de las protenas, con modificacin de la funcin, lo cual permite que la protena alterne entre estados activos e inactivos.

Lpidos. Las grasas o lpidos (gr. lipos, grasa) representan un grupo heterogneo de sustancias con la caracterstica comn fundamental de ser poco solubles en agua, pero muy solubles en solventes orgnicos (p. ej., ter, xileno y benceno). A su vez,

esto se debe a que los lpidos estn compuestos en su totalidad, o en gran parte, por grupos no polares (cabe recordar que el enlace entre carbono e hidr-geno, C-H, es no polar). Los lpidos se encuentran en las clulas como reserva energtica y como com-ponente estructural, en la forma de membranas.

Triacilgliceroles. Tambin se denominan tri-glicridos y su funcin principal es de depsito de energa concentrada, dado que se acumulan en las clulas como gotas de tamao variable. Los triacilgliceroles son steres de cidos grasos y glicerol (Fig. 1-11) y pueden hidrolizarse para dar esos componentes, tras lo cual los cidos grasos se oxidan (queman) para producir energa. Desde el punto de vista qumico, los cidos grasos son largas cadenas hidrocarbonadas con un grupo carboxilo en un extremo; la mayor parte de los cidos grasos de importancia biolgica tienen cantidades pares de tomos de carbono. Los ci-dos grasos saturados no contienen dobles enlaces, mientras que los cidos grasos insaturados tienen por lo menos uno.

Fosfolpidos. Estos compuestos son importan-tes componentes de la membrana celular, dado que presentan la notable propiedad de tener un extremo hidrfobo, que rechaza el agua, y un extremo hidrfilo, que la atrae. En consecuencia, son parcialmente solubles en agua y en grasas, caracterstica denominada anfipata (anfifilia), que contribuye a la capacidad de la membrana de actuar como barrera entre regiones (en fase acuosa) con funciones diversas. Desde el punto de vista qumico, el tipo de fosfolpido ms frecuente se compone de glicerol esterificado con cidos grasos (el enlace ster se forma entre un cido y un alcohol, con eliminacin de una molcula de agua) en los tomos de carbono 1 y 2, mien-tras que el carbono 3 se une a un grupo fosfato

Enlace de hidrgeno

Hlice alfa

Enlace de hidrgeno

Lmina beta

Fig. 1-8. Dibujo esque-mtico de la estructura secundaria de una protena, que muestra la formacin de una hlice alfa y una lmina beta mediante enlaces de hidrgeno.

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25Introduccin

Hlice alfa y lmina betaEn una hlice alfa la forma en espiral se estabi-liza por la creacin de enlaces de hidrgeno en-tre los grupos CO y NH de la cadena principal del polipptido. Todos los grupos CO y NH de esta cadena estn unidos por puentes de hidr-geno, dado que el grupo CO de un aminocido se liga al grupo NH del aminocido ubicado cuatro sitios ms adelante en la secuencia lineal (Fig. 1-8). Puede considerarse a la hlice alfa como una estructura en forma de bastn, donde la cadena principal en espiral representa la parte central del bastn, mientras que las cadenas laterales se orientan hacia afuera.

En las lminas beta se forman enlaces de hidrgeno entre grupos CO y NH que se encuen-tran en dos sitios diferentes de la misma cadena polipeptdica (que se pliega sobre s misma) o de cadenas polipeptdicas diferentes. En ambos casos las cadenas polipeptdicas involucradas se denominan fi bras beta y, en conjunto, los haces paralelos de fi bras unidos por enlaces de hidrgeno forman una estructura laminar de considerable rigidez. Si las fi bras beta transcu-rren en la misma direccin (considerada desde

el terminal N hasta el terminal C), la estructura se denomina lmina beta paralela, mientras que se emplea la designacin lmina beta antiparalela cuando las dos fi bras transcurren en direccin opuesta (cuando una nica cadena polipeptdica se pliega sobre s misma). En las protenas es frecuente encontrar cantidades variables de hlices alfa y lminas beta y en la actualidad se ha establecido por convencin que para dibujar las molculas proteicas se re-presenten las zonas de hlice alfa con espirales o cilindros, se ilustren las lminas beta como echas planas con la punta dirigida hacia el terminal C y, por ltimo, se sealen las cadenas de unin entre las hlices alfa y las lminas beta mediante cordones delgados (Fig. 1-9).

Se ha demostrado que ciertos motivos (ing. motifs) se repiten en distintas molculas proteicas, de los cuales son ms frecuentes los denominados lazada en horquilla (ing. hairpin-loops), beta-alfa-beta y hlice-giro-hlice. A menudo, estos motivos tienen la misma funcin en las distintas protenas donde aparecen.

Terminal N

Terminal C

Fig. 1-9. Dibujo esquemtico de una molcula de protena segn la convencin establecida, por la cual las hlices alfa se representan como cilindros y las lminas beta, como echas planas con la punta dirigida hacia el ter-minal C, mientras que las cadenas de unin se representan como cordones delgados.

(Fig. 1-12). Este ltimo es responsable de conferir a los fosfolpidos sus propiedades hidrosolubles. El otro extremo del grupo fosfato est unido a un alcohol nitrogenado u otro compuesto orgnico,

por ejemplo, un aminocido serina o treonina (Fig. 1-13). En el Captulo 3 se vern con mayor detalle los distintos tipos de fosfolpidos que conforman la membrana celular.

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26 Captulo 1

Fig. 1-10. Dibujo esquemtico de una estructura proteica. La estructura primaria est formada por la secuencia de aminocidos de la cadena polipeptdica, cuyos plegamientos conducen a la formacin de hlices alfa o lminas beta, es decir, la estructura secundaria. Plegamientos ulteriores crean la estructura terciaria globular (esfrica). Por ltimo, se forma la estructura cua-ternaria cuando varias cadenas polipeptdicas se pliegan en conjunto y se unen entre s para conformar una protena con varias subunidades (la protena presentada contiene 2 cadenas poli-peptdicas o subunidades).

Esteroides. Estos compuestos derivan del fenantreno y contienen 4 sistemas cclicos de car-bono (Fig. 1-14). Uno de los principales esteroides es el colesterol, que compone las membranas celulares y tambin interviene en la formacin de distintas hormonas, entre ellas, las sexuales.

Glucolpidos. Son compuestos que contienen un grupo hidrocarbonado en lugar de un grupo fosfato y tambin son anfipticos debido a la solu-bilidad del grupo hidrocarbonado. Al igual que los fosfolpidos y el colesterol, los glucolpidos inter-vienen en la estructura de las membranas celulares.

Hidratos de carbono. Los glcidos o hidratos de carbono, al igual que los lpidos, tienen funcin de fuente de energa y de componente estructural de la clula. Se clasifican en monosacridos, di-sacridos y polisacridos, de los cuales los dos primeros a menudo se denominan azcares. Son muy hidrosolubles, cristalizan y atraviesan con facilidad las membranas de dilisis (membranas de colodin o celofn, a travs de cuyos poros pasan fcilmente los iones y las molculas peque-as), mientras que los polisacridos no cristalizan ni atraviesan estas membranas.

Entre los monosacridos importantes, se cuentan las pentosas ribosa y desoxirribosa (con 5 tomos de carbono) que componen los cidos nucleicos (vase ms adelante), y las hexosas (con

Hlice alfa

Lmina beta

Estructura primaria

Estructura secundaria

Estructura terciaria

Estructura cuaternaria

H H H

HH C C C

O O O

O O OC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H H HHC C C

H H H

Glicerol

cid

o graso

cid

o graso

cid

o graso

Fig. 1-11. Dibujo esquemtico de la estructura de los triacilgliceroles.

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27Introduccin

6 tomos de carbono) glucosa, que es la fuente de energa ms importante de la clula (Fig. 1-15), galactosa, que forma parte del disacrido lactosa, y fructosa, componente de la sacarosa. Tanto las pentosas como las hexosas pueden encontrarse en forma lineal o cclica; en este ltimo caso, adoptan dos configuraciones (alfa y beta), que para el caso de la glucosa se denominan alfa glucosa y beta glu-cosa (Fig. 1-16). Las dos formas se encuentran en equilibrio en una solucin acuosa, pero predomina la estructura cclica.

Los disacridos se forman por unin de dos monosacridos, con eliminacin de una molcula de agua. Los disacridos ms importantes son el azcar comn o sacarosa, que se acumula en las clulas vegetales, y el azcar de la leche o lactosa, que se sintetiza y se secreta por las clulas de las glndulas mamarias.

Los polisacridos se forman por la unin de muchas molculas de monosacridos (con la co-rrespondiente eliminacin de molculas de agua).

Grupo polar

Fosfato

Glicerol

Cad

ena

de

cid

o gr

aso

Cad

ena

de

cid

o gr

aso

Parte polar

Cabeza hidrfila

Parte no polar

Cola hidrfoba

Fig. 1-12. Dibujo esquemtico de un fosfolpido, que mues-tra la localizacin de los grupos que lo componen (figu-ra de la izquierda) y la forma habitual de representar los fosfolpidos, por ejemplo en las membranas celulares (figura de la derecha), con una porcin hidrfoba no polar (cola hidrfoba) y una porcin polar hidrfila (cabeza hidrfila).

5/ */ */ 6 */*/ */5 */*/6 *66 /5 * / *66/5 */6*/ // // / //6 6/ 6/6/6/ 6,[HUVSHTPUH *VSPUH ;YLVUPUH :LYPUH 0UVZP[VSFig. 1-13. Ejemplos de compuestos orgni-cos que se encuen-tran con frecuencia en los fosfolpidos.

Por ejemplo, se acumula glucosa en forma del polisacrido glucgeno (en las clulas vegetales, el polisacrido equivalente es el almidn), donde las molculas de alfa glucosa se unen mediante el denominado enlace glucosdico alfa(14). Este tipo de enlace glucosdico se produce entre el tomo de carbono 1 de una molcula de alfa glucosa y el tomo de carbono 4 de la molcula de alfa glucosa vecina. La cadena puede presentar eventuales ramificaciones cuando se encuentran ocasionales enlaces glucosdicos alfa(16). Ante una necesidad energtica, el glucgeno se hidro-liza y produce molculas de glucosa, que luego se degradan con liberacin simultnea de energa.

La formacin de glucgeno mediante unida-des de glucosa en cadena es un ejemplo de un patrn biolgico muy frecuente, denominado polimerizacin. Implica que una cantidad impor-tante de subunidades iguales o muy semejantes, los monmeros, se encadenan para formar un polmero. Este principio tambin se encuentra en

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28 Captulo 1

muchos casos para la formacin de importantes estructuras celulares y extracelulares, como se ver ms adelante.

Los polisacridos pueden formar compuestos combinados con lpidos (para dar glucolpi-dos) y con protenas, denominados entonces polisacridos complejos. Los compuestos de protena-polisacridos comprenden un grupo muy importante de sustancias, que se estudiarn ms adelante. Aqu slo se darn como ejem-plos las glucoprotenas, que forman parte de las membranas celulares y son componentes de las secreciones de muchas clulas, y los gluco-saminoglucanos, componentes esenciales del tejido conectivo. A diferencia del glucgeno, los glucosaminoglucanos incluyen ms de un tipo de monosacrido en el polisacrido.

cidos nucleicos. Existen dos tipos de ci-dos nucleicos en las clulas, denominados cido desoxirribonucleico o DNA (ing. deoxyribo-nucleic acid) y cido ribonucleico o RNA. Los

12

34

5

19

109

8

76

1112

13

14

18

1716

15

HO

Ciclopentanoperhidrofenantreno

Colesterol

Fig. 1-14. Dibujo del ciclopentanoperhidrofenan-treno y del colesterol.

Fig. 1-15. Dibujo que muestra la estru tura de algunos monosacridos.

O

CO OH26

H

HO

C

C

C

C

C

HHO

5

43

H

2

O H

H 1

OH

OH

H O

C

H OH

HO HC

CH OH

OHH C

C

CH OH2

1

2

3

4

5

6

CH OH2

HH

H

H

H

C

C

C C

C

O OH

OH

OH

HO

6

5

43 2

1

Alfa glucosa (forma cclica)

Glucosa (forma lineal)

Beta glucosa (forma cclica)

Fig. 1-16. Las pentosas y las hexosas pueden presentar forma lineal o forma cclica. Como ejemplo, se muestra la hexosa glucosa, que en la forma cclica puede ser alfa glucosa o beta glucosa.

CH OH2

HO

OH

O

OH

OH

CH OH2

HO

OH

O OH

OH

CH OH2

HO

OH

O

HO

OH

OH

O

OH

COO

R

-HN-C-H C3 =

O

CH OH2

HO

OH

O OH

NH

C=

O

CH3

CH OH2

OH

OH

O OH

NH

C

=

O

CH3

H

CH OH2

OH

O OH

5

OH

1

23

4

CH OH2O OH

OH

Glucosa Galactosa

Manosa cido silico

N-acetilgalactosamina N-acetilglucosamina

Hexosas

Ribosa DesoxirribosaPentosas

cidos nucleicos son macromolculas de impor-tancia biolgica esencial, dado que las carac-tersticas hereditarias tienen su base qumica en el DNA: un gen es un segmento de una mo-lcula de DNA muy larga. El DNA se encuentra casi con exclusividad en el ncleo celular,

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29Introduccin

mientras que el RNA es sintetizado all y luego es transportado al citoplasma. En la sntesis del RNA, el DNA entrega su informacin a las molculas de RNA a travs de un proceso de-nominado transcripcin (lat. transcriptio). Las molculas de RNA intervienen despus en for-ma determinante en la sntesis proteica citoplas-mtica, donde la informacin se transfiere me-

diante un proceso denominado traduccin (lat. tanslatio, traduccin):

transcripcin traduccinDNA RNA protena

Composicin qumica. El DNA y el RNA se componen de cadenas de cido fosfrico y mo-lculas de pentosa, a las cuales se adosan bases nitrogenadas (Fig. 1-17). La pentosa del DNA es la desoxirribosa, mientras que la del RNA es la ribosa. Las bases son las purinas adenina (A) y guanina (G) y las pirimidinas citosina (C) y timina (T), respectivamente, si bien en el RNA la timina es reemplazada por uracilo (U).

Las macromolculas de cido nucleico estn formadas por nucletidos, cada uno compuesto por una base nitrogenda + pentosa + cido fos-frico. Por ejemplo, el nucletido monofosfato de adenosina (AMP) est formado por adenina + pentosa + fosfato. En conjunto, la base + la pento-sa componen una unidad denominada nuclesido, cuyo nombre depende de la base en cuestin. As, la adenosina contiene adenina y ribosa. Si al AMP se aade una molcula de fosfato, se emplea la designacin difosfato de adenosina (ADP); de modo similar, el trifosfato de adenosina (ATP) es un compuesto que contiene 3 molculas de fosfato en hilera. Denominaciones semejantes se aplican a los dems nuclesidos, por ejemplo, GTP. Si la pentosa que interviene es la desoxirribosa, se agrega una d minscula adelante, dATP.

Los cidos nucleicos son polmeros lineales de nucletidos, unidos mediante enlaces fosfato-dister (Fig. 1-17) entre el grupo fosfato del tomo de carbono 5' de una molcula de pentosa y el grupo hidroxilo del tomo de carbono 3' de una molcula de pentosa adyacente. As, la cadena de polinucletidos tiene una direccin definida, dado que un extremo de la cadena se denomina extremo 5' (lase extremo cinco prima), con un grupo fosfato libre adosado al tomo de carbono 5', mientras que el otro extremo de la cadena se denomina extremo 3', dado que aqu hay un grupo OH libre adosado al tomo de carbono 3'. Puede considerarse que la molcula de cido nucleico tiene una columna vertebral de molculas de fosfato y pentosa alternadas, en la que las bases nitrogenadas se adosan a las molculas de pentosa de la columna.

Toda la informacin gentica del organismo est codificada en la secuencia lineal de las cuatro bases. Un alfabeto de cuatro letras (A, T, C, G) co-difica la estructura primaria de todas las protenas, es decir, la secuencia en que deben encadenarse los 20 aminocidos que la componen. El esclareci-miento de este cdigo gentico comenz despus de que se descubriera la estructura del DNA.

Fig. 1-17. Seccin de una hipottica cadena de cidos nuclei-cos. Se observan 4 nucletidos y el enca-denamiento caracters-tico mediante enlaces fosfato-dister entre las molculas alternantes de fosfato y pentosas. (Segn De Robertis, Saez y De Robertis).

/ / /66 6

5// / //5 6 /5

????

//@/ //

66/*/6 7 666/*/6 7 6/66/*/6 7 666/*/6 7 66/

6 5 55555 555555

666

,_[YLTV (KLUPUH*P[VZPUH.\HUPUH;PTPUH@$/

30 Captulo 1

A continuacin se presenta someramente la estructura del DNA y la relacin con la sntesis proteica (se analizar con mayor detalle en los Captulos 3 y 4).

Estructura del DNA. El DNA forma molcu-las muy largas, por lo que tiene un peso molecular muy elevado. Las colibacterias poseen una nica molcula circular de DNA, de 1,4 mm de largo, con peso molecular aproximado de 2,6109. La cantidad de DNA en las clulas eucariotas puede ser varios miles de veces mayor, y en una nica clula humana el contenido de DNA tiene una longitud total de alrededor de 1 m.

En 1953 Watson y Crick propusieron una hi-ptesis para la estructura del DNA, que explicaba tanto sus propiedades qumicas como biolgicas. De conformidad con el modelo de Watson-Crick, la molcula de DNA es una espiral bicatenaria, una doble hlice, como una escalera de caracol (Fig. 1-18). Los parantes de la escalera son las dos hebras, cada una formada por una cadena de polinucletidos enrollada sobre s misma en sentido dextrgiro. Los escalones de la escalera se componen de las bases nitrogenadas, apareadas de manera tal que una base purnica siempre se una a una base pirimidnica, es decir, A-T o C-G. Enton-ces, las dos cadenas de nucletidos se mantienen unidas mediante los pares de bases que, a su vez, se unen a travs de enlaces de hidrgeno, de los que se forman dos entre A y T y tres entre C y G. Un giro completo de la espiral doble corresponde a 10 monmeros de nucletidos y los 10 pares de bases se disponen en una pila perpendicular a la columna de pentosas y cido fosfrico, con una distancia de 0,34 nm entre cada par de bases y un total de

3,4 nm por cada giro completo de la espiral. Sobre la base de los modelos espaciales del DNA, puede establecerse que la espiral doble tiene un dimetro de 2,0 nm en promedio. Adems, se forman dos surcos, uno mayor y ms profundo, y otro menor y ms aplanado.

Es importante destacar que las dos hlices do-bles de DNA transcurren en direcciones opuestas, son antiparalelas, es decir, una presenta sentido 5'3', mientras que la otra tiene sentido 3'5'.

La secuencia de bases de una de las cadenas de nucletidos puede variar, pero en la cadena opuesta la secuencia debe ser complementaria, dado que, como se vio, el apareamiento de las bases es complementario (AT o CG).

Esta complementariedad tiene gran impor-tancia para el mecanismo por el cual la molcula de DNA se duplica o replica. Este proceso tiene lugar antes de la divisin celular para que las dos clulas hijas reciban exactamente el mismo contenido de DNA y, en consecuencia, de genes, que la clula madre. En la replicacin se separan las dos hebras de DNA a lo largo, ya que se abren los enlaces de hidrgeno y cada hebra forma una nueva pareja a travs de complejos procesos en-zimticos (se vern ms adelante, en el Captulo 4, pg. 136) a partir de bases complementarias presentes en el material circundante (Fig. 1-19). Por lo tanto, la replicacin es semiconservadora, es decir, la mitad de la molcula original (una hebra) se conserva en cada molcula hija.

Estructura del RNA. A diferencia del DNA, las molculas de RNA son monocatenarias, dado que slo en casos excepcionales (vase RNA de transferencia, ms adelante) se forman enlaces

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3'

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5'

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5'5'

5'

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Fig. 1-18. Modelo de Watson y Crick para la estructura del DNA. A = adenina; C = citosina; G = guanina; T = timina; P = fosfato; S = desoxirribosa. (Segn Harper).

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31Introduccin

de hidrgeno entre las bases nitrogenadas, como consecuencia de la creacin de asas en la hebra de nucletidos (pares AU o CG).

Existen 3 tipos principales de RNA: el RNA mensajero, o mRNA, el RNA de transferencia, o tRNA, y el RNA ribosmico o rRNA. Los tres intervienen en la sntesis de protenas en el cito-plasma celular, que se describe en el Captulo 3.

Los tres tipos de RNA se sintetizan en el n-cleo celular a travs de un proceso denominado transcripcin, como se vio antes. De modo se-mejante a la replicacin del DNA, se separan las dos hebras de DNA y ahora se sintetiza, sobre la base de una hebra de DNA como molde, una nica hebra larga de RNA, segn el principio de apa-reamiento de bases complementarias y, en conse-cuencia, la hebra sintetizada es complementaria de la hebra de DNA. En realidad, esto significa que la secuencia de nucletidos de la hebra de RNA sintetizada es idntica a la secuencia de la hebra de DNA no transcripta (si se deja de lado que en la hebra de RNA aparece U en lugar de T, dado que el RNA contiene la base uracilo en lugar de timina). Adems, el RNA transcripto y la hebra

simple idntica de DNA no transcripta presentan el mismo sentido 53'. En consecuencia, por convencin, se ha establecido definir la secuencia de nucletidos de un gen de una doble hebra de DNA como aquella que se encuentra en la hebra simple de DNA no transcripta. Por lo tanto, sta se denomina hebra codificadora, mientras que la hebra transcripta se denomina hebra patrn.

El cdigo gentico. Como se vio, la informa-cin gentica del DNA est codificada de acuerdo con las variaciones de la secuencia de las 4 bases, en la forma de un alfabeto de cuatro letras (A, C, G, T). Este alfabeto se emplea para escribir palabras de slo tres letras, dado que una serie de tres nucletidos a lo largo de la hebra de DNA, un grupo de tres bases, triplete (ing. triplet) o co-dn, codifica un aminocido determinado en una protena (p. ej., GGA para el aminocido glicina). As, a lo largo de la hebra de DNA se suceden los grupos de tres bases que codifican aminocido tras aminocido en secuencia. Este cdigo gentico se copia en el proceso de transcripcin, dado que la molcula de mRNA formada, que recibe la informacin sobre la secuencia de aminocidos,

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P P

P

P PPP

T A

G C

A

A

T

T

T A

G C

A

A

T

T

T A

G C

A

A

T

T

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Fig. 1-19. Representa-cin esquemtica del mecanismo de repli-cacin del DNA. Las dos cadenas de nucle-tidos recin formadas se muestran con lnea gruesa en la parte infe-rior de la figura. (Segn Kornberg).

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32 Captulo 1

presentar una secuencia complementaria de grupos de tres bases, complementaria a la hebra patrn del DNA y ser, por lo tanto, idntica a la hebra codificadora. En consecuencia, los grupos de tres bases de la molcula de mRNA conten-drn la misma secuencia de codones que la hebra codificadora. Esta secuencia se traduce en el proceso de traduccin de la sntesis proteica en el citoplasma, como se ver en el Captulo 3.

De lo anterior se comprende que un gen es una parte de la molcula de DNA que codifica una molcula funcional de RNA. La molcula de RNA puede codificar la sntesis de determinada cadena polipeptdica (mRNA), en cuyo caso el gen se denomina gen estructural, o ser una molcula de tRNA, rRNA, snRNA o scRNA (snRNA y scRNA son pequeas molculas de RNA, que se estudian en el Captulo 4).

Cuestionario sobre generalidades de la clula

1. Qu expresa la teora celular? 2. Cmo se denominan los cuatro tejidos

fundamentales? 3. Qu se entiende por orgnulos? 4. Cul es la principal diferencia entre clu-

las procariotas y eucariotas? 5. Dentro de qu intervalo (en m) se ubica

el tamao de la mayora de las clulas? 6. Las clulas pueden caracterizarse como

organismos vivos debido, entre otras, a sus propiedades fisiolgicas. Por ejemplo, cules?

7. Qu propiedades de la molcula de agua le permiten ser un solvente ptimo para numerosas sustancias biolgicas?

8. Cmo se denominan los cidos que se encuentran en todos los compuestos proteicos?

9. Cules son las caractersticas de los aminocidos?

10. Cmo se denomina el enlace qumico que une a los aminocidos para formar largas cadenas proteicas?

11. Qu se entiende por estructura primaria de una protena?

12. Qu determina la conformacin de una protena?

13. Qu enlaces qumicos estabilizan la con-formacin de una protena?

14. Cul es la propiedad comn a todos los lpidos?

15. Qu tipos de lpidos intervienen como componentes esenciales de las membranas celulares?

16. Qu dos pentosas tienen gran importancia biolgica?

17. Cmo se denominan las cuatro bases nitrogenadas que componen el DNA y el RNA?

18. Cmo se denominan las dos hebras de una molcula de DNA que se transcriben en la transcripcin?

19. Qu se entiende por codn? 20. Cmo puede definirse un gen?

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