Introducción a la biología celular, Diapositivas de Biología

¡Descarga Introducción a la biología celular y más Diapositivas en PDF de Biología solo en Docsity! Introducción al estudio de la biología celular y molecular L.. células y sus estructuras sor demasiado pequeñas para observarlas, escucharlas o tocar as ce manera directa, Pese a este nolable inconveniente, las células son objeto de cientos 1.1 Descubrimiento de las células de miles de publicaciones cada año, con análisis cuidadoso 1.2 Propiedades básicas de las células de casi todos los aspectos de su minúscula estructura. De 1.3 Dos clases de células fundamentalmente muchas maneras, el estudio de la biología ce ular y molecular diferentes prevalece como tributo a la curiosidad numana y a su intel - e gencia creativa para diseñar instrumentos complejos y técni- 1.4 Virus cas de investigación. Lo anterior ro implica que los expertos PERSPECTIVA HUMANA: Posibilidad de terapia en biología celular tengan el monopolio de estos nobles ras- de restitución celular gos. En ur extremo del espectro científico, los astrónomos VÍAS EXPERIMENTALES: Origen de las células til zan un telescopio en órbita para captar imágenes de ga- eucariotas! laxias primorciales tan lejanas de la Tierra que se cbservan como existieron hace 13 mil millones de años, unos cuantos millones de años después del big bang. En el otro extremo, los Físicos nuc'eares han hecho que los protones choquen er- tre sí a una velocidad cercana a la de la luz, confirmando de esta manera la existencia de una oartícula hipotética (e! bo- son de H ggs) que al parecer proporciona masa a las otras partícul batómicas. Desoe luego, el universo está for- mado por mundos dentro de otros mundos, lo cual hace fasci- nante su estudio. Ejemplo de la función de la innovación tecnológica en el campo de la biología celular. micrografía muestra una célula colocada sobre im campo de ed 2 ns do AMB nia s a postes sintéticos, que sirven como sensores para medir la fuerza mecánica ejercida por la elementos teñidos de rojo son ha de aitina intracelulares que generan fuerzas cuando existe movilidad celular. Al desplazarse la célula, arrastra los postes a los que este que y Ls ? P G permite cuantificar la cantidad de tensión que éstos experimentan, El múcleo de la cólula está teñido de verde, (IMAGEN TOMADA DE J. L. TAN, ET AL., Proc. Narr. Acap. Sor. USA., 100 (4, O 2003 NarromaL Ácanzmy or $ s, USA. Cortesía DE CHRISTOPHER 5. CHEN, THE Jomns Horxiws University.) céltica, 1 sida, lo q Capítulo 1 Introducción al estudio de la biología celular y molecular Como se advierte en este | bro, la biología celular y mol ares reduccionista, es decir, se basa en el razona- mierto de que el conocimiento de las parles puede expli- car el carácter del todo. Desde este purto de vista, la per: ór de las maravillas y los misterios de la vida pue- den reemplazarse por la necesidad ce explicar todo en tér 1.1 | Descubrimiento de las células Las células, por su pequeño tamaño, sólo pueden observarse con la ayuda de un microscopio, instrumento que aumenta la imagen de un objeto diminuto. No se sabe cuándo los seres humanos comenzaron a fabricar vidrios con superficies curvas para desviar la luz y formar imágenes. Los primeros espéculos se produjeron en Europa en el siglo x1n y los microscopios ópticos compuestos (de dos lentes) originales se construyeron a finales del siglo xvt. A mediados del siglo xvr1, muchos científicos pioneros utilizaron sus microscopios caseros para descubrir un mundo que nunca se había revelado a sim: vista. El descubrimiento de las células (fig. 1.14) se acredita por lo general a Robert Hooke, un microscopista inglés a quien a la edad de 27 años le fue concedida la posición de curador de la Royal Society 9f London, la primera academia científica de Inglaterra. Una de las muchas preguntas que Hooke intentó responder fue por qué los tapones de corcho (parte de la corteza de los árboles) exan tan adecuados para contener el aire dentro de una botella. En 1665 escribió: “tomé un buen pedazo de corcho limpio y con un cuchillo tan alado como una navaja de afeitar corté un pedazo y ... al examinarlo con un microscopio percibí que tenía una apariencia porosa... muy semejante a la de un panal de abejas”. Hooke llamó a los poros células, porque se asemejaban a las celdas habitadas por los monjes de un monasterio. En la actualidad se sabe que observó paredes celulares vacías de tejido vegetal muerto, cla boradas por las células vivas a las cuales rodeaban, Mientras tanto, Anton van Leeuwenhoek, un mercader holandés que se ganaba la vida vendiendo ropa y botones, de- dicaba su tiempo libre a tallar lentes y construir microscopios de gran calidad (fig. 1.19). Durante 50 años, Leewwenhoek envió cartas a la Royal Society of London en las que describió sus observaciones microscópicas, junto con una explicación incoherente de sus hábitos diarios y su estado de salud, Fue el primero en examinar una gota de agua estancada bajo el m eroscopio y para su asombro, observó gran cantidad de “ani: malículos” en el campo del microscopio, que iban y venían ante sus ojos. También fue el primero en describir bacterias de diferentes formas presentes en agua utilizada para remojar pi- mienta y en residuos de sus dientes. Sus cartas iniciales re tidas a la Royal Society, en las que describe este mundo todavía no descubierto, se tomaron con tal escepticismo que la socie- dad mandó a su curador, Robert Hooke, para confirmar las observaciones; él hizo justamente eso, y Leeuwenhoek se con- virtió de inmediato en una celebridad mundial y fue visitado en Holanda por Pedro el Grande de Rusia y la reina de Ingla- terra, No fue sino hasta la década de 1830 que se difundió la importancia de las células. En 1838 Marthias Schleiden, un abogado alemán que se convirtió en botánico, concluyó que a pesar de la diferencia en la estructura de varios tejidos, las plantas estaban hechas de células y que un embrión vegetal minos de los mecanismos de la “maquinaria” del sistema. viviente, Er la medica en que esto pérdida que ocasiona tal reduccionismo pueda sustiturse por una ap“eciación no menos importante de la bel aza y complejidad de los mecanismos que subyacen la actividad celular, provenía de una de dichas estructuras. En 1839 Theodor Schwann, un zoólogo alemán colega de Schleiden, publicó un informe detallado sobre las bases celulares del mundo animal. Concluyó que las células de plantas y animales son estructuras similares y propuso los dos siguientes postulados de la teoría celular: (2) Figura 1.1 Descubrimiento de las células. (2) Uno de los micros- copios compuestos (con doble lente) més vistosos de Robert Hooke. En el recuadro aparece un dibujo realizado por Hooke de un corte delgado de corcho que muestra una red de “células” parecida a un panal de abejas. (5) Microscopio de una sola lente, usado por Anton van Leeuwenhoek para observar bacterias y otros microorganismos. Las lentes biconvexas, capaces de aumentar el tamaño de un objeto hasta 270 veces y proveer una resolución cercana a 1.33 pm, estaban sostenidas entre dos placas metálicas. (a: Tae GraNGER CoLLEc= tion, New York; recuanro: Briornoro Associates /Gerry Ima- GES, 1 B: O Berrmany/ CORBIS) brana interna es regulada por un gradiente eléctrico y tiene una conformación similar a la de una barra con una esfera en su extremo. Cada uno de estos niveles de organización se ilus- tra en los recuadros de la figura 1.3. Por fortuna para los especialistas en biología celular y molecular, la evolución avanza con lentitud en los niveles de la organización biológica que les interesa. Por ejemplo, mientras que un ser humano y un gato tienen características anatómicas muy diferentes, las células y los organelos que conforman sus tejidos son semejantes. El filamento de actina que se repre- senta en el recuadro 3 de la figura 1.3, y la enzima ATP sintasa que se observa en el recuadro 6, tienen estructuras idénticas en diferentes organismos (p. ej., humanos, caracoles, levaduras y secuoyas). La información obtenida del estudio de las células de un tipo de organismo tiene a menudo aplicaciones directas en otras formas de vida. Muchos de los procesos más elemen= tales, como la síntesis de proteínas, la conversión de energía química o la construcción de una membrana, son muy pareci- dos en todos los seres vivientes, Las células poseen un programa genético y los medios para usarlo Los organismos están estructurados con base en la informa- ción codificada en un conjunto de genes, los cuales están com- puestos de DNA. El programa genético humano contiene suficiente información para llenar millones de páginas de un texto, si se codificara en letras. Resulta relevante que esta gran cantidad de información esté empaquetada dentro de un grupo de cromosomas que ocupan el espacio del núcleo celu- lar: cientos de veces más pequeño que el punto de esta letra ¿. Los genes son más que gavetas para almacenar informa- ción: constituyen los planos para construir las estructuras ce- lulares, las instrucciones para llevar a cabo las actividades de las células y la programación necesaria para que éstas se dupli- quen. La estructura molecular de los genes permite, mediante cambios en la información genética (mutaciones), que exista variación entre individuos, lo cual forma la base de la evolu- ción biológica. El descubrimiento de los mecanismos me- diante los cuales las células usan y transmiten su información genética es uno de los logros más grandes de la ciencia en las últimas décadas. Las células son capaces de producir más de ellas mismas Las células individuales se generan al igual que los organismos completos poz reproducción. Las células se reproducen por división, un proceso en el cual el contenido de una célula “ma- dre” se distribuye dentro de dos células “hijas”. Antes de la división, los cromosomas se duplican con éxito y cada célula hija comparte la misma información genética. En la mayoría de los casos, las dos células hijas tienen el mismo volumen. Sin embargo, en ocasiones (p. ej., cuando un ovocito humano ex- perimenta meiosis), una de las células retiene casi todo el cito- plasma, aunque ésta reciba sólo la mitad del material genético (Ag. 1.4). Las células obtienen y utilizan energía Todos los procesos biológicos requieren del consumo de ener- gía. De manera virtual, toda la energía necesaria para la vida 20 um Figura 1.4 Reproducción celular. Este ovocito de mamifero expe- rimentó en forma reciente una división celular muy desigual, en la cual la mayor parte del citoplasma se retuvo dentro del ovoc:to grande, que tiene el potencial para fecundarse y desarrollar un em- brión. La otra célula es un remanente no funcional formado casi en su totalidad de material nuclear (como lo indican los cromosomas teñidos de azul, flecha). (Cortesía De Jonarnan Van BLERKOM.) en la superficie de la Tierra proviene de la radiación electro- magnética del Sol. Ésta es captada por los pigmentos que ab- sorben luz, los cuales están presentes en las membranas de las células fotosintéticas (fig. 1.5). La energía luminosa se con- vierte mediante fotosíntesis en energía química, que se alma- cena en forma de carbohidratos ricos en energía, como el al- midón y la sacarosa. Para la mayoría de las células animales, la energía llega a menudo empacada en forma de glucosa. En los humanos, la glucosa se libera del hígado y llega a la sangre, en la cual circula en el cuerpo y libera energía química para todas las células. Una vez dentro de ellas, la glucosa se desensambla de tal manera que su contenido energético se pueda almacenar en forma de energía disponible y rápida (por lo general como ATP), la cual se utilizará más tarde para el funcionamiento de las innumerables actividades celulares. Las células invierten una enorme cantidad de energía tan sólo en degradar y re- construir las macromoléculas y los organelos que las compo- nen. Este continuo “recambio” mantiene la integridad de los componentes celulares a pesar de los inevitables procesos de desgaste y rotura, y permite a la célula reaccionar con rapidez a las condiciones cambiantes, Figura 1.5 Captación de energía. Una célula viva del alga flan tosa Spirogyra. El cloroplasto es semejante a un listón, el cual se ob- serva en zigzag a través de la célula. Éste es el sitio donde se captura la energía de la luz solar y se convierte en energía química durante la fotosíntesis. (M.I. Wan se/n[99 se sp sesiseq sepepaldold z'L Capitulo 1 Introducción al estudio de la biología celular y molecular Las células llevan a cabo diferentes reacciones químicas Las células funcionan como plantas químicas en miniatura. Aunque la célula bacteriana más simple es capaz de realizar cien= tos de transformaciones químicas diferentes, ninguna de ellas ocurre a una velocidad significativa en el mundo imanimado. Por lo general todos los cambios químicos que suceden en las células necesitan enzimas, moléculas que incrementan la velocidad a la que ocurre una reacción química. La suma total de las rea químicas en una célula representa el metabolismo celular, Las células se ocupan de numerosas actividades mecánicas Las células representan lugares de actividad incesante. Los materiales se transportan de un lugar a otro, las estructuras se acoplan y desacoplan con rapidez y, en muchos casos, la célula entera se mueve por sí misma de un punto a otro, Estas activi- dades se basan en cambios intracelulares mecánicos y dinámi- cos, la mayoría de los cuales inicia por transformaciones es- tructurales de proteínas “motoras”. Éstas son sólo uno de los muchos tipos de “maquinarias” moleculares empleadas por las células para llevar a cabo actividades mecánicas. Las células son capaces de reaccionar a estímulos Algunas células responden a estímulos de manera obvia; por ejemplo, un protista unicelular se mueve lejos de un objeto que está en su camino o se dirige hacia una fuente de nutrimentos. Las células que conforman una planta o un animal multicelu- lares no reaccionan a estímulos de modo tan elemental. La mayor parte de las células está cubierta de receptores que inter actúan con sustancias en el ambiente en una forma muy espe= cífica. Las células poseen receptores para hormonas, factores de crecimiento, materiales extracelulares y sustancias locali- zadas en la superficie de otras células. Éstos proveen vías a través de las cuales los agentes externos pueden iniciar reac ciones específicas en una célula diana. Las células pueden res- ponder a estímulos específicos por medio de la alteración de su actividad metabólica, al prepararse para la división celular, al moverse de un lugar a otro o destruyéndose a sí mismas. Las células son capaces de autorregularse En años recientes se ha acuñado un término para describir a las células: robustez. Las células son robustas, es decir, vigorosas án protegidas de fluctuaciones peligro- sas en su composición y comportamiento. En caso de ocurrir tales cambios, se activan circuitos específicos de retroalimenta- ción que devuelven a la célula al estado apropiado, Además de necesitar energía, el mantenimiento de un estado complejo y ordenado exige regulación constante. La importancia de los mecanismos de regulación celular es más evidente cuando las células se dañan. Por ejemplo, la falla de una célula para corte= gir un error cuando duplica su DNA puede crear una muta- ción que la debilita o una alteración en el control de creci miento celular que puede transformar a la célula en una célula cancerosa con la capacidad para destruir a todo el organismo. Poco a poco se conoce más acerca de la forma en que la célula controla estas actividades, pero feltz mucho por descubrir. Considérese el siguiente experimento que llevó a cabo en 1891 Hans Driesch, un embriólogo alemán. Él encontró que o duraderas, porque es Desarrollo normal Resultado experimental Figura 1.6 Autorregulación. El esquema de la izquierda muestra el desarrollo normal de un erizo de mar en el cual un huevo fecun- dado da lugar a un solo embrión. El de la derecha señala un exper:- mento en el que las células de un embrión se separan después de la primera divisiór y se permite que cada célula se desarrolle de ma- nera aislada. En lugar de desarrollarse la mitad de un embrión, como ocurriría si no se alterara, cada célula aislada reconoce la ausencia de su vecina y regula su desarrollo para formar un embrión completo podía separar por completo las primeras dos o cuatro células de un embrión de erizo de mar y que cada una de ellas era capaz de desarrollar un embrión normal (fig. 1.6). ¿Cómo puede una célula, que por lo general está destinada a formar sólo una parte del embrión, regular sus propias actividades y formar un embrión entero?, ¿de qué forma la célula aislada reconoce la ausencia de sus vecinas y reorienta el curso de su desarrollo celular?, ¿cómo puede una parte del embrión tener un sentido global? Hasta el momento no es posible mejorar las respuestas que se dieron hace más de 100 años, cuando se realizó este experimento. En este libro se describen procesos que requieren diversos pasos ordenados, muchos de los cuales son parecidos a las lí neas de ensamble en el armado de un automóvil, donde los trabajadores acoplan, remueven o hacen ajustes específicos conforme el ensarablaje del auto avanza. En la célula, la infor- mación para el diseño de productos reside en los ácidos nuclei- cos y los trabajadores de la construcción son sobre todo las proteínas. Más que ningún otro factox, la presencia de estos dos tipos de macromoléculas aparta a la química celular del mundo inerte. la célula los trabajadores tienen que actuar sin el beneficio de la dirección consciente. Cada paso de un proceso debe ocurrir de modo espontáneo, de forma que el siguiente paso se activa de manera automática. En muchos sentidos, la célula opera de un modo análogo al artilugio para exprimir una naranja descubierto por “el profesor” y que se muestra en la fi- gura 1.7, Cada tipo de actividad celular necesita un grupo único de máquinas y herramientas moleculares muy complejas: los productos de los periodos de selección natural y de la evo= Máquina para exprimir jugo de naranja ¡MU El profesor But:s cayó por el foso abierto ce un elevador y cuando tocó tierra sólo encortó ¡na máquina para exprinir raranjas. El lechero toma la botella de leche vacia (A) y jala de la .erda (B), lo que orovoca que la espada (C) corte la cuerda (D). Esto permize que la navaja de le ga llotina (E) caiga y corte la cuerda (F) que a su vez libera el ariete (G). Éste empuja la lastima al “halcón” [L), Este Cltimo abre el p.co por el color, suelta la ciruela y permite que el zapato (M) caiga sobre la cabeza de ur pulpo dormido (N). El cefalóoodo despierta molesto y observa la cara de buzo dibujada sobre la naranja y la oprime; de esa manera el ¡ugo de naranja cae al vaso (O), Después puede util- zarse el tronco para constr. ir una cadaha en la que puede crecer su hijo, que llegará a ser Figura 1.7 Las actividades celulares con frecuencia son análoges a las que realiza esta máquina de Rube Goldberg, en la cual un suceso activa “de manera ¿u- tomática” a otro posterior, en una secuencia de reac- ciones. (Rus GoLpBERC” y O ps Raz GOLDBERG, puerta abierta (H) y la cierra. La hoz (1) corta la nararja (J) y, al mismo tiempo, la espina (K) lución biológica. El objetivo más importante de los biólogos es entender la estructura molecular y la función de cada uno de los componentes que intervienen en una actividad particu- lar, los medios por los cuales estos componentes interactúan y los mecanismos que regulan dichas interaccion: Las células evolucionan ¿Cómo surgieron las células? De todas las preguntas trascen- dentes formuladas por los biólogos, ésta es la que menos res- puestas tiene. Se piensa que proceden de alguna forma de vida precelular, la cual a su vez se originó de materiales orgánicos inanimados que estuvieron presentes en los océanos primor ales. Sin embargo, el origen de las células está envuelto en un misterio total; su evolución puede estudiarse por medio del análisis de los organismos vivos de la actualidad. Si se obser- van las características de las células bacterianas que viven en el tubo digestivo de los seres humanos (Aig. 1.184) y las de una célula que forma parte de la pared del intestino (fig. 1.3), se percibirán notorias diferencias entre ambas. Sin embargo, las células en cuestión (al igual que otras presentes en organismos vivos) comparten innumerables características, como un có- digo genético común y membranas plasmáticas y ribosomas similares. Según uno de los principios básicos de la biología moderna, todos los organismos vivientes evolucionaron a par- tir de una sola célula ancestral común que vivió hace 3 mil millones de años. Por haber sido el punto de partida de todos los organismos vivos se le denominó el +/timo antepasado umi- sal común (o LUCA; last universal common ancestor). En la sección llamada “Vías experimentales”, al final del capítulo, se revisan algunos sucesos ocurridos durante la evolución de las células. Es preciso tener en cuenta que la evolución no es tan sólo un hecho del pasado, sino un proceso dinámico que aún modifica las propiedades de las células que estarán presentes en organismos que todavía no aparecen. presidente como Abraham Lincoln. S Is) REVISIÓN mA 1. Mencione las propiedades fundamentales que compar- ten tocas las células. Descríbase la importancia de cada una de ellas, 2, Describa algunas de as características celulares que sugieren que todos los organismos vivos derivan de un ancestro comár, 8. ¿Cuál es la fuente de energía que mantiene a vica en la Tierra?, ¿cómo se transfiere esta energía de un orga- nismo a otro? 1.3 | Dos clases de células fundamentalmente diferentes Una vez que el microscopio electrónico estuvo disponible, los biólogos fueron capaces de examinar la estructura interna de una gran variedad de células. A partir de estos estudios se en- contró que existen dos tipos básicos de células (procariotas y eucariotas) que se diferencian por su tamaño y sus estructuras internas u organelos (fig. 1.8). La existencia de dos clases dis- tintas de células, sin intermediarios conocidos, constituye una de las divisiones de evolución más fundamentales en el mundo de la biología. Las células procariotas, que son más simples en términos estructurales, incluyen a las bacterias, mientras que las células eucariotas tienen una estructura más compleja e inclu- yen a los protistas, los hongos, las plantas y los animales. No se sabe con certeza cuándo aparecieron las células procariotas por primera vez en la Tierra. La evidencia de vida Y El lector interesado en examinar una propuesta para acabar con el concepto antagónico de organismos procariotas y cucariotas puede consultar un breve ensayo de N. R. Pace en Naeure 4 11289, 2006 SQJUSJaJ4p aJUSUeJUaWuepuny sejnjeo ap sasejo sog eL 10 Capítulo 1 Introducción al estudio de la biología celular y molecular Cuadro 1.1 Comparación entre células procariotas y eucariotas Características comunes: 1 Membrana plasmática de estructura similar m1 Información recopilada en DNA que utiliza. idénticos 11 Mecanismos similares para la transcripción y la traducción de la información genética, incluyendo ribosomas semejantes m Rutas mecabólices compartidas (p. ej., glucólisis y ciclo de las ácidos carboxílicos [TCA]) parato similar para la conservación de la energía química en fo-ma ATP (localizado en la membraza plasmática de 9rocariotas y en la embrana mitocondrial de eucariot: 1 Mecanismos semejantes para la fotosíntesis (entre cianobrererias y plantas verdes) mm Mecanismos parecidos para sintetizar e insertar las proteínas de snembrana Í Proteasomas (estructuras para la digestión de proteínas) con arquitectura similar (entre arqueobacterías y eucariotas) cádigos genéticos Características de las células eucariotas que no se encuentran en procariotas: 1 División de la cé'ula en múcleo y citeplasma, separados por una envoltura nuclear que contiene estructuras de poros complejas 1. Los cromosomas son complejos, están compueszos por DNA y proteínas relacionadas y son capaces de compactarse en estructuras mitóticas 1 Organelos citoplásmicos membranosos complejos (incluidos el setículo endoplásmico, el aparato de Golgi, lisosomas, endosomas, peroxisomas y glioxisomas) 1. Organelos citoplásmicos especializados dara la respiración acrobia (mitocondrias) y la fotosíntesis (cloroplastcs) m1 Un citocsqueleto complejo (que incluye microfilamentos, filamentos intermedios y microtábulos), vinculado con proteínas motoras 1 Cilios y i 2 Son capaces de ingerir materiale dentro de vesículas membranos fagocitosis) 1. Pezedes celulares (en plantas) que contieren celulosa Í1 La división celular utiliza un huso mitótico que contiene microtúbulos para separar cromosomas m1 Presencia de dos copias de genes por célula (diploidia), que provienen de sendos progenitores E Presencia de tres enzin (polimerasas de RNA) 1 Reproducción sexual cue requiere meiosis y fecundación «quidos y sólidos y atraparlos plasmáticas (endocitosis y s Ciferentes para sintetizar RNA manera respectiva, Ámbas contienen una región nuclear, la cual posee el material genético y está rodeada por citoplasma. El DNA de las procariotas está presente en un nucleoide: una región de la célula no bien delimitada, sin membrana, que lo separa del citoplasma circundante. En cambio, las eucariotas poseen un núcleo: una región separada por una estructura membranosa compleja llamada envoltura nuclear. Esta dife- rencia estructural es la base de los términos procariota (pro, antes; karyon, núcleo) y encariota (en, verdadero; karycn, nú- cleo). Las células procariotas contienen relativamente peque- ñas cantidades de DNA) el contenido de dicha molécula en una bacteria oscila entre 600 000 y 8 millones de pares de bases, lo cual es suficiente para codificar de 500 a varios miles de pro- teínas.? Aunque una “simple” levadura de panadería tiene sólo unipoca más DNA (12 millones de pares de bases que codifi- nas) que las procariotas más comple- jas, la mayor parte de las eucariotas posee mucba más infor- ? Ocho millones de pares de bases equivalen a una molécula de DNA de alre- dedor de 3 mun de la:gp, mación genética. Todas las células poseen cromosomas que contienen DNA. Las eucariotas muestran un número deter- minado de cromosomas separados, cada uno de los cuales tiene una sola molécula lincal de DNA. En cambio, casi todas las procariotas que se han estudiado contienen un cromosoma circular único. Lo más importante es que el DNA eromosó- mico de las eucariotas, a diferencia del de las procariotas, se relaciona de manera estrecha con proteínas para formar un material nuclcoproteínico complejo que se conoce como ero- matina. El citoplasma de los dos tipos de células también es muy diferente. El de una eucariota se conforma con una gran diver= sidad de estructuras, como es evidente por el análisis de mi- crografías electrónicas de cualquier célula vegetal o animal (fig. 1.10). Incluso las levaduras, las células eucariotas más simples, son mucho más complejas que una bacteria promedio desde el punto de vista estructural (compárense las figs. 1.184 y 5), aunque estos dos organismos poseen un número similar de genes. Las células eucariotas tienen una disposición de or- ganelos limitados por membrana. Estos incluyen mitocon- drias, donde la energía química está disponible para alimentar las actividades celulares; un retículo endoplásmico, donde se elaboran muchas proteínas y lípidos de la célula; el aparato de Golgi, el lugar en el que los materiales se clasifican, modifican y transportan a destinos específicos; y diferentes vesículas sim- ples limitadas por membranas de tamaño variable. Las células vegetales muestran organelos membranosos adicionales, in- cluidos los cloroplastos (donde ocurre la fotosíntesis), y mu= chas veces una gran vacuola única que puede ocupar la mayor parte del volumen celular. Tomadas como un grupo, las mem- branas celulares eucariotas sirven para dividir el citoplasma en compartimientos, dentro de los cuales se llevan a cabo activi- dades especializadas. En cambio, el citoplasma de las células procariotas está libre, en esencia, de estructuras membranosas. Las membranas fotosintéticas complejas de las cianobacterias son una gran excepción a esta generalización (fig. 1.15). Las membranas citoplásmicas de las células eucariotas 'man un sistema de conductos interconectados y vesículas que sirven para el transporte de sustancias de una parte a otra de la célula y entre su interior y el ambiente. A causa de su tamaño pequeño, la comunicación inrracitoplásmica directa es menos importante en las células procariotas, en las que el flujo de materiales puede efectuarse por difusión simple. Las células eucariotas también contienen numerosas es- tructuras que carecen de membrana celular que las limite. Los túbulos alargados y los filamentos del citoesqueleto están in- cluidos en este grupo y participan en la contractilidad, el mo- vimiento y el soporte celulares. Hasta hace poco tiempo se pensaba que las células procariotas carecían de citoesqueleto, pero en algunas bacterias se han encontrado filamentos de ci- toesqueleto primitivo. Por el momento es posible afirmar que el citoesqueleto de las procariotas es mucho más simple en términos estructurales y funcionales que el de las eucariotas. Ambos tipos de células tienen ribosomas, partículas no mem- branosas que funcionan como “mesas de trabajo” sobre las cua= les las proteínas se elaboran. Aunque los ribosomas de las cé- lulas procariotas y los de las eucariotas poseen dimensiones muy diferentes (los procariotas son más pequeños e incluyen mucho menos componentes), estas estructuras participan en el ensamblaje de proteínas con un mecanismo similar. La figura 1.11 muestra una micrografía electrónica con color artificial de una porción del extremo citoplásmico de un organismo eucariota unicelular. Ésta es una región de la célula en la que Filamento del —+ citoesqueleto Ribosoma Citosol Figura 1.10 Estructura de una célula eucariota. Esta célula epitelial reviste el aparato reproductor masculino en ratas, Er. los diagramas esquemáticos que rodean a la figura principal, se indican y muestran algunos organelos diferentes. (Day M. Pru11.1105/Pnoro RESEARCHERS, Inc.) 11 S9uS/aIp ajusuu¡ejusulepuny sejnjeo ap sasej9 sog eL 12 de la biología celular y molecular Capítulo 1 Introducción al estu Figura 1.11 El citoplasma de una célula eucariota es un compar- timiento saturado, Esta micrografía electónica coloreada muestra una pequeña región cercana al borde, de un organismo eucariota unicclular que se congeló de manera instantánea para su análisis croscópico. La apariencia tridimensional que se observa fue pos por medio de la captura de imágenes digitalizadas >idimensionales del espécimen en diferentes ángulos y la sobreposición de ellas con una computadora. Los filamentos del citoesqueleto se muestran en rojo, los complejos macromoleculares (sobre todo ribosomas) en verde, y las membranas celulares en azul, (Tomana pe Onan Mi DALIA, FT AL. 98:1211, 2002, Figura 3a, U 2002, REIM- PRESA CON AUTORIZACIÓN DE AAAS. Cortesía DE WOLFGANG BAUMEISTER.) los organelos limitados por membrana tienden a estar ausen: tes. La micrografía muestra filamentos individuales del citoes- queleto (rojo) y otros complejos macromoleculares grandes del citoplasma (verde). Casi todos estos son ribosomas. Este tipo de imagen hace evidente que el citoplasma de una célula euca- riota está lleno, lo cual deja poco espacio para la fase soluble del citoplasma, conocida como citosol. Entre las células eucariotas y procariotas pueden identifi- carse otras diferencias relevantes. Las primeras se dividen por un proceso complejo de mitosis, en el cual los cromosomas duplicados se condensan en estructuras compactas separadas por un sistema que contiene microtúbulos (fig. 1.12). Este aparato, conocido como huso mitófico, permite a cada célula hija recibir una cantidad equivalente de material genético, En las procariotas no hay compactación de los cromosomas ni huso mitótico. El DNA se duplica y las dos copias se separan de manera sencilla y precisa mediante el desarrollo de una membrana celular entre las dos. Las procariotas son organismos asexuados, puesto que sólo contienen una copia de su único cromosoma y carecen de procesos comparables a los de la meiosis, formación de game- tos o fecundación verdadera. Aunque en las procariotas no hay una reproducción sexual verdadera, algunas son capaces de Figura 1.12 La división celular en eucariotas requiere del ensam- ble de un aparato muy claborado llamado huso mitótico, que separa alos cromosomas y está construido sobre todo por microtúbulos. En esta micrografía, éstos aparecen en verde porque están enlazados de manera específica por un anticuerpo unido a un Muoróforo de dicho color. Los cromosomas, que casi se habían separado en dos células hijas cuando se fijó dicha célula, están teñidos de azul. (Cortesía De Conuy L. Ruz experimentar conjugación, en la cual un fragmento de DNA se transfiere de una célula a otra (fig. 1.13). Sin embargo, la célula receptora casi nunca recibe un cromosoma completo de la e lula donadora y el estado en el cual el receptor contiene su DNA y el de su donador es transitorio, debido a que la célula regresa pronto a su condición de un solo cromosoma. Aunque las procariotas no suelen ser tan eficientes como las eucariotas para cl intercambio de DNA con otros miembros de su propia especie, las primeras captan e incorporan DNA ajeno que se encuentra en el ambiente con más frecuencia que las segundas, lo cual ha tenido un impacto considerable en la evolución microbiana (pág, 29). Las eucariotas poseen diversos mecanismos de locomo- ción complejos, mientras que los de las procariotas son relati- vamente sencillos. El movimiento de éstas-se lleva a cabo me- diante un filamento delgado de proteína llamado flagelo, el cual sobresale de la célula y es capaz de girar (Eg. 114a). Las rotaciones de dicha estructura, que pueden sobrepasar 1000 veces por segundo, ejercen presión sobre el líquido circun- dante, impulsando la célula a través de su entorno. Algunas células eucariotas, incluidos muchos protistas y los espermato- zoides, también poseen flagelos, sin embargo las versiones eu- cariotas son mucho más complejas que los filamentos proteí- nicos simples de las bacterias (fig. 1.143) y el movimiento lo genera un mecanismo diferente. En los párrafos anteriores se mencionaron varias de las diferencias más relevantes entre los niveles de organización celular procariota y eucariota. En capítulos posteriores se revi- san muchos de estos puntos. Antes de asegurar que las proca= riotas son inferiores, se debe considerar que estos organismos han permanecido en la Tierra durante más de 3 000 millones de años y billones de ellos se encuentran sobre la superficie del cuerpo humano y en el tubo digestivo, consumiendo en abun- dancia los nutrimentos que ahí se encuentran. Por lo común, se considera a estos microorganismos como criaturas indivi duales y solitarias, pero descubrimientos recientes mostraron técnicas tradicionales, lo que constituye menos de 0.1% de los millones de especies que se cree existen en la Tierra. La apre- ciación humana de la diversidad de las comunidades procario- tas incrementó de forma espectacular en años recientes con el uso de técnicas moleculares que no requieren del aislamiento de un microorganismo específico. Supóngase que el objeto de estudio es la diversidad de procariotas que viven en las capas superficiales del océano Pa- cífico de la costa de California. En lugar de cultivar tales orga- nismos, lo cual podría ser inútil, un investigador puede con= centrar las células de una muestra de agua de océano, extraer el DNA y analizar algunas de sus secuencias presentes en la pre- paración. Todos los seres vivientes comparten ciertos genes, por ejemplo, aquellos que codifican los ácidos ribonucleicos (RNA; ribonuclete acids) presentes en los ribosomas o las enzi- mas de ciertas vías metabólicas. Aunque todos los organismos pueden compartir dichos genes, las secuencias de los nucleóti- dos que los constituyen varían de manera considerable de una especie a otra. Esto es la base de la evolución biológica. Al uti- lizar técnicas que revelan las diversas secuencias de DNA de un gen en particular en un hábitat determinado, se conoce de forma directa la diversidad de especies que hay en dicho ambiente. Las técnicas recientes de secuenciación se han vuelto más rápidas y rentables, de forma que casi todos los genes presentes en los microbios de un entorno específico pueden someterse a estudios de secuenciación, creando un ge- noma colectivo o netagenoma. Este método puede proporcionar información con respecto a los tipos de proteínas que produ- cen dichos microorganismos y, en consecuencia, sobre muchas de las actividades metabólicas en las cuales participan. Se han utilizado las mismas estrategias moleculares para explorar la notable diversidad de los “pasajeros invisibles” que viven alrededor de nuestro cuerpo o en él, en lugares como el tubo digestivo, la boca, la vagina y la piel. Esta colección de microbios, que se conoce como smierobicma, es tema de varios esfuerzos internacionales de investigación dirigidos a identiá- car y caracterizar estos microorganisrios en personas de dife- rentes edades, regímenes alimentarios, ubicación geográfica y estados de salud. Por ejemplo, se ha demostrado que los seres humanos obesos y los delgados tienen poblaciones bacterianas muy desiguales en el tubo digestivo. Conforme un individuo con sobrepeso pierde masa, su perfil bacteriano se modifica para hacerse similar al de las personas más delgadas. Un estu- dio reciente que analizó muestras de heces obtenidas de 124 personas de peso diverso, indicó la presencia dentro de la po= blación colectiva de más de 1 000 especies diferentes de bac- terias. En conjunto, tales microbios contuvieron más de 3 mi- llones de genes diferentes, es decir, unas 150 veces el número Cuadro 1.2 Cantidad y biomasa de procariotas en el mundo Número de células PgdeCen Ambiente procariotas x 10% — procariotas” Hábitat acuático 12 2.2 Superficie occánica marina 355 303 Suelo terrestre 26 26 Capa profunda de la 25-250 22-215 superficio terrestre Toral 415-640 353-546 *1 Pg (Peragramo, Fuentes W.B. Whitman ad, Proc, Nat, 4cad. $ei USA, 95:6581, 1998. que aparece en el genoma humano. Entre las funciones de las proteínas codificadas por dichos genomas microbianos están la síntesis de vitaminas, la degradación de azúcares vegetales complejas y la facultad de impedir la proliferación de microor- ganismos patógenos. Los biólogos han encontrado, con técnicas moleculares basadas en la secuenciación, que la mayor parte de los hábitat sobre la Tierra están saturados de vida procariota aún no ca- racterizada. En el cuadro 1.2 se muestra una estimación de la cantidad de estos seres vivos en los principales ambientes te- rrestres. Ahora se piensa que más de 90% de estos organismos vive bajo los sedimentos de la profundidad de los océanos y en los estratos superficiales del suelo. ¡Los nutrientes son tan es- casos en algunos de los depósitos comentados que, según se piensa, los microbios que en ellos residen se dividen sólo una vez en el transcurso de varios siglos! El cuadro 1.2 también muestra una aproximación de la cantidad de carbono que in- corpora el mundo de las células procariotas. Para traducir este número a términos más familiares, éste es comparable a la cantidad total de carbono presente en todo el mundo vegetal. Tipos de células eucariotas: especialización celular En muchos casos, las células eucariotas más complejas no se encuentran dentro de las plantas o animales, sino que son organismos formados por una sola célula (uricelulares), o pro- tistas, como los que se muestran en la figura 1.16. Toda la Figura 1.16 Vorticella, un protista ciliado compl: den observar varios de estos organismos unicelel: tene retraída la “cabeza” por el acortamiento de la banda contráctil en su tallo, teñida de azul. Cada célula posee un gran núcleo llamado macronúcleo (flecha), que contiene muchas copias de los genes. (CAROLINA BroLocicar Surrry Co./Puororake.) 15 SQJUSISHp aJUSUEJUSUIEPUN; Sen¡9o ap sasejo sog £'L 16 Capitulo 1 Introducción al estudio de la biología celular y molecular maquinaria necesaria para las actividades complejas en las cua- les intervienen estos organismos (percepción del ambiente, cap- eliminación de líquido excesivo y evasión de depredadores) está confinada dentro de una sola célula. Los organismos unicelulares complejos representan una vía evolutiva. Un camino alternativo ha llevado a la evolución de organismos multicelulares en los cuales diferentes tipos ce- lulares limitados a usos determinados efectúan distintas acti- vidades. Las células especializadas se forman por un proceso conocido como diferenciación. Por ejemplo, un óvulo humano fecundado experimenta un desarrollo embrionario que lleva a la formación de alrededor de 250 tipos distintos de células dife- renciadas. Algunas de ellas formarán parte de una glándula digestiva específica, otras se convertirán en componentes de un gran músculo esquelético, otras más constimuirán un hueso, etc. (fig. 1.17). La ruta de diferenciación seguida por cada cé- Lula embrionaria depende de manera fundamental de las seña- les que ésta recibe del ambiente circundante; dichas indicacio- nes están subordinadas a su vez a la posición de dicha célula Haz de célusas nerviosas Tejido con untivo laxo Tejido óseo con osteocitos de músculo estriado dentro del embrión. Como se revisa en la sección “Perspectiva humana”, que aparece en este capítulo, los investigadores han aprendido a controlar el proceso de diferenciación en cajas de cultivo y aplicar este conocimiento al tratamiento de enferme- dades humanas complejas. Como resultado de la diferenciación, distintos tipos celu- lares adquieren una apariencia característica y contienen ma- reriales únicos, Las células musculoesqueléticas poscen una estructura de filamentos muy bien alineados, compuestos de proteínas contráctiles únicas; las células de cartílago están ro- deadas por una marriz típica que contiene polisacáridos y co- lágeno, que en conjunto proporcionan apoyo mecánico; los eritrocitos son sacos de membrana en forma de disco, que es- tán llenos de hemoglobina, una molécula que transporta oxí- geno, ete. No obstante, a pesar de sus múltiples diferencias, las células de una planta o de un animal están compuestas de or- ganelos semejantes. Por ejemplo, las mitocondrias se localizan en todos los tipos celulares. Sin embargo, en un tipo específico pueden tener forma redonda y en otro un aspecto muy alar- Eritrocitos Células de músculo liso Figura 1.17 Vías de diferenciación celular. Algunos de los tipos de células diferenciadas presentes en los fetos humanos. (Microcrarías, cormesía De Micmars Ross, Un1iversITY OP FioRIDA.) gado. En cada caso, el número, la apariencia y la localización de los diferentes organelos pueden correlacionarse con la acti- + Se puede establecer una analogía con las diferentes secciones de una orquesta: todas ejecutan las mismas notas, pero un arreglo variable le da a cada una su ca- rácter y belleza únicos. vidad de cada tipo cell: Organismos modelo Los seres vivos son muy diversos y los resultados obtenidos de un análisis experimental pueden depender del organismo en particular bajo estudio. Como re- sultado, los expertos en biología celular y molecular enfocan sus actividades de investigación en un pequeño número de or- ganismos modelo o “representativos”. Se espera que un cuerpo de conocimiento extenso basado en tales estudios constituya un marco de referencia que permita comprende: los procesos bá- sicos que son compartidos por muchos organismos, en espe= cial por los humanos. Esto no quiere decir que muchos otros seres vivos no se utilicen de forma amplia en el estudio de la biología celular y molecular. No obstante, seis organismos mo- delo, un procariota y cinco eucariotas, han captado mucho la atención: una bacteria, E. coli; una levadura, Saccharomyces cere- visiae; una planta con flor, Arabidopsis thaliana; un nematodo, Caenorhabaitis elegans; una mosca de la fruta, Drosophila mela- nogaster, y un ratón, Mus nusculus. Cada uno de ellos posee ventajas específicas que los hace útiles como objeto de investi- gación para responder ciertas interrogantes. Cada uno de estos organismos se presenta en la figura 1.18 y en el pie se descri- ben algunas de sus ventajas como sistemas de investigación. Este texto se enfoca en los resultados obtenidos a partir de los estudios realizados en sistemas mamíferos, sobre todo en rato- nes y cultivos de células de mamífero, en virtud de que estos hallazgos son más aplicables a los seres humanos. Aun así, en este libro en ocasiones se describen investigaciones efectuadas en células de otras especies. Es sorprendente descubrir cuán semejante es el hombre en los niveles celular y molecular a estos organismos mucho más pequeños y simples. Tamaño de las células y sus componentes La figura 1.19 muestra las dimensiones relativas de diferentes estructuras de interés en biología celular. De forma habitual se utilizan dos unidades de medición lineal para describir el inte- rior de una célula: el micrómetro (pum; 10 metros) y el na- nómetro (nm; 107? metros). El angstrom (A), que es igual a una décima parte de un nanómetro, lo utilizan muchas veces los biólogos moleculares para cuantificar dimensiones atómi- cas. De manera simple, un angstrom equivale al diámetro de un átomo de hidrógeno. Las moléculas biológicas grandes (p. ej., macromoléculas) se describen en angstroms o nanómetros. La mioglobina, una proteína globular típica cuyo tamaño es de 4.5 X 3.5 X 2.5 nm proteínas muy largas (como el colágeno o la miosina) tienen una dimensión lineal mayor a 100 nm; el DNA tiene una anchura de 2.0 nm. Los complejos macromo- leculares, como los ribosomas, los microtúbulos y los microfi- lamentos, tienen un diámetro que oscila entre 5 y 25 nm. A pesar de sus pequeñas dimensiones, estas estructuras son bresalientes “nanomáquinas” complejas capaces de realizar di- versas actividades mecánicas, químicas y eléctricas, Las dimensiones de las células y sus organelos se definen con mayor facilidad en micrómetros. Por ejemplo, el núcleo posee un diámetro aproximado de 5 a 10 ¡um y las mitocon- drias miden 2 un de largo. Por lo general, las procariotas tie- nen una longitud de 1 4 5 pum y las eucariotas de 10 a 30 um. Hay varias razones por las cuales la mayor parte de las células son pequeñas. Considérense las siguientes. m La mayoría de las células eucariotas posee un único núcleo que contiene sólo dos copias de gran parte de los genes. Debido a que éstos sirven como moldes para la produc- ción de RNA mensajeros portadores de información, una célula sólo puede producir un número limitado de estos últimos en un tiempo específico. Entre más grande sea el oplásmico de una célula, mayor será el tiempo que se necesite para sintetizar los mensajes que ésta re- quiere. volamen m A medida que una célula incrementa su tamaño, decrece la relación área de superficie/volumen.* La capacidad de una célula para intercambiar sustancias con su medio es pro- porcional a su área de superficie. Si una célula creciera más allá de cierto tamaño, su superficie podría ser insuficiente para captar las sustancias necesarias para sustentar sus ac- tividades metabólicas (p. e?., oxígeno y nutrimentos). Las células especializadas en la absorción de solutos, como las del epitelio intestinal, poseen casi siempre microvellosida= des por medio de las cuales se incrementa en gran medida el área superficial disponible para el intercambio (fig. 1.3). El interior de una gran célula vegetal lo ocupa la mayoría de las veces una gran vacuola llena de líquido, en lugar de un citoplasma activo en términos metabólicos (fig. 8 365). m Una célula depende en gran medida del movimiento alea- torio de las moléculas (difusión). Por ejemplo, el oxígeno debe difundirse desde la superficie de la célula y pasar a través del citoplasma hasta el interior de sus mitocondrias. El tiempo necesario para esta difusión es proporcional al cuadrado de la distancia que se recorre. Por ejemplo, el Oz necesita sólo 100 microsegundos para difundirse a una distancia de un micrómetro, pero un tiempo 10% veces ma- yor para difundirse una distancia de un milímetro. Cuando una célula es grande y aumenta la distancia de la superficie al interior, el tiempo necesario para el movimiento por di- fusión de las sustancias hacia dentro y hacia fuera de una célula activa en sentido metabólico puede ser muy grande e inoperante. Biología sintética Un objetivo de un área de investigación en biolo; conocida como biología sintética, es crear células vivas en el laboratorio “partiendo desde cero” esencialmente, como se su- giere en la ilustración de la figura 1.20. Una motivación de los investigadores es lograr la hazaña y, en el proceso, demostrar que la vida en el nivel celular surge de manera espontánea cuando se reúnen en forma apropiada los elementos a partir de mato- riales sintetizados por medios químicos. En este punto crono- lógico los biólogos no se han acercado a dicha meta, y muchos miembros de la sociedad podrían argumentar que no es ético lograrlo. Un objetivo más modesto de la biología sintética es crear nuevas formas de vida, con el empleo de microorganis- mos existentes como punto de partida, que tengan un valor extraordinario en la medicina y en la industria o para la lim= pieza del ambiente. 3 Se puede constarar esta aseveración calculando nen de un cubo enyos lados miden 1 cm, y compas cubo con lados de 10 cz. La relación área superficial/volumen del cube queño es mayor en grado notable que la del grande. árca superáicial y el volu indolos con los de un 17 S9]JU9/SJ/P 3JUSUEJUSWepun; sejnje) ep sasejo sog eL 20 Capítulo 1 Introducción al estudio de la biología celular y molecular PERSPECTIVA HUMANA Posibilidad de terapia de restitución celular Muchas enfermedades huzianas son consecuencia de la muerte de tipos esoccíficos de células. Por ejemplo, la diabetes tipo 1 es resultado de la destrucción de las células B del páncreas; la enfermedad de Parkinson surge al desaparecer neuronas donaminérgicas del encéfalo y la insufi- ciencia cardiaca puede ser provocada por la muerte de cardiomiocitos Habría cue imaginar las posibilidades que surgirían si los científicos aús- Laran células de un paciente, las transformaran en otras que le fuesen necesarias y las introdujeran de nuevo a la misma persona para recuper la función perdida, Estudios recientes han dado a los investigadores la esperanza de que algún día este tipo de tratamiento sec una realidad co- mún. Para entender mejor el concepto de la terapia de restitución celu- lar, puede considerarse un procedimiento llevado a cubo en la actualidad conacido como trasplante de médula ósea, en el cual las células se obtie- nen del interior de los huesos pélvicos de un individuo donador y se implantan en el cuerpo de un receptor, El trasplante de médula ósea se practica sobre todo para tratar lin- fomas y leucemias, los cuales son tipos de cáncer que aftctan la natura- leza y el número de los leucocitos. Para efectuar este procedimiento, el paciente se expone a un also nivel de radiación o se trata cor sustancias tóxicas, o ambas cosas; estos agentes destruyen a las células cancerosas pero tembién a las unidade formadoras de colonias relacionadas con la ercación de eritrocitos y leucocitos. El trazamiento tiene efecto porque las células que generan la sangre son de maneza partcular muy sensibles a la radiación y a las sustancias tóxicas. Una vez que las células hemato- poyéticas de un ¡adividuo sc destruyen, se reemplazan con células de la médule ósea trasplantadas que oroceden de un dorador sano. La médula óser puede regenerar el tejido sanguineo del receptor de! trasplante porque contiens un pequeño porcensaja de células que pueden proliferar y restituir el tejido hematopoyético en el paciente.” Estas células hemo= <ógenas de la médula ósca se denominar: células madre hematopoyéti- cas (o HSC; Bematopoietis stem cells) y fueron descubiertas al principio del decenio de 1960 por Ernest McCuloch y James Til en la Universi. dad de Toronto. Dichos blastos son los encargados de reemplazar los miliones de erisrocitos y leucocitos que envejecen y mueren cada minuto en el cuerpo humeno (Lg, 17.6). De mane , una sola ISC es capaz de reconstruir el sistema hematopoyético (formador de sangre) complezo de un ratón radiado. Cada vez más padres piden que se guarde la sangre del cordón umbilical de sus hijos recién nacidos como una forma de “póliza de seguro de células madre” co; la posibilidad de que su hijo llegue a sufrir ura enfezmedad susceptible de ser trarada con la administración de HSC. Ahora que se describió un tipo de terapia de «estirución celular, se pueden considerar muchas otras alternativas que tengan posibilidades terapéuticas más amplias. Estos tratamientos posi- bles se dividirán en cuztro “ipos. Células madre adultas Las células madre hematopoyéticas ubicadas en la médu'a ósea consti- tuyen un ejemplo de citoblastos adultas Las células madre se definen como células no diferenciadas que: (1) son capaces de renovarse a sí mismas, es decir, que pueden producir més cólulas iguales a ellas, y (2) son multipotencieles, es decir, son capa- ces de diferenciarse en dos o más tipos de células maduras. Las HSC de -uédula ósea son tan sólo ::n tipo de céllas progenitoras. La mayoría de los órganos de un ser humano adulto, si 10 es que todos, contiene células madre capaces de reponer las células específicas del tejido en el que se encuentran. Incluso el cerebro del aculto, que no es reconocido por su capacidad de regeneración, contiene células progenitoras que la 1 El trasplante dí sión sanguínea en la que el receptor obtiene células sangríne: das (an especial glóbulos rojos y plaquetas) presentes en la circulación. médula ósea puede compararse con una simple transfi diferen (a) Figura 1 Célula madre muscular adulta. (a) Parte de una fibra muscular, cor: sus múltiples núcleos teñidos de azul, Se observa na célula madre individual (amarillo) alojada entre la superficie externa dela fibra muscular y una espa extracelular (o membrana basal), te= ida de rojo. La célula madre no diferenciada presenta este color amarillo porque expresa una proteína que no se encuentra en la fibra muscular diferenciada. (2) Célula madre adulta sometida a diferen ciación a célula adiposa en cultivo. Las células madre capaces de este proceso están presentes en el sejido aciposo adulto y también en la inédula ósea. (a: TOMADA DE CHARLOTTE A. COLLINS ET AL., CELL 122:291, 2005; con auTORIZACIÓN DE ELSEVIPR; $: CORTESÍA DE Taramo Fisner Serenriro, pe NarurE 451:855, 2008.) pueden generar nuevas neuronas y células glialos (las células de sostés del cerebro). En la figura la se muestra una célule madre individual ba- lada en tejido musculoesquelético adulto; se piensa que estas “células sarélite”, como se les llama, se dividen y diferencian según sea necesario para le reparación de tejido muscular lesionado. En la fgura 16 se pre- seata un cultivo ce células ediposas (grasas) que se han diferenciado in vitro a partir de células madre adultas que se encuentrar presentes en el resido adiposo. El corazón de un adulto humano contiene células madre que pue= den diferenciarse y formar células que integran el tejido muscular de dicha vísceza (los cardiomiocitos) y sus vasos sanguíneos. Se tiene la esperara de que dichas células macre del corazón puedan regenerar cl tejido cardiaco en una persona que ha presentado un infarto grave del miocardio. Este anhelo al parecer se materializó con lr publicación de dos señalamientos decisivos a finales de 2011, sobre los resultados de es: tadios de pacientes que habían padecido daño grave de tejido cardiaco posterior a infertos. Se obtuvieron células maáre de cada uno de los pa- cientes durante operaciones del corazór,, se logró su prolifesación numé- ici en cultivos in witro y después se inwodujeron al corazón de cada enfermo. En los meses siguientes, la mayor parte de los sujetos tratados mostró ena reposición notrble (per ejemplo de 30%) del miocardio da- ñado por tejido sano proveniente de las células madze introducidas, La regeneración hísticasse acompañó de una mejoría noz de la calidad de vida, en comparación con los sujetos del grupo expuesto a placebo que no recibieron dicho tipo de blastos. Las células madre adultas constitu- yea un sistema ideal parz la restitución celular tesapéutica porque repre- sencan un tratamiento autólogo, es decir, consiste en obtener células de la misma persona en la cual so wrilizarán. En consecuencia, dichos blastos o afrontan la posibilidad de ser rechazados por e” sistema inmunitario. “Al :nismo tiempo, no obstante, las células ruadre adultas son muy esca- dentro del iejido en cuestión, a menudo son difíciles de aislar y ma- nipular y es posible que restituyan sólo a células del mismo tejido del cual se obmvieron. Estos impresionantes resultados con células madre cardiaces kan reavivado el interés por los blastos adultos, el cual dismi nuyó después de intentos fallidos de estimular que blastos aislados de la médula ósea regenerarar: tejidos afectados. Células madre embrionarias E En los últimos decerios se ha generado gren excitación con respecto a los estudios de células madre embrionarias (ES; emóryonic siem), que son un tipo de células progenitoras aisladas de embriones muy jóvenes de mamíferos (Eg, 24). Éstas son células de embriones tempranos que dan origen a las a estructuras del! feto de mamífero. A diferencia de las luripotenciates, es decir, son capaces de use en casi cad tipo de célula corporal. En la mayor parte de los casos, las ES se han aislado de embriones proporcionados por elí- nicas de fecundación ¿n vitro. En el nivel mundial se dispone de docenas de líneas de células ES humanas genéticamente distintas para investigas ción experimental, cada una derivada de un solo embrión. El objerivo a largo plazo de los investigadores clínicos es aprender de qué maneza las ES se diferer.cian en cultivo en cada uno de los diversos tipos celulares que podrían utilizarse para terapia de restitución celular. Se ha logrado un avance considerable en este sentido, y varios estudios muestran que los trasplantes de células derivadas de ES diferenciadas pueden mejorar la salud de animales con órganos enfermos o dañados. Los pri-neros estudios er humanos comenzaron en 2009 en personas que presentaban lesiones debilitantes de médula espinal o que tenían una oftalmopatía llamada distrofia macular de Stargardt. Los ensayos para trazar lesiones de la médula espinal utilizan células, llamadas oligo- dendrocitos, que generan vainas de mielina que rodean los axones de neuronas (Ag. 4.5). Los gliocitos usados en dichos estudios se diferen- cacon a partir de células ES huranes en un medio que contenía insu- lina, hormona tiroidea y una combinación de [gunos factores de creci- miento; se observó axe dicho protocolo particular de cultivo encauzaba le diferenciación de las célelas ES en oligodendrocitos y no en ningún Figura 2 Células madze embrionarias; aislamiento y usos po- tenciales, (1) Micrografía de un blastocito de mamifero, en etapa temprana del desarrollo embrionario, en el que se identifica la zmasa celular interna compuesta de células ES pluripotenciales. Las células en cuestión, una vez aisladas, pueden proliferar con facili- dad en cultivos, (2) Métoco posible para obtener células diferen ciadas para terapia de restitución celular. Se consigue un fragmento pequeño de tejido del paciente y se fusiona una de las células so- máticas con un ovocito donado del cual se haya eliminado el nú- eleo, En el embrión en fase incipiente se vermite el desarrollo del ovocito resultante con el núcleo de la célula del paciente y se ob- tienen células ES que se dejan proliferas en cultivo. Se Seánduos a otro tipo celular. Cuando se escribió este texto no se habían publicado mejorías importantes en ninguno de los pacientes tratados y la compa- ñía que dirigía el estudio decidió interrumpir su implicación. El riesgo primario con este tipo'de procedimiento es la presencia no detectada de células ES no diferenciadas entre la población de las que sí lo están. Las no transformadas son capaces de desarrollar un tipo de tumor benigno, llamado teratoma, capaz de contener una masa peculiar de diversos teji- dos diferenciados, incluidos cabellos y dientes. La formación de un tera- toma dentro del sistema nervioso central podría tener consecuencias graves. Además, en la actualidad el cultivo de células ES incluye el uso de materiales biológicos no humanos, lo que también impone riesgos potenciales. Las células ES utilizadas en los primeros estudios se obtuvieron de líncas citológicas aisladas de embriones humanos sin vínculo alguno con los pacientes sometidos a tratamiento. Dichas células afrontan la posibi- lidad de ser rechazadas por mecanismos inmunológicos de la persona que recibe el trasplante. Sin embargo, es posible “personalizar” las células ES de modo que posean la misma composición genética del individuo por tratar. Esto se pudo lograr usando un método indirecto llamado transferencia nuclear de células somáticas (SONT somatis cell nuclear trans- fer), que se muestra en la figura 24, el cuel comienza con un óvulo no fecundado que se obtiene del ovario de una mujer donadora no emp rentada con el paciente. En este mérodo, el núcleo del óvulo no fecun- dado sería sustituido por el núcleo de una célula del paciente, lo cual daría al gameto la misma composición cromosómica del individuo por tratar. Entonces se permitiría al óvulo desarrollarse hasta una etapa em- brionaria temprana, y las células ES se extracrían, cultivarían e induci- rían a diferenciarse en el tipo de células necesarias para el paciente. Debido a que este procedimiento implica la formación de un embrión humano que sólo se usa como fuente de células ES, existen importantes Ovocit Ovocito ad con núcleo Célula sin núcleo somática a Céuias ES Fusionar las a, células somáticas A O lo Extraer conelovocito a a . células sinnúcleo forma de somáticas blastocito - Trasplá las cálulas o Células ES él musculares AA las células A a = diferenciadas. 55 Indúzcase a Ciferenciación de 'as, - células ES Células Ch DI SS sanguíneas E E BS pa Células hepáticas e Células o 7 nerviosas X (b) E una población de éstas para que se diferencien en las células busca das, que después serán trasplantadas al paciente para recuperar la función de algún órgano. (En la actualidad no se han podico obre- ner embriones en etapa de blastocico, los que contienen células ES, de cualquier especie de primate con la técnica mencionada. Áun- que se ha logrado con el uso de un ovocito del cual no se extrajo el aúcleo como primer paso. Las células ES generadas en tales expe simentos son triploides [). oj., tienen tres copias de cada cromo- soma, una del ovocito y cos del núcleo donado] y no dos copias como ocurriría en una situación normal. De cualquier forma, di- chas células son pluripotentes y pueden ser tsasplantadas.) (a: O PHantE/SUPERSTOCK) 21 SAJUSISJP 9JUSUEJUSWEPUN] SENS) ap sesejo sog £'L 22 l estudio de la biología celular y molecular cción al Capítulo 1 Introdu cuestiones éticas que deben resolverse antes de que pueda practicarse de manera sistemática. Aderzás, el proceso de SONT es muy costoso y demandante desde el punto de visa. técnico, por lo cuzl es muy impro- bable que pudiera ser parte habitual del -ratamiento mécico, Si en algú momento se practicara dicha terapia, es muy posible que dependicra del uso de bancos celulares que contarán con cientos o miles de células ES diferentes. Tales acervos podrían contener células con compatibilidad “on suficiente para su uso en la mayor parte de los pacientes. Células madre pluripotenciales inducidas Durante mucho tiempo se pensó que el proceso de diferenciación celular er. mamiferos era iereversible; una vez que ura célula se transformaba en un Abroblasto, en un leucocito o en una célula cartlaginosa, nunca se modificaría para convertirse er. otro tipo celular. Este concepto se tornó obsoleto en el año 2006, cuando Shinya Yamanaka y col., de la Kyoto Uni versity anunciaron un descubrimiento sorprendente; su laboratorio tuvo éxito en reprogramar una célula murina (en este caso un fibroblasto de tejido conjuntivo) que se transformó por completo en una célula madre pluripotencial. Lograron la hazaña de iz=twrodacir en dicha célula los ge- nes que codióicaban cuatro proteínas fundamentales características delas células ES (Oce4, Sox2, Kif4 y Mye, conocidos de manera colec:iva como OSKM). Éstos parecen desempeñar una función clave para mantener las células en un estado inciferenciado que les persite continuar autorreno- vándose. Los genes se introdujeron en fibroblastos cultivados utilizando virus. Aquellas células poco comuzes repsogramadas se separaron de las otras en un cultivo distinto por medio de técnicas especializadas. Los ¿nvestigadores las denominaron celulas pluripotenciales inducidas (¿PS; in duced pulripotent cel) y demostraren se capacidad de transformación al inyectarlas en un blastocisto murino y encontrar que participaban en la diferenciación de todas les células corporales, incluyendo 2 ovocitos y espermatozoides. Más o menos en el año siguiente se logró la misma hazaña de reprogramación en varios labozatorios con células humanas. Esto significa que los investigadoses en la actualidad cuentan con ellas como una fuente ilimitada de células pluripotenciales, que pueden dife: renciarse en verios tipos de células corporales utilizando protocolos ex perisxentales similares a los ya desarrollados para estudiar células ES, De hecho, las células ¡PS se han utilizado para corregir ciertos trastornos patológicos en animales de experimentación, incluyendo ane- mía drepanocítica en un ratón, como se ilustra en la figura 3. Dichos blastos ambién se han generado a partir de células adultas obtenicas de pacientes con una multitud de trastornos genéticos, Después de este lo= gro, los investigadores pudieron vigilar la diferenciación de tales célules en el cultivo y su transformación en tipos citológicos especielizados, afec= tacos por la enfermedad particulas. En la portada de este texto se iluscra Figura 3 Pasos para generar células madre pluripotenciales inducidas (¡PS) para su uso en la corrección de drepa- nocitosis hereditaria en ratones. Se ob- tienen células cutáneas del animal enfermo, se reprograran en mecio de cultivo al introducir los cuatro genes ne- cesarios por medio de virus y se permite que se desarsollen células PS pluripo tenciales, indiferenciadas, Más tardo, és- tas se tratan para sustituir el gen defectuoso (de globina) con una copia normal, y las células ¡PS corregidas son encauzadas para su diferenciación en cé- Tulas madre sanguíneas en cultivo. Más Célula ¡PS con tarde estas células progenitoras se inyec- Corrección genética tan al ratón enfermo, donde proEferan y se diferencian en células sanguíneas nor progenitora. imales, curando al animal. (REIMPRESA para DE UNA ILUSTRACIÓN DE RupoLr Jar DNA con asen, Cert 132:5, 2008, CON PERMISO gen normal (roio) DE ELsEvIER.) a Diferenciación en células o 8 nene 6 o o 00 un ejemplo de dicho experimento. Se espera que tales estudios revelen los mecanismos patogénicos conforme la enfermedad se desaxrolla en medios de cultivo, justo como ocurriría normalmente en el interior del cuerpo donde la observación es imposible. A estas células ¡PS “enfermas” se les conoce como “pacientes en una caja de Perri”. La importancia clínica de dichas células se ¡lustra con un ejemplo. Las células ¡PS obtenicas de sonas con una cardiopatíz amada síndrome de QT lergo se diferen- cian en cardiomiocitos que presextan contracciones irregulares in vitro; dl fenotipo histoespecífico comentado que se identifica en el cultivo se puede corregir con algunos fármacos que se administran de manera ha- bitual para tratar el trastorno. Aún más, cuando se expuso a dichos car- diomiocitos 21 firmaco cisaprida, se intensificó la irregularidad de su: contracciones. Este medicamento se utilizaba para tratar la pirosis an- tes que fiterz retirado de la distribución comercial en Estados Unidos, porque se supo que ocesionaba arritmias cardiacas en algunos pacientes. Resultados de este tipo sugieren que las células diferenciadas obtenidas de células ¿PS enfermas pueden constituir “efectores” úriles para probar la eficacia de algunos fármacos y frenar así la evolución de una enfermedad. A diferencia de las células ES, para obtener células ¿PS no se ne- cesita usilizar un erbrión; tal situación echó por tierra todas las zeservas éticas que se impusiezon a las investigaciores hechas con las primeras y con ello facilitó en gran medida la generación de las últimas en el labo- rasorio. Sin embargo, conforme se han ampliado las investigaciones con las células ¡PS, no se ha confirmado con certeza la capacidad terapéutica de las mismas. En los primeros años de estudio se pensó que las células ¿PS y las ES eran pricticamente idénticas. Sin erabargo, investigaciones zecienses kan indicado que les primeras no poseen la “gran calidad” ca racterística de las segundas y que no todas son iguales. Por ejemplo, les células 3PS pesentan algunas enormclidados genómicas que no tienen las células ES, incluida la presercia de mutaciones y copias adicionales de segrzentos aleatorios del genoma. Además, su cromatina retiene al- gunos restos de células originales de las que se obtuvieron, lo cual denota que no se pudieron reprogramar por completo para que se transforma= ran en células pluripotentes similares a las ES; esta memoria residual de su origen facilita dirigir a las células ¡PS a la diferenciación "en sentido retrógrado” hacia su forma original y encauzarlas a otros tipos celulares. Puede ser que estas deficiencias manifiestas en dichas células no consti- tuyan un estorbo grave en el empleo de las mismas para tratar enferme dades que afectan tejidos de adultos, pero ello ha planteado dudas im- portantes. También hay osros tejidos que tiener células ¡PS. Es crucial elaborar técnicas de reprogramación eficientes de células que no utilicen virus de integración genómica, puesro que tienen la posibilidad de transformarse en cánceres. Se han logrado adelantos cn este terreno, pero por lo general la eficiencia de formación de células ¡PS disminuye cuando se utilizan otros métodos para introducir en ellas genes. Ratón con anemia drepenocítica Obtención de células cutáneas FE Virus con * | Octá, Sox2, UA KIfd, c-Myc Reprogramación en células ¡PS similares a FE - células ES Ratón curado Gen con DNA mutante (amarillo) CORRECCIÓN CS DE LA MUTACIÓN -«-— Células ¡PS mutantes, idénticas DE DREPANOCITOSIS desde el punto de vista genético hospedador determina la especificidad de los virus, es decir, los tipos de célula hospedadora a los que pueden entrar e infectar. Algunos virus tienen un amplio espectro de hospedadores y son capaces de infectar células de diferentes órganos o especies hospedadoras. Por ejemplo, el que causa la rabia puede infectar muchos tipos de mamiferos, que incluyen perros, murciélagos y seres humanos. Sin embargo, la mayor parte de los virus tiene un espectro relativamente reducido de albergadores, Esto es casi siempre cierto, por ejernplo, para los virus del resfriado común y la influenza humanos, que sólo pueden in- fectar las células del epitelio respiratorio del hombre. Un cambio en la especificidad de la célula hospedadora puede tener notables consecuencias. Este aspecto lo ilustra de ¿Virus que geman de la superficie celular. Figura 1.23 Infección viral. (a) Microprafía que muestra un estadio tardío en la infección de una célula bacteriana por un bacteriófago. Las partículas virales se ensamblan dentro de la célula y las cubiertas vacías del bacteriófago están presentes en la superficie celular. (5) La micrografía muestra partículas de VIH que geman a partir de un linfocito humano infectado. (A: CORTESÍA DE JonarHan King Y manera dramática la pandemia de gripe (influenza) de 1918, que causó la muerte de más de 30 millones de personas en todo el mundo. El virus fue en particular letal entre adultos jóvenes, que no suelen sucumbir a la gripe. De hecho, las 675 000 muer- tes por el virus en Estados Unidos redujeron de manera tempo- ral la esperanza de vida en varios años, En uno de los logros más aclamados (y polémicos) de los últimos años, los investigadores pudieron determinar la secuencia genómica del virus causante de la pandemia y reconstituirlo en su estado de virulencia plena. Para ello aislaron los genes virales (que son parte de un genoma constituido por ocho moléculas separadas de RNA que codifi- can 11 proteínas diferentes) de los restos preservados de perso- nas que murieron a causa de la infección 90 años antes. Las muestras mejor preservadas se obtuvieron de una mujer nativa americana que fue sepultada en el permafrost de Alaska. La secuencia del “virus 1918” sugirió que el patógeno había pasado de aves a personas. Aunque el agente infeccioso había acumu- lado una cantidad considerable de mutaciones, que lo adapta- ron para un hospedador mamífero, nunca había intercambiado material genético con un virus de influenza humana, una posi- bilidad que se contempló hasta entonces. El análisis de la secuencia del virus 1918 ha aportado algu= nos indicios que explican por qué fue tan letal y cómo se trans- mitió de manera tan eficiente de una persona a otra, Utilizando la secuencia genómica, los investigadores reconstituyeron el patógeno en partículas infecciosas, que fueron en exceso viru- lentas en las pruebas de laboratorio. Mientras que los ratones suelen sobrevivir a infecciones por el virus de la gripe humana moderno, la cepa 1918 reconstituida mató a 100% de los ani- males infectados y produjo enormes cantidades de partículas virales en sus pulmones. Dado el riesgo potencial para la salud pública, el informe de la secuencia completa de este agente in- feccioso y su reconstitución se publicó detrás de la aprobación por páneles de seguridad gubernamentales y después de que se demostró que las vacunas y los fármacos antigripales existentes protegían a ratones contra el virus reconstituido. Existen dos tipos básicos de infección viral. (1) En la ma- yor parte de los casos, los virus secuestran las actividades de síntesis normales de la célula hospedadora y las reorientan para utilizar los materiales disponibles para claborar ácidos nuclei- cos y proteínas que forman un virión nuevo. En otras palabras, los virus no crecen como las células; se ensamblan de forma directa a partir de sus elementos para ercar viriones de tamaño maduro. Por último, la célula infectada se disuelve (experi- menta /isis) y libera una nueva generación de partículas virales capaces de infectar a las células próximas. En la figura 1.23 se muestra un ejemplo de este tipo de infección ?í2ica. (2) En otros casos, el virus no causa la muerte de la célula hospedadora, sino que inserta (imfegra) su DNA al DNA cromosómico de la cé- lula hospedadora. El DNA viral integrado se conoce como provirus, Este puede tener diferentes efectos que dependen de la célula hospedadora y del tipo de virus. Por ejemplo: m Las células bacterianas que poscen un provirus funcionan con normalidad hasta que se exponen a un estímulo, como la radiación ultravioleta que activa al DNA viral latente, lo que promueve lisis celular y liberación de la progenie viral. m Algunas células animales que contienen provirus crean una nueva progenie viral por gemación de la superficie ce- lular sin producir lisis de la célula infectada. El VIA actúa de esa forma; una célula infectada puede permanecer viva durante un lapso y funcionar como fábrica para la produc- ción de viriones nuevos (fig. 1.230). 26 Capítulo 1 Introducción al estudio de la biología celular y molecular 1 Algunas células animales portadoras de provirus pierden el control de su propio crecimiento y división y se transfor- man en células malignas. Este fenómeno se estudia ¿n vitro con facilidad al infectar cultivos celulares con el virus tumo- ral apropiado. Los virus no carecen de virtudes, puesto que las funciones de sus genes se asemejan a las de los hospedadores, los inves- tigadores han utilizado durante décadas a estos agentes como herramienta de investigación para analizar el mecanismo de la replicación del DNA y la expresión génica en sus hospedado- res, que son más complejos. Además, los virus se usan como vectores para introducir genes extraños en células humanas, una técnica que sirve como base para su aplicación en el trata- miento de las enfermedades humanas por medio de la terapia génica. En fecha reciente, los virus que matan a las bacterias y alos insectos pueden tener una función destacada en la guerra contra las plagas provocadas por dichos organismos. Los bac- teriófagos se han utilizado durante décadas para el tratamiento de infecciones bacterianas en Europa oriental y Rusia, mien- tras que los médicos occidentales emplean antibióticos. De- bido al aumento de la resistencia bacteriana a los antibióticos, los bacteriófagos pueden volver a utilizarse como tratamiento con base en resultados prometedores realizados en ratone: fectados. En la actualidad, varias compañías biotecnológicas producen bacteriófagos para combatir infecciones bacterianas y proteger determinados alimentos contra la contaminación por dichos microorganismos. Viroides De forma sorpresiva, en 1971 se descubrió que los virus no eran los agentes infecciosos más simples. En ese año T.O. Die- ner, del U.S. Department of Agriculture, comunicó que la enter- medad de la deformación fusiforme del tubérculo de la papa, que ocasiona que ésta se agriete y forme nudos, se debía a un agente infeccioso formado por una molécula circular pequeña de RNA desprovista por completo de cubierta proteínica. Diener denominó a estos agentes patógenos viroides, El ta- maño del RNA que éstos contienen oscila entre 240 y 600 nucleótidos, la décima parte del tamaño del genoma de los virus más pequeños. No existen evidencias de que el RNA de un viroide desnudo pueda codificar alguna proteína. En reali- dad, cualquier actividad bioquímica en la que intervienen estas moléculas tiene lugar al usar las proteínas de la célula hospe- dadora. Por ejemplo, para duplicarse dentro de una célula in- fectada, el RNA del viroide utiliza la polimerasa 1 de RNA de la célula hospedadora, una enzima que transcribe el DNA del hospedador en RNA mensajero, Se piensa que los viroides provocan enfermedades al interferir con la vía normal de la expresión génica celular. Los efectos en las cosechas pueden ser graves: una enfermedad viroide llamada cadang-cadang acabó con las palmeras cocoteras en plantaciones de las islas filipinas y otra causó grandes estragos a la industria de los crisantemos en Estados Unidos. El descubrimiento de un tipo diferente de agente infec= cioso más simple que el viroide se describe en la sección “Pers- pectiva humana” del capítulo 2. REVISIÓN 1. ¿Qué propiedades son las que distinguen a un virus de una bacteria? 2. ¿Qué tipos de infecciones pueden causar los virus? 3. Compérense y anal ícense los siguientes conceptos: el nucleoide y el núcleo; el flagelo de una bacteria y el de un espermatozoide; una arqueobacteria y una ciarobac- ceria; la fijación de nitrógeno y la fotosíntesis; os bacte- riófagos y los virus del mosaico del tabaco; un provirus y un virión. VÍAS EXPERIMENTALES Como ya se revisó en este capítulo, las células se pueden dividir de ma- nera apropiada en dos grupos: procariotas y eucariotas. Al tiempo que se propuso esta división, los biólogos se mostruror fascinados con est pregunta: ¿cuél es el origen de las células eucariotas? Existe un acuerco general (pero no universal) de cue las procariotas: (1) aparecieron antes que las eucariotas y (2) dierca lugar a ellas, El primer enunciado puede verificarse de manera dizecza a partir de los registros fosiles, que mues tran que las procariotas están presentes en rocas que datan de hace 2700 millones de años (pág. 7), en promedio 1 00 millones de años antes de que apareciera cualquier evidencia de células eucariotas. El segundo enunciado se infiere del hecho de que los dos tipos celulares están sela- cionados porque comparten muchas características complejas (p. ej. el código genético, algunas enzimas, ciertas vías metabólicas y las mem- branas plasmáticas, que son muy semejantes), que no puciezon cvolucio- nar de manera independiente en organismos diferentes. Hasta 1970 se pensada por lo general que las eucz-ioras habían evolucionado a partir de procariotas por medio de un proceso evolutivo gradual en el cual los organelos de las primeras llegaron a ser más com- jos de manera progresiva. La aceptación de este concepto cambió de forma cráscica tras los trabajos de Lynn Margulis, de la Boston Univer sity. Ella resucitó la ¿dea propuesta, y rechazada años atrás, según la cual Origen de las células eucariotas ciertos organelos de una céluls eucariora, de manera más notable las mitocondrias y los cloroplastos, habían evolucionado de células proca- riotas pequeñas que se integraron al citoplasma de células hospedadoras más grandes. ? Esta hipótesis se conoce como la teoría endosimbió- tica, dado que describe cómo una célula “compuesta” y de mayor corm- plejicad puede evolucionar a partir de dos o más células más simples que viven en una relación simbiótica, Se supone que los ancestros procariotas eran célules heterotróficas (porque eran incapaces de sintetizar compuestos orgánicos [como CO, 2], pero que tenían que obtener del entorno compuestos orgánicos sintetizados con anterioridad) y anaerobias (porque obtenían energía a partir de nutrimentos sin el consumo de oxígeno molecular [Os)) De acuerdo cor una versión de la teoría endosimbiótica, un gran procariota heterotrófico y anaerobio ingirió a un pecueño procariota acrobio (paso 1,4, 1). Éste resistió a digestión dentro del citoplasma y estableció su residencia como un endosimbionte permanente, Cuando a célula hospedadora se reprodujo, este último también lo hizo y de esa -ma se generó con rapidez una colonia de célules compuestas. Des- pués de muchas generaciones los endosimbiontes perdieron diferentes características, que no fueron indispenssbles para le supervivencia, y así microbios independientes que respiraban oxígeno evolucionaron hasta Figura 1 Modelo que representa los posibles pasos que ocurrie= ron en la evolución de las células eucariotas, incluyendo el ori- gen de las mitocondrias y los cloroplastos por endosimbiosis. En el paso 1, una gran procariota anaerobia y heterotrófica capta a una procariota acrobia pequeña. Existe fueste evidencia que in- dica que el organismo fagocitado fue un ancestro de las rickerrsias actuales, un grupo de agentes causantes del tifo y otras enfermeda- des. En el paso 2, cl endosimbionte aeróbico evolucionó a una mi- tocondria. En el paso 3, una porción de la membrana plasmática se invaginó y formó el precursor de la envoltura nuclear y el retículo endoplásmico adjunto. La eucariota primitiva que se muestra en el paso 3 da lugar a dos grandes grupos de eucariotas. En una vía (paso 4) evoluciona a organismos no fotosintéticos, como los pro- vistas, los hongos y las células animales. En la otra (paso 5) capta una procariota fotosintética, la cual evolucionó a cloroplasto. (Nota: la fagocitosis del endosimbionte del paso 1 sucedió d del desarrollo de algunas de las merbranas internas, pero existe evidencia que sugiere que éste fue un paso temprano en la evolu- ción de las eucariotas.) és transformarse en los precursozes de las mitocondrias actuales (paso 2, fa 1) Un: célula, cuyos ancestros se formaron por medio de los sucesos simbióricos secuenciales mencionados, pudo generar una línca de cél las que desarrollaron. otras características básicas de las células eucario- tas, incluyeado un sistema de membranas (membrana nuclear, retículo endoplásmico, apzrato de Galg! y lisosomas), citoesqueleto complejo y división celular parecida a la mitosis. Se ha propuesto que estas ceracie- rísticas aparecieron por medio de un proceso de evclución gradual más que en un solo paso, como se cree que sucedió la adquisición del endo= simbionte. Por ejemplo, el retículo endoplásmico y las membranas nu- eleares pucieron derivar de alguna porción de la menvbrana plasmática externa de la célula que se internalizó y se transformó en un tipo de membrana diferente (paso 3, fig, 1). La célula que desarrolló estos com- partimientos internos diferentes debió ser el ancestro de una célula eu- cariota heterotrófica, como un hongo o un protista (paso 4, fig. 1). Los fósiles más antiguos que quizá sean retos eucarioras tienen unos 1800 millones de años Margulis propuso que la adquisición de otro endosimbiorte, de mañneza específica una cianobacteria, convirtió a una eucariota hetero trófica temprana en el ancestro de las eucariotas fotosintésices: las algas verdes y las plantas (paso 5, ig, 1). El surgimiento de los cloroplastos (hace alrededor de 1 000 millones de años) tal vez fue uno de los últimos pasos en la secuencia del proceso de endosimbiosis, porque estos orga- nelos sólo están presentes en plantas y algas. Sin embargo, todos los grupos de eucariotas conocidos (1) tienen mitocondrias o (2) muestran evidencia definitiva de que han evolucionado a partir de organismos que poscer. tales ozganelos.* El concepto de que las mitocondrias y los elo 10plastos surgieron por la evolución de organismos simbióticos se ha reforzado por un cómulo abrumador de pruebas, algunas de las cuales se describen en numerosos capítulos de este texto. La división de todos los organismos vivos en Cos categorías, pro- cariotas y eucariotas, muestra una dicotomía básica en la estructura ce- Lulas, pero no marca una distinción filogenética precisa que releje las relaciones evolutivas entze los seres vivos. ¿Cómo se determinar dichas asociaciones entre organismos separados por miles de millones de años, tales como las procariotas y las eucariotas? La mayor parte de los méto- * Existen algunas eucariotas unicelulares anaerobias (p. ej. el parásito intes- tinal Giardia) que carecen de mitocondrias. Durante 105, estos organismos formaron la base para la propuesta de que la endosimbiosis mitocondrial fue un suceso tardío que ocurrió después de estos grupos sin dichos organe- los. Sin crnoargo, un análisis reciente de su DNA nuclear indica la presen cia de genes que se transficicron al núcleo desde las mitocondrias, lo que sugiere que los ancestros de estos organismos perdieror. cichos organelos el transcurso de la evolución Procariota anaerobia heterotrófica s Membrana a A, plasmática pa DNA o Procariota ————— 4 aerobia Procariota aerobia heterotrófica —— Mitocondria Invaginación de la membrana Pre-eucariota 7 plasmática Precursor de la envoltura nuclear Célula eucariota primitiva eS Precursor del retículo endoplásmico Cianobacteria fotosintética Algas y células Protistas, hongos Vegetales y células animales Retículo endoplásmico Pared celular dos taxonómicos que se aplican para clasificar a los organismos se basa de manera importante en características estruerurales y Asiológicas, En 1963 Emile Zuckerkandl y Linus Pauling propusicron un abordaje diñi rente, basado en la comparación de la estructura de moléculas informati- vas proteinas y ácidos nucleicos) de los organismos vivos. * Las diferen- cias que hay entre los seres, basadas er la secuencia de los aminoácidos que conforman uma proreína o en el orden de los nucleótidos que for- mar: parte de un ácido nucleico, son el resultado de mutaciones en el DNA que se herecaron a su descendencia. Se calcula que las mutaciones se pueden acumular en un gen con una frecuencia más o menos cons- 27 SsmuiA tl el 30 ulo 1 Introducción al estudio de la biología celular y molecular en una estructura existente. Cuando se comparan genes “informativos”, as arqueobacterias y las eubacterias tienden a separarse en grupos d rentes, si bien las arqueobacterias y eubacterias tienden a agruparse jun: tas como parientes evolutivos, como se muestra en la figura 3. Véase la referencia 17 para obtener mayor información. El análisis de los genornas eucariotas proporcionó evidencias sim: lares de una herencia mezclada. Estudios del genoma de levaduras muestran la presencia inconfurdible de genes derivados de arqueobac= terias y eubacterias. Los “genes informativos” tienden a mostrar propie- dades de arqueobact j 'nes metabólicos” dermuestran caracte- rísticas de eubacterias.1* Hay diferentes explicaciones posibles para el carácter mezclado del genoma eucariótico. Las eucariotas pudieron evo- lucionar a partir de arqueobect ancestrales y entonces tomar genes de las eubacterias con las cuales compartían el ambiente, Además, algu- nos de los genes en el núcleo de una célula eucariorz derivan con clari- dad de los genes eubacterianos que se transfiricron desde el genoma de los simbiontes que evolucionaron hasta transformarse en mitocondrias y cloroplastos.!? Un grupo de invesrigadores adoptó una posición más radical y propuso que el genorna eucasiótico derivó al principio de la fusión de ura arqueobactería con una eubacteria, seguida por la integra ción de sus dos genomas.?0 En virtud de estas rutas variadas de adquisi- ción de genes, es evidente que un simple árbol filogenético no puede explicar la evolución del genoma completo de un organismo. 12 En realidad, cada gen o grupo de genes de un genoma en particular pueden tener su propio árbol evolutivo, lo cual puede ser desconcertante para los que tratan de determinar el origen de los primeros ancestros. Referencias 1. SAGAN (MARGULIS), L. 1967, On the origin of mitosing cells. J. Theor. Biol. 14:225-274. 2. MARGULIS, L. 1970. Origin of Eukaryotic Cells. Yale University Press. 3. SPIEGEL, FW. 2012. Contemplating he first Plantac. Science 333:809-810, 4. ZUCKERKANDL, ofevoluriorary E. é< PAULING, L. 1963, Molecules as documents story. ]. Theor: Biol, 8:357-365. 5. ZABLEN, L. 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La información paza crear ura célula está codificada en sus genes. Las células se seproducen por división celular, sus actividades son potenciadas por energía química, realizan reacciones químicas controladas por enzimas, participan en muchas actividades de tipo mecánico, reaccionan a estímulos y tienen gran capacidad para autorregularse (pág. 3) Las células son procariotas o eucariotas. Las primeras se encuentran entre las subacterias y las arqueobacter!as, mientras cue los tipos de organismos restantes (protistas, hongos, plantas y animales) están compuestos de células eucariotas. Ambos tipos de célula comparten muchas características en común, que incluyen membranas celulares semejantes, un sistema similar para almacenar y utilizar infomación genérica y rutas metabólicas parecidas. Las procariotas son más sien ples, carecen de organelos membranosos complejos (p. ej., retículo endoplásmico, aparato de Golgi, mitocondrias somas y estructuras citocsqueléticas, características de las células eu cariotas. Estos dos tipos de organistmos también se pueden distinguir por sus mecanismos de división celular, sus estructuras de locozmoción y el ipo de pared que producen (en caso de que exista una pared ce- Jular). Los animales y las plantas complejos contienen diferentes tipos celulares, cada ino especializado en una actividad particular (pág. 7). Casi todas las células tienen el mismo tamaño microscópico. De manera característica, las bacterias poseen una dimensión de 1 a 5 pun de largo y las células eucariotas miden casi siempre 10 a 30 pum. Las células son microscópicas por razones Ciferentes: su núcleo posce un número limitado de copias de cada gen; la superficie (a área de intercambio celular) se convierte en un factor limitante a medida que la célula incrementa su tamaño; y la distancia entre la superficie celular y el interior llega a ser también demasiado grande para que la célula realice sus actividades mediante difusión simple pág. 17). Los virus son patógenos no celulares que sólo pueden reproducirse cuando se encuentran dentro de una célula viva. Fuera de las células, los virus existen como pacuetes macromoleculares, también conocidos como viriones. Estos tienen diferentes formas y tamaños, pero todos consisten en ácido nucleico encerrado dertro de una estructura que posee proteínas virales, Las infecciones por virus pueden inducir: (1) | Preguntas analíticas 1. Considérese alguna interrogante de interés acerca de la estruc- tura o la función celulares. ¿L.os daros necesarios para responder la pregunta serían más fáciles de obtener si se trabajara en un animal o en una planta completos o en una población de células en cultivo?, ¿cuáles serícn las ventajas y las desventajas en un organismo completo en comparación con un cultivo celular? 2. La figura 1.3 muestra una célula del epitelio intestinal con nu- merosas microvellosidades. ¿Cuál es la ventaja del organismo al poscer estas estructuras?, ¿qué se esperaría que le sucediera a un individuo que pierde las microvellosidades a causa de una muta ción hereditaria? 3. Las primeras células humarzs que se cultivaron con éxito proce dieron de un tumor maligno. ¿Es posible que esto refleje sólo la disponibilidad de células cancerosas o que éstas sean mejores para cultivo celular? ¿por qué? ca Las representaciones de células vegetales y animales de la figura 1.8 ($ y c) indican ciertas estructuras presentes en las primeras, pero que están ausentes en las segundas. ¿Cómo puede afectar cada una de estas estructuras a la vida de la planta? 5. Se ha observado que las células poscen receptores en su superf cie que reaccionan a estímulos específicos. Muchas células en el cuerpo humano tienen receptores que les permiten unirse a hor- monas específicas que circulan en la sangre. ¿Por qué estos re- ceptores hormonales 50n importantes?, ¿cuál sería el efecto sobre las actividades fisiológicas del organismo si las células no tuvie- ran estos receptores o si todas las células tuvieran los mismos receptores? 6. Si fuera necesario debatir que los virus son organismos vivos, ¿qué características de la estructura y la función virales se deben referir en los argumentos? a Si se asume que las actividades dentro de la célula suceden de una manera semejante a la caricatura de Rube Goldberg de la figura 1.7, ¿en qué difieren de una actividad humana, como ar- mar un automóvil en una línea de ensamble o encestar en un juego de baloncesto? 8. Los núcleos de las células eucariotas, a diferencia de los de las bacterias, están cubiertos por una doble membrana que posee poros complejos. ¿Cómo podría afectar esto el tránsito entre el DNA y el citoplasma de una célula eucariota er. comparación con una célula procariota? la destrucción de la célula hospedadora, acompañada de la producción de la progenic viral o (2) la integración del ácido nueleico viral en el DNA de la célula hospedadora, lo que a menudo altera las actividades de ésta. Los virus no se consicesan organismos vivos (pág. 23). 9. Examínese la fotografía del protista ciliado de la figura 1.16 y considérense algunas de las actividades en las cuales participa esta célula, 2 diferencia de una célula muscular o nerviosa de su propio organismo. 10. ¿Qué célula alcanzaría el mayor volumen, una muy aplanada o una esférica?, ¿por qué? 11. Supóngase que el lector fiera un científico que vivió en 1890 que estudia una enfermedad de las semillas del tabaco que re- tarda el crecimiento de las plantas y mancha sus hojas. Se descu- bre que el extracto de una planta enferma, cuando se agrega a ena sana, es capaz de transmitir la enfermedad a esta última, Se examina el extracto en el mejor microscopio óptico de esa época y no se encuentra evidencia de bacterias. Se fuerza el lisado a través de filtros cuyos poros son tar. diminutos que retardan el paso de las bacterias más pequeñas que se conocen y el líquido que atraviesa del filuo mantiene la capacidad de transmitir la enfermedad. Al igual que Dimitri Ivanovsky, que realizó estos experimentos hace más de 100 años, el investigador quizá debe- ría concluiz que el agente infeccioso es un tipo desconocido de bacteria pequeña y extraña. ¿Qué experimentos se deberían rea- lizar en la actualidad para probar esta hipótesis? 12. La mayoría de los biólogos que estudian la evolución piensa que todas las mitocondrias y todos los cloroplastos han evolucionado a partir de una mitocondria y un cloroplasto ancestrales, en di- cho orden. En otras palabras, el suceso simbiótico que dio lugar a cada uno de estos organelos ocurrió sólo una vez. Si este es el caso, ¿er qué nivel del árbol filogenético de la figura 3, página 29, se colocaría la aparición de cada uno de estos organelos? 13. Hubo gran controversia alrededor de la publicación de la secuen= cia completa del virus 1918 de la gripe y de la zeconstitución de partículas virdles activas. Quienes respaldabar. la divulgación sostenían que este tipo de datos podría ayudar a comprender mejoz la virulencia de los virus gripales y a desarrollar mejores tratamientos contra ellos, Quienes se oponíar. argumentaban que el virus podría ser recorstituido por bioterroristas o que existía el peligro de otra pandemia causada por la liberación ac- cidental del virus por un investigador descuidado. Segén la apre- ciación del lector, ¿cuáles serían los méritos de realizar este tipo de investigación? 31 ses ¡pue sejunBa4dg