1. CAPIT-ULO1 Introduccin al estudiode la biologa celular 1-1 Descubrimiento de las clulasLa perspectiva humana: Bsqueda de una vacuna 1-2 Propiedades bsicas de las clulas contra el SIDALa va experimental: Friones: solucin de un enigma 1-3 Dos tipos fundamentalmente diferentes de clulasmdico 1-4 VirusLas clulas, y las estructuras que las forman, son dema- siado pequeas para verlas, escucharlas o tocarlas di-rectamente. Pero a pesar de este tremendo inconveniente,las clulas son tema de miles de publicaciones cada ao, yprcticamente se han investigado todos los aspectos de suminscula estructura. De muchas maneras, el estudio de labiologa celular constituye un tributo a la curiosidad huma-na en su aspiracin de realizar descubrimientos, y a la inte-ligencia creativa del ser humano para disear los complejosinstrumentos y las elaboradas tcnicas mediante las cualesse pueden efectuar esos descubrimientos. Esto no significaque los bilogos celulares sean los nicos dotados con estosnobles rasgos. En un extremo del espectro cientfico los as-trnomos estudian objetos en la orilla ms alejada del uni-verso con propiedades muy diferentes a las que se encuen-tran sobre la tierra. Y en el otro extremo del espectro, losfsicos nucleares dirigen su atencin sobre partculas de di-mensiones subatmicas que tienen igualmente propieda-des inconcebibles. Es muy claro, por lo tanto, que nuestrouniverso contiene mundos dentro de otros mundos, y elestudio de todos sus aspectos es fascinante. En este sentido,la finalidad ms aparente de este texto es generar entre suslectores el inters por las clulas y por su estudio.1-1 Descubrimiento de las clulasNo se sabe cundo el ser humano descubri por primera vezla notable propiedad de una superficie curva de vidrio parainclinar la luz y formar imgenes. Los anteojos se fabricaronpor primera vez en Europa en el siglo XIII y el primer micros-copio compuesto (de dos lentes) fue construido a fines delsiglo XVI. A mediados del siglo XVII un puado de cientficos FIGURA 1 -A. Micrografa electrnica de exploracin de agregados celu- pioneros haba utilizado sus microscopios caseros para des-lares del moho del fango Dictyostelium discoideum en el proceso defor-cubrir un mundo que nunca se haba revelado al ojo desnu-macin de corpsculos fructificantes. (Cortesa de Mark Grimson, Texasdo. El descubrimiento de las clulas (fig. 1-1) generalmenteTech. University.)se acredita a Robert Hooke, microscopista ingls quien a los

2. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de a celular27 aos de edad fue premiado con el puesto de Guardin de de notable calidad. Durante 50 aos, Leeuwenhoek envila Royal Society, la academia cientfica ms antigua de In- cartas a la Royal Society de Londres describiendo sus obser-glaterra. Una de las muchas cuestiones que Hooke intentvaciones microscpicas, junto con un vago discurso acercaresponder fue: por qu los tapones hechos de corcho (una de sus hbitos cotidianos y su estado de salud. Leeuwen-parte del rbol de alcornoque) eran tan adecuados para rete-hoek fue el primero en examinar una gota de agua del es-ner aire dentro de una botella? En sus propias palabras:tanque y observar sorprendido la abundante cantidad de"tom un buen pedazo de corcho limpio y con un cuchillo "animalillos" microscpicos que iban y venan ante sus ojos.tan bien afilado como una navaja de rasurar lo cort en pe- Tambin fue el primero en describir las diferentes formas dedazos y .. .luego lo examin con el microscopio. Me pareci bacterias que obtuvo de agua en la cual haba remojadopercibir que tena una apariencia porosa... muy parecida apimienta y tambin material raspado de sus propios dien-un panal de abejas". Hooke llam a los poros celdillas debido tes. Sus primeras cartas a la Royal Society describiendo estea que le recordaban las celdas habitadas por los monjes que mundo previamente jams visto despertaron tal escepticis-vivan en un monasterio. En realidad, Hooke haba obser-mo que la Sociedad despach a su Guardin, Robert Hooke,vado las paredes vacas de un tejido vegetal muerto, pare-para confirmar las observaciones. Hooke hizo el viaje y prontodes que originalmente fueron producidas por las clulas Leeuwenhoek fue una celebridad mundial, y recibi la visitavivas que as rodeaban. en Holanda de Pedro el Grande de Rusia y de la reina deEntre tanto, Antn van Leeuwenhoek, un holands que Inglaterra.se ganaba la vida vendiendo telas y botones, ocupaba sus No fue sino hasta el decenio de 1830 que se comprobratos de ocio tallando lentes y construyendo microscopios la gran importancia de las clulas. En 1838, MatthiasSchleiden, abogado alemn convertido en botnico, conclu-y que a pesar de diferencias en la estructura de diferentestipos, las plantas estaban constituidas de clulas y que elembrin de la planta tuvo su origen en una sola clula. En1839, Theodor Schwann, zologo alemn y colega de Schlei-den, public un trabajo muy completo acerca de las basescelulares de la vida animal. Schwann concluy que las clu-las de las plantas y los animales eran estructuras semejantesy propuso el primero de los dos dogmas de la teora ce-lular: Todos los organismos estn compuestos de una o ms clulas La clula es la unidad estructural de la vida. Las ideas de Schleiden y de Schwann acerca del origende las clulas fueron menos profundas; ambos concluyeronque las clulas podran originarse de materiales no celula-res. Dada la posicin prominente que estos dos investiga-dores tenan en el mundo cientfico, tuvieron que pasar mu-chos aos antes que las observaciones de otros bilogosfueran aceptadas como demostracin de que las clulas nose originan de esa manera y que ios organismos tampoco seproducen por generacin espontnea. Para 1855, RudolfVirchow, patlogo alemn, propuso una hiptesis convin-cente parael tercer dogma de la teora celular: Las clulas slo pueden originarse por divisin de una clula preexistente.1-2 Propiedades bsicas de las clulasAs como las plantas y los animales son seres vivos, tambinlo son las clulas. De hecho, la vida es la propiedad funda-mental de las clulas y ellas son las unidades ms pequeasque muestran esta propiedad. A diferencia de las partes de FIGURA 1 - 1 Descubrimiento de las clulas. Microscopio em-una clula, que simplemente se deterioran cuando se aislan,pleado por Robert Hooke, con lmpara y condensador para iluminarel objeto. (Recuadro) Dibujo hecho por Hooke de un corte delgado delas clulas pueden ser extradas de una planta o de un ani-corcho que muestra una red de "celdillas" semejante a un panalmal y cultivar en el laboratorio, donde crecen y se reprodu-de abejas. (De Granger Collection; recuadro del archivo Bettmann.)cen durante tiempo prolongado. El primer cultivo de clulas 3. CAPITULO 1 Introduccin a! estudio de la biologa celular 3humanas fue iniciado por George Cey, de la UniversidadJohns Hopkins, en 1951. Se emplearon clulas obtenidas deun tumor maligno denominadas clulas HeLa, por su dona-dor Henrietta Lacks. Las clulas HeLa, descendientes pordivisin celular de la primera clula muestra, todava sedesarrollan en la actualidad en laboratorios alrededor delmundo (fig. 1-2). Debido a que son mucho ms fciles deestudiar que las clulas situadas dentro del cuerpo, las clu-las cultivadas in vitro (en cultivo fuera del cuerpo) se hanconvertido en una herramienta esencial de la biologa celu-lar y molecular. En realidad, gran parte de la informacinque analizaremos en este libro se obtuvo utilizando clulasdesarrolladas en cultivos de laboratorio. Iniciaremos nuestra exploracin de las clulas exami-nando algunas de sus propiedades ms fundamentales.Las clulas muestran complejidady organizacin elevadasLa complejidad es una propiedad evidente pero difcil dedescribir. En este momento podemos pensar en la compleji-dad en trminos de orden y regularidad. Cuanto ms com-FIGUllA 1-2. Clulas HeLa, como las representadas aqu, fueronpleja sea una estructura, mayor el nmero de partes quelas primeras clulas humanas conservadas en cultivo durante largosdeben estar en posicin apropiada, menor la tolerancia deperiodos y que todava se encuentran en uso en la actualidad. Aerrores en la naturaleza e interaccin de las partes, y mayordiferencia de las clulas normales, que tienen un periodo de vidala regulacin o control que se debe ejercer para conservar elfinito en cultivo, las clulas (como las HeLa) derivadas de tumoressistema. A lo largo de este libro tendremos ocasin de con-cancerosos pueden vivir indefinidamente en cultivo en tanto las con- diciones sean favorables para apoyar su crecimiento y divisin.siderar la complejidad de la vida a diferentes niveles. Ana- (Nana/ Kedersha/Photo Researchers.)lizaremos la organizacin de los tomos en molculas detamao pequeo, la organizacin de estas molculas enpolmeros gigantes y la organizacin de diferentes tipos demolculas polimricas en complejos que a su vez se organi-Afortunadamente para la clula y los bilogos molecu-zan en organelos subceluiares y finalmente en clulas. Comolares, la evolucin tiende a moverse ms bien lentamentese ver, hay una gran regularidad en cada nivel. Cada tipo hacia los niveles de organizacin biolgica con los cualesde clula tiene apariencia consistente en el microscopio elec- debemos tratar. Por ejemplo, aunque un ser humano y untrnico; o sea, sus organelos tienen forma y situacin parti-gato tienen caractersticas anatmicas muy diferentes, lascular en cada individuo de una especie y de una especie aclulas que forman sus tejidos y los organelos que constitu-otra. De manera similar, cada tipo de organelo tiene compo-yen sus clulas son muy similares. El filamento de actinasicin concordante de macromolculas, las cuales estn dis-mostrado en la figura 1-3, recuadro 3, y la enzima sintetiza-puestas en un patrn predecible. Consideremos las clulasdora de ATP del recuadro 6 son prcticamente idnticos aque revisten el intestino encargadas de eliminar nutrienteslas estructuras similares que se observan en organismos tandel conducto digestivo (fig. 1-3). Se puede predecir que los diversos como levaduras, pjaros y rboles de pino rojo. Laextremos apicales de las clulas que revisten el conductoinformacin obtenida por el estudio de las clulas de un tipointestinal poseen largas prolongaciones (microvellosidades)de organismo casi siempre tiene aplicacin directa en otraspara facilitar la absorcin de nutrientes, en tanto que susformas de vida. Muchos de los procesos ms bsicos, comoextremos bsales contienen un gran nmero de mitocon-la sntesis de protenas, la conservacin de la energa qumi-drias que suministran la energa necesaria como combustibleca, o la construccin de una membrana, son notablementepara los diferentes procesos de transporte a travs de las similares en todos los organismos vivos.membranas. Las microvellosidades pueden prolongarsehacia afuera de la superficie apical de la clula debido a quecontienen un esqueleto interno de filamentos, que a su vez Las clulas poseen un programa genticoestn compuestos de la protena acuna dispuesta en forma y los recursos para aplicarloregular de doble hlice. Cada mitocondria est compues-ta por un patrn caracterstico de membranas internas, Los organismos se generan a partir de la informacin co-que por su parte constan de una disposicin regular de dificada en un conjunto de genes. El programa genticoprotenas, incluyendo enzimas sintetizadoras de ATP pro- humano contiene suficiente informacin, si se convirtiera ayectadas desde la membrana interna como una pelota sobre palabras, para llenar millones de pginas de texto. Lo msuna varilla. Cada uno de estos diferentes niveles de organi- sorprendente es que esta vasta cantidad de informacin sezacin se ilustra en la serie de recuadros de la figura 1-3. encuentra empacada en un conjunto de cromosomas que 4. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 10 un 0.3 um , Niveles de organizacin celular y molecular. Las fotografas de brillantes colores de un corte teido muestran la estructu-ra microscpica de una vellosidad de la pared del intestino delgado segn se observa con el microscopio ce luz. El recuadro 1 muestra unamicrografa electrnica de la capa epitelial de clulas que revisten la pared interna del intestino. La superficie apical de cada clula, que mirahacia el conducto intestinal, contiene numerosas microvellosidades que participan en la absorcin de nutrientes. La regin basal de cada clu-la contiene un gran nmero de mitocondrias donde la clula dispone de energa. El recuadro 2 muestra la regin apical de las microvellosidades;se puede observar que cada microvellosidad contiene un haz de microflamentos. El recuadro 3 muestra la doble fila de molculas de protenaactina que constituyen cada filamento. En el recuadro 4 se muestra una mitocondria individual similar a las observadas en la regin basal delas clulas epiteliales; el recuadro 5 muestra una parte de la membrana interna de la mitocondria, incluyendo partculas pediculadas (flecha dearriba) que se prolongan a partir de la membrana (flecha de abajo) y corresponden a los sitios donde se sintetiza ATP; el recuadro 6 muestra unmodelo molecular del aparato sintetizador de ATP que se analiza en mayor extensin en el captulo 5. (Micrografa de luz, Ced Fox/PhotoResearchers; recuadro I cortesa de Shakti P. Kapur, Georgetown University Medical Center; recuadro 2 cortesa de Mark S. Mooseker y Lewis G. Tney,J. Cell Biol. 67:729,1975, con permiso de la Rockefeller University Press; recuadro 3 cortesa de Kenneth C, Holmes; recuadro 4 cortesa de Keith R. Porter/Photo Researchers; recuadro 5 cortesa de Humberto Pemandez-Moran; recuadro 6 cortesa de Roderick A. Capaldi.) 5. ocupa el espacio de un ncleo celular, miles de veces mspequeo que el punto sobre esta letra i. Los genes son algo ms que gavetas para almacenarinformacin: constituyen las plantillas para construir estruc-turas celulares, y contienen instrucciones para poner enmarcha las actividades de la clula y el programa para re-producirse a s mismos. Descubrir los mecanismos median-te los cuales las clulas emplean su informacin genticapara efectuar estas funciones es uno de los ms grandesogros de la ciencia en los ltimos aos.Las clulas tienen capacidad20;impara reproducirse a s mismas FIGURA I -4. Reproduccin celular. Este huevo de mamfero sufrirecientemente una divisin celular bastante desigual en la cual la ma-As como se generan nuevos individuos por reproduccin, yor parte del citoplasma qued retenida dentro del huevo grande, enlo mismo ocurre con las clulas nuevas. Las clulas se pro- tanto que la otra clula slo consta casi exclusivamente de materialnuclear en su totalidad (indicado por los cromosomas teidos deducen por divisin, proceso en el cual el contenido de unaazul). (Cortesa de Jonathan van Blerkom.)clula "madre" se distribuye entre dos clulas "hijas". Antesde la divisin, el material gentico se duplica con toda fide-lidad y cada clula hija recibe una dotacin completa e igualde informacin gentica. En la mayor parte de los casos, lasdos clulas hijas producidas durante la divisin poseen efectuar cientos de diferentes transformaciones qumicas,aproximadamente el mismo volumen. Sin embargo, en al- ninguna de las cuales ocurre a una tasa significativa en elgunos casos, como ocurre durante la divisin del oocito mundo inanimado. Prcticamente todos los cambios qu-humano, una de las clulas puede retener casi todo el cito- micos que ocurren en las clulas requieren enzimas: mo-plasma aunque reciba slo la mitad del material genticolculas que incrementan mucho la velocidad de una reac-(fig. 1-4). cin qumica. La suma total de las reacciones qumicas queocurren dentro de una clula representa el metabolismoLas clulas captan y consumen energa celular.El desarrollo y la operacin de funciones complejas requiereel ingreso continuo de energa (fig. 1-5). Prcticamente toda Las clulas participan en numerosasla energa que requiere la vida del planeta proviene en lti- actividades mecnicasmo trmino de la radiacin electromagntica del sol. Lospigmentos que absorben luz presentes en las membranas deLas clulas son sitios de actividad infatigable. Los materia-clulas fotosintticas atrapan la energa de la luz. La energa les son transportados de un sitio a otro, se sintetizan y des-lumnica se convierte por fotosntesis en energa qumica componen con rapidez algunas estructuras, y en muchosalmacenada en carbohidratos ricos en energa, como la casos toda la clula se desplaza de un lugar a otro (fig. 1-6).sucrosa o el almidn. La energa atrapada en estas molcu-Estas diferentes actividades dependen de cambios mecni-las durante la fotosntesis suministra el combustible que sir-cos dinmicos que ocurren en el interior de la clula, lave para poner en marcha casi todas las actividades de losorganismos sobre la tierra. A la mayor parte de las clulasanimales la energa les llega ya empaquetada, por lo generalen forma del azcar glucosa. En el ser humano, el hgadolibera glucosa a la sangre y este azcar circula a travs delcuerpo suministrando energa qumica a todas las clulas.Una vez dentro de la clula, la glucosa se descompone en talforma que su contenido energtico se puede almacenar enuna forma rpidamente disponible (de ordinario como ATP),que posteriormente se emplea para poner en marcha lasmltiples actividades que requieren energa dentro de laclula.Las clulas efectan variadasreacciones qumicasFIGURA 1-5. Captacin de energa. Una clula viva del alga fila-mentosa Spirogyra. El cloroplasto en forma de listn que se observa enzig-zag a travs de la clula es el sitio donde se captura la energa deLas clulas funcionan como plantas qumicas en miniatu- la luz solar y se convierte en energa qumica durante la fotosntesis.ra. Incluso la clula bacteriana ms sencilla es capaz de (M.L Walker/Photo Researchers, Inc.) 6. 6 CAPITULO 1 introduccin a! estudio de la biologa celularmayor parte iniciados por alteraciones en la forma de cier-tas protenas "motoras".Las clulas tienen capacidadpara responder a los estmulosAlgunas clulas presentan respuestas obvias a los estmulos;por ejemplo, una clula ciliada nica se aparta de un objetosituado en su camino o se desplaza hacia una fuente denutrientes. Las clulas dentro de una planta o animalmulticelular responden a os estmulos en forma menos evi-dente, pero de todas maneras responden. La mayor partede las clulas estn cubiertas con receptores que interactancon las sustancias del medio de manera muy especfica. Lasclulas poseen receptores a hormonas, factores de crecimien-to, materiales extracelulares y tambin sustancias situadasen la superficie de otras clulas. Los receptores de una clulaconstituyen una puerta de entrada a travs de la cual losagentes externos pueden generar respuestas especficas. Aveces las clulas responden a un estmulo especfico alteran-do sus actividades metablicas, preparndose para la divi-sin celular, desplazndose de un lugar a otro o incluso"suicidndose".Las clulas tienen capacidadde autorregulacinAutorregulacin. El diagrama de la izquierda mues-tra el desarrollo normal de un erizo de mar en el cual un huevo fer-tilizado da lugar a un solo embrin. El esquema de la derecha muestraAdems de sus necesidades energticas para mantener unun experimento en el cual se separan entre s las clulas de un embrinestado complejo ordenado se requiere regulacin continua. despus de la primera divisin y se permite que cada clula seIgual que en el cuerpo ntegro, dentro de cada clula vivadesarrolle por su cuenta. En vez de desarrollarse en la mitad de unoperan muchos mecanismos de control diferentes. La im-embrin como ocurrira si no se le hubiera alterado, cada clula ais-lada reconoce la ausencia de su vecino y regula su desarrollo paraportancia de los mecanismos reguladores de la clula es ms formar un embrin completo (aunque ms pequeo).evidente cuando fallan. Por ejemplo, la insuficiencia de laclula para corregir un error cuando duplica su DNA puedeproducir una mutacin nociva o trastornos en el control delcrecimiento celular que pueden transformar a la clula enuna clula cancerosa con capacidad para destruir a todo elorganismo. Poco a poco hemos aprendido cada vez msacerca de cmo la clula controla sus actividades, pero anqueda mucho ms por descubrir. Consideremos el siguienteexperimento efectuado en 1891 por el embrilogo alemnHans Driesch, quien observ que poda separar por comple-to las primeras dos o cuatro clulas del embrin de un erizode mar y cada una de las clulas aisladas prosegua su desa-rrollo hasta convertirse en embriones normales (fig. 1-7).Cmo puede una clula normalmente destinada slo a for-mar parte de un embrin regular sus propias actividades yformar otro embrin entero? Cmo puede la clula aisladareconocer la ausencia de sus clulas vecinas y de qu mane-ra este hecho puede reorientar el curso del desarrollo celu- FIGURA 1-6. Locomocin celular. Este fibroblasto (tipo de clula lar? Cmo puede la parte de un embrin adquirir el sentidodo tejido conectivo) fue sorprendido en el acto de desplazarse sobrede totalidad? En la actualidad no estamos en mejor posicinla superficie de una caja de cultivo. ! 3 clula est teida con anti-para responder estas preguntas, planteadas hace ms de 200cuerpos fluorescentes para revelar la distribucin de !os filamentos de aos cuando se efectu el experimento.actina y los microtbulos (cap. 9). El bord redondeado de la clulava por delante; los agrupamientos de filamentos de actina en el borde A lo largo de este libro analizaremos procesos que re-delantero son sitios donde se genera la fuerza del movimiento. (Cor-quieren una serie de pasos ordenados, muy semejantes a latesa de . Vctor Small.)lnea de ensamblado para construir automviles en la cual 7. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular7Mquina exprimidera para jugo de naranja FIGURA 1-8. Las actividades de la clulacon frecuencia son anlogas a esta mquina deRube Goldberg, en la cual un paso "automti-co" dispara el siguiente paso en una reaccinsecuencia!. La figura 15-27 suministra un buenejemplo de este concepto. (Reimpreso con permisoespecial de King Fentures Syndicate.) E! profesor Butts cay por el foso abierto de abre la boca gritando de dolor y por lo tanto un elevador y cuando lleg tierra abajo slosuelta la ciruela y permite que el zapato (M) encontr una mquina para exprimir naranjas,caiga y se zambulla sobre la cabeza de un pul- El lechero toma la botella de leche vaca (A) y po (N). El pulpo despierta iracundo y ve la cara tira de la cuerda (B), lo que provoca que ladel buzo dibujada sobre la naranja, la ataca y la espada (C) corte la cuerda (D). Esto permiteoprime con sus tentculos, de esta manera el que la hoja de la guillotina (E) caiga y corte la jugo de la naranja cae al vaso (O). soga (F), que libera el ariete de tronco (G). El Posteriormente el tronco puede emplearse ariete golpea la puerta abierta (H) y la cierra. La para construir una cabana en donde puede de- hoz (I) corta la naranja |J), y al mismo tiempo sarrollarse su hijo, quien podr ser presidente la espina (K) hiere al "halcn-ciruelero" (L). Este corno Abraham Lincoln.los trabajadores aaden, quitan o hacen ajustes especficosy eucariotas, que pueden distinguirse por su tamao y elconforme el automvil se mueve a lo largo de la lnea. En la tipo de sus estructuras internas u organelos que contienenclula, la plantilla para elaborar productos se encuentra en (fig. 1-9). La existencia de dos tipos distintos de clulas, sinlos cidos nucleicos y los trabajadores que los construyen intermediarios conocidos, representa una de las ms funda-son principalmente protenas. La presencia de estos dos ti-mentales brechas de discontinuidad en la evolucin delpos de macromolculas, ms que cualquier otro factor, con- mundo biolgico. Las clulas procariotas, estructuralmen-fiere a la qumica de la clula sus caractersticas distintivaste ms simples, slo se encuentran entre las bacterias ynicas diferentes del mundo no vivo, En la clula, los traba-recprocamente todas las bacterias constan de clulas pro-jadores deben actuar sin !a ventaja de un control externo. cariotas. Todos los otros tipos de organismos: protstas,Cada paso del proceso debe ocurrir de manera espontnea yhongos, plantas y animales, constan estructuralmente deen forma tal que el siguiente paso se inicie automticamente.clulas eucariotas ms complejas. Las clulas procariotasToda la informacin para dirigir una actividad particular, vivas en la actualidad son notablemente semejantes a lassea la sntesis de una protena, la secrecin de una hormona clulas fosilizadas que se encuentran en rocas desde Austra-o la contraccin de una fibra muscular, ya debe estar presen-lia hasta Sudfrica y que datan de hace ms de 3 500 millo-te dentro del propio sistema. En gran medida, las funcionesnes de aos (fig. 1-10). En realidad, se piensa que las clulasde una clula operan de manera anloga al artefacto inven- procariotas fueron los nicos seres vivos sobre el planetatado por el profesor Butts para exprimir naranjas que se durante casi 2 000 millones de aos antes de la aparicin demuestra en la figura 1-8.los primeros eucariotes.1-3 Dos tipos fundamentalmente Caractersticas que distinguen a las clulasdiferentes de clulasprocariotas y a las eucariotasCuando el microscopio electrnico estuvo disponible en casiLa siguiente comparacin breve entre clulas eucariotas ytodo el mundo, los bilogos pudieron examinar la estructu- procariotas revela muchas diferencias bsicas, pero tam-ra interna de una gran variedad de clulas. Estos estudios bin similitudes (fig. 1-9). Las similitudes reflejan el hechorevelaron que hay dos tipos bsicos de clulas, procariotasde que las clulas eucariotas casi con certeza evolucionaron 8. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celularRibosomasFIGURA 1-9. La estructura de la clula. Diagramas esquemti-cos de una bacteria "generalizada" (a), vegetal (b) y animal fe).DNAde Ntese que los organelos no estn dibujados a escala.nucletidoMembrana plasmtica Pared celular Cpsula(a)Cubierta del ncleo Cloroplasto NcleoNucleoplasmaNucloloRetculoendoplsmicoRetculo endoplsmco rugosoPared celular-Peroxisoma Membrana plasmticaComplejo de Golgi Plasmodesma M tocn dra-VacuolaRibosomasVesculaCitosol Microtbulos (b) 9. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 9 Cubierta nuclear Ribosomas Nucleoplasma Ncleo MitocondriaNucloloComplejo de Golgi ,>^Lisosoma ;* ".*. )J ! Retculo Retculo endoplsmicoendoplsmico rugosorugoso MicroflamentosPeroxisoma Membrana plasmticaCentroloCitosolMicrotbulo Vesculafe)FIGURA 1-9. Continuacin.a partir de ancestros procariotes. Debido a su linaje comn, de clulas pueden rodearse de una pared celular rgida, noambos tipos de clulas comparten un lenguaje gentico idn-viva, que protege la delicada forma de vida de su interior.tico, un conjunto comn de vas metablicas y muchos ras-Aunque las paredes celulares de los procariotes y los euca-gos estructurales comunes. Por ejemplo, ambos tipos de c- riotes pueden tener funciones semejantes, su composicinlulas estn rodeadas por una membrana plasmtica dequmica es muy diferente.estructura similar que sirve como barrera selectivamenteInternamente, las clulas eucariotas son mucho mspermeable entre ios mundos vivo y no vivo. Ambos tipos complejas, tanto estructural como funcionalmente, en com- paracin con las clulas procariotas (fig. 1-9). Ambas contie- nen una regin nuclear que alberga el material gentico de la clula, rodeada de citoplasma. El material gentico de una clula procariota se encuentra en un nucleoide, regin de la clula mal demarcada que carece de membrana limi- tante para separarla del citoplasma que la rodea. Por lo contrario, las clulas eucariotas poseen un ncleo, una re- gin rodeada por una estructura membranosa compleja denominada cubierta nuclear. Esta diferencia en la estructu- ra del ncleo es la base de los trminos procariote (pro, antes; carian, ncleo) y encate (eu, verdadero; carian, ncleo). Las clulas procariotas contienen cantidades relativamente pe- queas de DNA: la longitud total del DNA de una bacteria oscila entre 0.25 mm y casi 3 mm, cantidad suficiente para codificar unos pocos miles de protenas. Aunque las clulas eucariotas ms simples slo poseen un poco ms de DNA (4.6 mm en las levaduras) que los procariotes ms comple- jos, la mayor parte de las clulas eucariotas (incluso las de microorganismos eucariotes) contienen varios rdenesFIGURA 1-10. La forma de vida ms antigua sobre el planeta. de magnitud ms de informacin gentica. Ambos tipos deMolde de una cianobacteria filamentosa de 3 500 millones de aos declulas poseen cromosomas dentro del DNA, pero numero-edad tomada en e oeste de Australia. (Cortesa de SM. Awramik.) sos cromosomas de una clula eucarota constan de fibrass 10. 10 CAPITULO 1 FIGURA ] -1 1. Estructura de una clula eucariota. La estructurainterna vara mucho de un tipo de clula a otro. Esta clula epite-lial particular reviste una. parte del conducto reproductivo mascu-lino de las ratas. En los diagramas que rodean a la figura se mues-tran e indican algunos organelos diferentes. (Microgmffa electrnicapor David Phillips/Visnals Unlimited.) Retculo endopsmico rugoso 2um 11. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular11 que contienen DNA y protena, en tanto que el cromosomaras compactas y son separados por un elaborado aparato nico de una clula procariota prcticamente slo contiene que contiene microtbulos (fig. 1-12). En los procariotes, el DNA "desnudo". cromosoma no se condensa y tampoco hay aparato fusifor- El citoplasma de los dos tipos de clulas tambin es me. El DNA se duplica y las dos copias simplemente se muy diferente. El citopolasma de una clula eucariota con- separan por el crecimiento de una membrana celular inter- tiene una gran diversidad de estructuras, como puede ob- puesta. Este mecanismo de divisin ms simple permite aservarse con facilidad por el examen ms superficial de una las clulas procariotas proliferar a una velocidad muchomicrografa electrnica de casi cualquier clula eucariotams rpida que las clulas eucariotas; una poblacin de (fig. 1-11). Lo ms notable es que las clulas eucariotas con- bacterias bien alimentada puede duplicar su nmero cadatienen un arreglo de organelos membranosos cubiertos por20 a 40 minutos.membranas. Por ejemplo, en condiciones tpicas, las clulas Los procariotes en su mayor parte son microorganismosanimales y las vegetales contienen mitocondrias, donde se asexuados. Slo contienen una copia de su nico cromoso-encuentra disponible la energa qumica para abastecer de ma y no cuentan con ningn proceso comparable a la meio-combustible a todas las actividades celulares; un retculosis, formacin de gameto o verdadera fertilizacin. Aunqueendoplsmico, donde se elaboran la mayor parte de los lpi- no hay verdadera reproduccin sexual entre los procariotes,dos y protenas de las clulas; complejos Golgi, donde losalgunos son capaces de conjugacin, en la cual un fragmentomateriales se clasifican, modifican y envan a su destino de DNA pasa de una clula a otra (fig. 1-13). Sin embargo, lacelular especfico; y una gran variedad de vesculas simplesclula receptora casi nunca recibe un cromosoma completode dimensiones variables envueltas por membranas. Las del donador y la situacin en la cual la clula receptoraclulas vegetales contienen organelos membranosos adicio- contiene tanto su propio DNA como el de su pareja es fugaz.nales, incluyendo cloroplastos, que son sitios de la fotosn- La clula pronto vuelve a la situacin en la cual posee untesis y con frecuencia una sola vacuola grande que a vecessolo cromosoma.ocupa la mayor parte del volumen celular. ConsideradasAunque las clulas eucariotas poseen gran variedad deen conjunto, las membranas de la clula eucariota sirvencomplejos mecanismos locomotores, los correspondientes apara dividir el citoplasma en compartimientos dentro de los procariotes son muy simples. El movimiento de una c-los cuales pueden efectuarse actividades especializadas. Porlula procariota se puede efectuar mediante un delgado fila-lo contrario, el citoplasma de las clulas procariotas est mento protenico denominado flagelo, que sobresale de laprcticamente desprovisto de estructuras membranosas. Las clula y posee movimientos de rotacin (fig. 1-14, a). Losexcepciones a esta generalizacin incluyen a los mesosomas, giros del flagelo ejercen presin contra el lquido que loderivados de pliegues simples de la membrana plasmtica rodea y como resultado la clula avanza hacia adelante. Cier-(fig. 1-9), y las membranas fotosintticas complejas de las tas clulas eucariotas, incluyendo muchos protistas y clu-cianobacterias (fig. 1-15). las espermticas, tambin poseen flagelos, pero la versin Las membranas citoplsmicas de las clulas eucariotaseucariota es mucho ms complicada que el simple filamentoforman un sistema de conductos y vesculas interconectadascuya funcin es dirigir el transporte de sustancias de unaparte a otra de la clula y tambin entre el interior de laclula y su entorno. Debido a su pequeo tamao, la comu-nicacin intracitoplsmica dirigida tiene menor importanciaen las clulas procariotas, donde los movimientos necesa-rios de materiales se pueden efectuar por simple difusin. Las clulas eucariotas tambin contienen numerosasestructuras que carecen de membrana. En este grupo seincluyen los tbulos alargados y filamentos del citoesque-leto que participan en la contractilidad y los movimientosde la clula, y tambin sirven como apoyo. Las clulasprocariotas en general carecen de estructuras comparables.Sin embargo, tanto las clulas eucariotas como las procario-tas poseen ribosomas que son partculas no membranosasque funcionan como "mesas de trabajo" sobre las cuales seelaboran las protenas celulares. Aunque los ribosomas delas clulas procariotas y eucariotas tienen dimensiones con-siderablemente diferentes (los ribosomas de los procariotesson ms pequeos y contienen menor nmero de elemen-tos), estos organelos participan en el ensamblado de prote-- La divisin celular en los eucariotes requiere elnas mediante un mecanismo similar en ambos tipos de c- ensamblado de un aparato especializado separador de cromosomaslulas.denominado huso mittico, construido principalmente de microtbu- Se pueden observar otras diferencias importantes entre los cilindricos. En esta micrografa los microtbulos aparecen de colorverde debido a que se unen especficamente a un anticuerpo relacio-las clulas eucariotas y las procariotas. Las clulas eucario-nado con un colorante verde fluorescente. Los cromosomas,- que casitas se dividen por un complicado proceso de mitosis en el estaban separados en dos clulas hijas cuando se fij esta clula, estncual los cromosomas duplicados se condensan en estructu-teidos de azul. (Cortesa de Conhj L Rieder.) 12. 12 CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular ,*fo) l/im 30 nm 1 pm FIGURA 1-13. Conjugacin bacteriana. Micrografa electrnicaque muestra bacterias "macho" y "hembra" unidas por una estructuraprocedente de la clula macho, denominada F pilus, a travs de la cualle pasa DNA a la hembra. (Cortesa de Charles C. Brinton.)protenico de la bacteria y emplea mecanismos diferentes 0.5 umpara generar movimiento (fig. 1-14, b). En los prrafos precedentes se mencionaron muchas de FIGURA 1-14. Diferencia entre flagelados procariotas y eucario-las diferencias ms importantes entre los niveles procariota tas. a) La bacteria Salmonella con sus numerosos flagelos. El recuadro muestra una vista muy amplificada de una parte del flagelo bacteria-y eucariota de organizacin celular. En los siguientes captu- no nico, que consta principalmente de una sola protena denomina-los ampliaremos muchos de esos puntos. Antes de calificarda flagelina. b) Cada uno de estos espermatozoides humanos esta los procariotes como "inferiores" hay que recordar que provisto de movimientos ondulatorios efectuados con un solo flagelo.estos microorganismos han permanecido sobre la tierra du-El recuadro muestra una seccin transversal del flagelo de un esper-rante ms de 3 000 millones de aos, y en este mismo ins-matozoide que revela una estructura compleja que consta de cientos de protenas diferentes, (a: Segn Bernard R. Gerber, Lewis M. Routledgetante millones de ellos se estn adhiriendo a la superficiey Shiro Takashima, J. Mol. Biol. 71:322, 1972, copyright: Academia Press,externa de nuestro propio cuerpo y compartiendo los nu-Inc.; recuadro cortesa de Julius Adler y M.L. DePamphilis; b: micrografiatrientes en nuestro conducto digestivo. Tambin debemoscortesa de David M.. Phillips/Visuals Unlimited, recuadro cortesa de Donconsiderar que metablicamente los procariotes son micro-W. Fawcett.)organismos muy especializados. Por ejemplo, una bacteriacomo Escherichia coli, habitante comn del conducto diges-tivo del ser humano y de las placas de cultivo en los laborato- 13. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 13rios, tiene la capacidad de vivir y prosperar en un medioresistieron los efectos destructivos de este gas, sino que enque slo contiene alguna fuente de carbono y nitrgeno y realidad dependan del mismo para extraer su energa qu-unos cuantos iones inorgnicos. Estas clulas bacterianasmica.contienen todas las enzimas necesarias para convertir uno o Muchas cianobacterias son capaces no slo de la fo-dos compuestos orgnicos de bajo peso molecular en cien- tosntesis, sino tambin de fijar nitrgeno, o sea, convertirtos de sustancias que la clula debe contener. Otras bacte-el gas nitrgeno (Ni), de otro modo intil, en formas redu-rias son capaces de vivir con una "dieta" a base de purascidas de nitrgeno (como el amonio, NHs) que las clulassustancias inorgnicas. Por lo contrario, incluso las clulaspueden emplear para sintetizar compuestos orgnicos quemetablicamente mejor dotadas de nuestro cuerpo requie-contienen nitrgeno, incluyendo aminocidos y nucleti-ren gran variedad de compuestos orgnicos, incluyendodos. Las especies con capacidad de fotosntesis y de fijarnumerosas vitaminas y otras sustancias esenciales que no nitrgeno pueden sobrevivir con los recursos, ms simples,pueden elaborar por s mismas. En realidad, muchos decomo luz, N2, COo y H2. Por lo tanto, no es sorprendenteestos ingredientes dietticos esenciales son producidos porbacterias que normalmente viven en el intestino grueso.Tipos de clulas procariotasSegn los esquemas actuales de clasificacin, los procario-tes se dividen en dos grupos principales o subreinos: lasarqueobacterias y las eubacterias. Las arqueobacterias inclu-yen tres grupos de bacterias primitivas cuyos vnculosevolutivos entre s se manifiestan por la similitud en lasecuencia de nucletidos de sus cidos nucleicos. Las ar-queobacterias vivas estn representadas por los metange-nos [bacterias capaces de convertir el C2 y el gas de 2 agas metano (CH4)]; los halfilos (bacterias que viven enmedios sumamente salinos, como el Mar Muerto o el GranLago Salado), y los termoacidfilos (bacterias que viven enmanantiales calientes y muy cidos). Se piensa que las ar-queobacterias incluyen a los parientes vivos ms cercanosde las primeras clulas que evolucionaron sobre la tierra. Todos los otros tipos de bacterias se clasifican en elsubreino Eubacteria. Este subreino incluye la clula viva mspequea, el micoplasma (0.2^01 de dimetro) que es tam-bin el nico procariote que carece de pared celular. Losprocariotes ms complejos son las cianobacterias (anti-guamente conocidas como algas azul verdosas debido a laespuma verde azulosa que pueden formar en la superficiede lagos y estanques). La cianobacterias contienen arreglosmuy elaborados de membranas citopsmicas que sirvencomo sitios para la fotosntesis (fig. 1-15, a). Las membranascitopsmicas de las cianobacterias son muy similares a lasmembranas fotosintticas presentes en los cloroplastos delas clulas vegetales. Igual que las plantas y a diferencia de otras bacterias,en las cianobacterias la fotosntesis se efecta por desdo-blamiento de molculas de agua que libera oxgeno mole-cular. Antes de la evolucin de las cianobacterias, haceunos 3 000 millones de aos, la atmsfera terrestre estabaprcticamente desprovista de oxgeno y la vida sobre latierra slo consista de procariotes independientes de ox-geno (anaerobios). Como se describe en el captulo 2, elFIGURA 1-15. Cianobacteria. a) Micrografa electrnica de una cianobacteria que muestra la membrana ctoplsmica donde se efec-oxgeno molecular puede ser una sustancia sumamenteta la fotosntesis. Estos apilamientos de membranas fotosintticastxica. Conforme las cianobacterias se convirtieron en larecuerdan los de las membranas tilacoides presentes dentro deforma dominante de vida, llenaron las aguas y la atmsfe-cloroplastos de clulas vegetales, una caracterstica que apoya la hi-ra de la tierra con el mortfero C>2, que empuj a la mayorptesis de que los cloroplastos evolucionaron a partir de cianobacte- rias simbiticas, b) Las cianobacterias que viven entre los pelos de losparte de los otros microorganismos procariotes hacia habi- osos polares causan el color verdoso poco habitual de su pelaje, (a:tat anaerobios remotos. La presencia de 2 en la atmsfera Cortesa de C.C. Remsen, S.W. Watson, .B. Waterbury y H.S. Truper, enseleccion nuevos tipos de microorganismos que no slo J. Bacteriol. 95:2374, 1968, b: cortesa de Zoological Society o/Sn. Diego.) 14. 14 CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celularque las cianobacterias de ordinario sean los primeros mi-croorganismos en colonizar las rocas desnudas desprovis-tas de formas vivas gracias a la ardiente lava de una erup-cin volcnica. En la figura 1-15, b, se lustra otro habitatpoco comn ocupado por las cianobacterias.Tipos de clulas eucariotas:especializacin celularEn muchos aspectos las clulas ms complejas no se en-cuentran en los grandes organismos vegetales o animales,sino ms bien en algunos de los microorganismos eucario-tas ms pequeos, como los protozoarios ciliados que semuestran en la figura 1-16. Estas clulas son complejas de-bido a que una sola clula constituye un organismo unice-lular (de una sola clula) completo. Todos los mecanismosnecesarios para las complejas actividades en las cuales par-ticipan estos microorganismos, como percibir el ambiente,procurarse alimento, excretar el exceso de lquido, evadir alos depredadores, deben alojarse en los confines de unasola clula. La formacin de microorganismos unicelularesmuy complejos representa una va de la evolucin. Otrava alterna fue la evolucin de microorganismos multice-lulares en los cuales las diferentes actividades son efectua-das por diferentes tipos de clulas especializadas. Algunasde las ventajas de la divisin del trabajo entre las clulas sepuede apreciar si se examina el ciclo de vida de uno de loseucariotes ms simples, el moho celular del fango, Dzcfyos-tlium. Durante la mayor parte de su ciclo de vida, las clulasdel moho del limo existen como amibas solitarias indepen-dientes que se arrastran sobre su sustrato. Cada clula es unorganismo completo autosuficiente (fig. 1-17, a). Sin embar-FIGURA 1-16. Vorticea, un protista complejo ciliado. Cierto n-go, cuando el suministro de alimento escasea, aparece un mero de individuos se juntan; la mayora han perdido sus "cabezas" debido al acortamiento de la banda contrctil en el tallo. (Carolinanuevo tipo de actividad entre las clulas y se renen para Biological Supply Co./Phototike.)formar un agregado llamado seudoplasmodio, o simplementebabosa (fig. 1-17, b), que se desplaza lentamente sobre elsustrato dejando un rastro de "limo o baba". Los organismossimples previamente aislados son ahora pequeas partes deun individuo multicelular mucho mayor. El examen del inte-rior de la babosa revela que las clulas ya no son una pobla-la siguiente generacin de amibas. El proceso mediante elcin homognea. Ms bien, las clulas situadas en el terciocual una clula relativamente no especializada, como el mohoanterior de la babosa (llamadas clulas precursoras del tallo) amibiano del fango, se convierte en una clula altamentese pueden distinguir de las situadas en la seccin posterior especializada, como las clulas del tallo o de las esporas, se(llamadas clulas precursoras de esporas) mediante variadosdenomina diferenciacin.criterios (fig. 1-17, b, recuadro). Si se espera un poco msUna clula amibiana del moho de! fango dispone deocurren una serie de hechos espectaculares: el seudoplas-dos vas alternas de diferenciacin cuando entra en la etapamodio detiene su desplazamiento, gira sobre el sustrato (fig.de agregacin. Por lo contrario, cuando el vulo de un ver-1-17, c) y luego se extiende hacia arriba, al aire, como el cuer-tebrado es fertilizado y avanza en su desarrollo embrionariopo de un fruto alargado (fig. 1-17, d). El cuerpo de este frutotiene a su disposicin cientos de posibles vas de diferencia-est compuesto de un delgado tallo (derivado de las clulascin. Algunas clulas se convierten en parte de una glndulaprecursoras del tallo) que apoya una masa redondeada dedigestiva particular, otras en parte de un msculo esquel-esporas encapsuladas latentes (derivados de clulas precur-tico largo y otras en parte de un hueso (fig. 1-18). La va desoras de esporas). Las clulas del tallo y de las esporas tie- diferenciacin que sigue cada clula embrionaria dependenen una funcin muy diferente que requiere diversos tiposprincipalmente de las seales que recibe de su entorno, quede especializacin citoplsmica. Las clulas del tallo sumi- a su vez dependen de la posicin de dicha clula dentro delnistran apoyo mecnico para sostener la masa de esporasembrin.arriba del sustrato, en tanto que las clulas de esporas estnComo resultado de la diferenciacin, distintos tipos dedestinadas a "dispersarse en el viento" y transformarse en clulas adquieren un aspecto distintivo y contienen materia- 15. Clulasprecursorasdel tallofa) FIGURA 1-17. Ciclo de vida de un moho del fango, a) Amibas que se van agregando pordesplazamiento hacia un centro comn. (Cortesa re John Ti/Ser Bor.ncr.) b) Despus de la agrega-cin, las clulas forman una masa (o seudoplasmodio) que se desplaza sobre el sustrato dejandoun rastro de "fango" en su camino. Las clulas del extremo delantero de la masa (que se con-vertirn en clulas del tallo) se pueden distinguir de las clulas del extremo posterior (que seconvertirn en clulas esporas). Como se muestra en el recuadro, las clulas precursoras de lasesporas del extremo posterior de la masa incorporan 3 H-fucosa, un azcar marcado con istoposradiactivos que formarn parte de la cubierta de la espora, en tanto que las clulas precursorasdel tallo carecen de esta actividad. La incorporacin de azcar radiactivo se manifiesta por lapresencia de granos negros plateados sobre las clulas precursoras de esporas. (Cortesa de DavidFrancis, recuadro por G. Karp.) c) La migracin de la masa cesa, se redondea y comienza a despren-derse del sustrato. Se observan las clulas que entraron a formar parte del tallo en el extremo (d)superior. (Cortesa re Kennsth B. Rapa:) d) El frutal consiste en un tallo alargado que sostiene unamasa de esporas en su extremo superior. Cada espora dar lugar a una amiba independiente quevuelve a iniciar el ciclo de vida. (Cortesa de ohn Tyler Bonner.)les nicos. Las clulas del msculo esqueltico contieneny ubicacin del organelo se puede correlacionar con las ac-una red de filamentos alineados con precisin y compuestos tividades del tipo de clula particular. Se puede establecerde protenas contrctiles peculiares; las clulas del cartlagouna analoga con las diferentes piezas que interpreta unase rodean de una matriz caracterstica que contiene polisa-orquesta: todas estn compuestas de las mismas notas, perocridos y la protena colgena, que juntos suministran apo-los diferentes arreglos confieren a cada una sus caractersti-yo mecnico; los eritrocitos se convierten en sacos de forma cas y belleza nicas.discoide llenos de una protena nica, !a hemoglobina, quetransporta oxgeno, y as sucesivamente. Sin embargo, a pe-sar de sus muchas diferencias, las diversas clulas de una El tamao de las clulas y de sus elementosplanta o animal multicelular estn formadas de organelossimilares. Por ejemplo, se encuentran mitocondrias en prc-La figura 1-19 muestra comparativamente el tamao relati-ticamente todos los tipos de clulas. No obstante, en un tipovo de algunas estructuras de inters en biologa celular.pueden ser redondas en tanto que en otro a veces adoptan Casi todas las clulas son microscpicas; por lo tanto, lasforma fibrilar muy alargada. De manera similar, las mito-unidades ms comnmente empleadas en este libro corres-condrias de una clula pueden estar dispersas por todo e!ponden a dimensiones lineales muy pequeas. De ordina-citoplasma, en tanto que en otra las clulas se concentran rio se emplean dos unidades de medida lineal para descri-cerca de una superficie particular donde ocurre el transpor- bir estructuras del interior de la clula: el micrmetro (/mi)te dependiente de energa. En cada caso, el nmero, aspectoy el nanmetro (nm). Un/m es igual a 10~6 metros y un nm 16. 16CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular Clulas nerviosasTejido conectivo laxocon fibroblastos"1Tejido seocon osteocitos Msculo lisoClulas grasas(adiposas)Clulas del msculo estriado Clulas epiteliales del intestino FIGURA 1-18. Vas de diferenciacin celular. Se presentan unos pocos de los tipos de diferenciacin celular en el feto humano.es igual a 10~9 metros. Aunque ya no se acepta formalmen-El tamao de las bacterias tpicas vara entre 1 y 5//m dete en la nomenclatura mtrica, el angstrom (A), que es iguallongitud, en tanto que las clulas eucariotas de ordinarioa un dcimo de nm, todava se emplea con frecuencia entienen entre 10 y 30 /m. Hay bastantes razones para que lasbiologa molecular para describir dimensiones atmicas. Unclulas sean tan pequeas. Consideremos las siguientes:angstrom por lo general equivale al dimetro de un tomode hidrgeno. Una molcula protenica globular tpica (como Independientemente del tamao de la clula, el ncleola mioglobina) tiene 4.5 nm x 3.5 nm X 2.5 mm y las prote- nico slo contiene dos copias de la mayor parte de losnas alargadas {como la colgena o la miosina) tienen ms de genes. Puesto que los genes actan como moldes para la100 nm de longitud, y el DNA tiene ms o menos 2.0 nm produccin de RNA mensajeros transportadores de in-de ancho. Complejos de molculas grandes, como los ribo-formacin, una clula slo puede producir un nmerosomas, microtbulos y microfilamentos, poseen dimetrolimitado de RNA mensajeros en determinado tiempo.entre 5 y 25 nm. Organelos ms grandes, como los ncleosCuanto mayor sea el volumen del citoplasma celular(unos 10 m) o las mitocondrias (alrededor de 2 m) son ms difcil ser sintetizar el nmero requerido de men-ms fciles de definir en micrmetros.sajes nucleares. 17. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 17Conforme el tamao de la clula se incrementa, la pro- requerido para que la difusin desplace las sustanciasporcin entre superficie/volumen disminuye.1 La ca-hacia adentro y hacia afuera de la clula metablica-pacidad de una clula para intercambiar sustancias enmente activa puede ser prohibitivamente prolongado.su ambiente es proporcional a la superficie. Si una clu-la crece ms de cierto tamao, su superficie no seraLas clulas que tienen dimensiones excepcionalmentesuficiente para captar sustancias (p. ej., oxgeno, nutrien- grandes, como el huevo de avestruz y la clula nerviosa detes) necesarios, para apoyar sus actividades metab- la jirafa, en la figura 1-19, tienen propiedades poco habitua-licas. les. El huevo del avestruz, y los huevos de muchos otrosUna clula depende en gran medida del movimiento alpeces, reptiles y aves, en realidad contienen una cantidadazar de las molculas (difusin). Por ejemplo, el oxgenomuy pequea de protoplasma vivo que se sita por encimadebe difundir desde la superficie de la clula a travsde una gran cantidad de yema inerte, empleada comodel citoplasma hasta el interior de las mitocondrias.nutriente para el embrin en desarrollo. Aunque la clulaConforme la clula aumenta de tamao y la distancianerviosa de la jirafa y las clulas nerviosas de otros anima-de la superficie al interior tambin crece, el tiempoles grandes pueden ser muy largas, su dimetro todava es microscpicamente pequeo. 1-4 Virus1 Se puede comprobar esta afirmacin calculando rea y volumende un cubo cuyas aristas sean de 1 cm de longitud en comparacin conotro cuyas aristas sean de 10 cm de longitud. La proporcin rea/En los ltimos decenios del siglo XIX, el trabajo de Louisvolumen del cubo ms pequeo es considerablemente mayor que la Pasteur y de otros investigadores convenci al mundo cien-del cubo ms grande. tfico de que las enfermedades infecciosas de plantas y ani- ClulaYema de Ncleo de lanerviosa huevo deClulaclula hep- Membranade jirafaavestruzAmibahumana tica humanaBacteria RibosotnaPoro nuclearplasmtica0.000,0000001 de metro 000000001 de metro 0.00000001 de metro0.0000001 de metro0.000001 de metro 0.00001 de metro0.0001 de metro0.001 de metro 0.01 de metro0.1 de metro1 metro1.0 metro 10 metros 10 metrosDisminucinen potencias de 10FIGURA 1 - L*. Tamaos relativos de las clulas y de los componentes celulares. Cada unidad de medida es un dcimo mayor que la unidadprecedente. Aunque el huevo completo de avestruz es tcnicamente una clula, la porcin viva slo se encuentra como un delgado discomicroscpico situado sobre el borde de una gran masa inerte de yema de huevo. 18. 18CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celularmales eran causadas por bacterias. Pero el estudio de laCubierta protenica Acido de la capsmera nucleicoenfermedad del mosaico del tabaco y la fiebre aftosa delganado pronto indicaron la existencia de otro tipo de agen-tes infecciosos. Por ejemplo, se observ que la savia de unaplanta de tabaco enferma era capaz de transmitir ia enfer-medad del mosaico a una planta saludable, aun cuando lasavia no demostr contener bacterias cuando se examin almicroscopio de luz. Adems, la savia de una planta conti-nuaba siendo infecciosa aun despus de pasar a travs defiltros cuyos poros eran tan pequeos que retardaban e! Nucieocpsidepaso de las bacterias ms pequeas conocidas. Estudiosadicionales demostraron que, a diferencia de las bacterias,el agente infeccioso no poda crecer en medios de cultivo amenos que tambin estuvieran presentes clulas vegetalesvivas. Los investigadores concluyeron que ciertas enferme-dades eran causadas por patgenos an ms pequeos yquiz ms simples que las bacterias ms pequeas. Estospatgenos recibieron el nombre de virus. En 1935, Wendell Stanley, del Instituto Rockefeller,public que el virus causante de la enfermedad del mosaicodel tabaco se poda cristalizar y que los cristales eran infec-ciosos. Los cristales poseen una estructura interna regular-mente repetitiva. Las sustancias que forman cristales tienenuna estructura bien definida muy ordenada y son muchomenos complejas que las clulas ms simples. Stanley con-cluy errneamente que el virus del mosaico del tabaco(VMT) era una protena. En realidad, el VMT es una part-cula en forma de bastoncillo que consta de una sola molcu-la de RNA rodeada por una cubierta helicoidal compuestade subunidades de protena (fig. 1-20).Los virus causan docenas de enfermedades en el serhumano, incluyendo SIDA., poliomielitis, influenza, herpes(b) 50 nmlabial, sarampin y unos pocos tipos de cncer (vase sec- FIGURA 1-20. Virus del mosaico del tabaco (VMT). a) Diagramacin 16-3). Los virus presentan una gran variedad de for- de una porcin de la partcula del VMT. Las subunidades de protenamas, tamaos y estructuras muy diferentes, pero todos com-en forma de bastn (capsmera) que son idnticas en toda la longitudparten ciertas propiedades comunes. Todos los virus son de la partcula incluyen una sola molcula helicoidal de RNA. Separsitos intracelulares obligatorios, o sea, no pueden re- muestra el RNA que sobresale en el extremo donde se ha desprendidoproducirse a menos que se encuentren dentro de una clula la protena. La cpside protenica con el RNA incluido se denominanucleocpside. b) Micrografa electrnica de partculas del VMT luegohusped, la cual, segn el virus especfico, puede ser unade tratamiento con fenol para eliminar las subunidades de protena declula vegetal, animal o bacteriana. Fuera de una clulala porcin media de la partcula de arriba y de los extremos de laviva, el virus existe como partcula, o virin, que no es ms partcula de abajo. Los bastones ntegros tienen unos 300 nm de lon-que un paquete de macromolculas. El virin contiene unagitud y 18 nm de dimetro, (b: Cortesa de M.K. Corbet.)pequea cantidad de material gentico que, segn el virus,puede ser RNA o DNA de cadena simple o doble. Es nota-ble que algunos virus contienen escasos genes diferentes,tres o cuatro, pero otros pueden tener hasta varios cientos dos planos. Una forma polidrica particularmente comnde ellos. Cuanto menor el nmero de genes ms depende elen los virus es el icosaedro de 20 caras. Por ejemplo, e! ade-virus de las enzimas y de otras protenas codificadas por los novirus que provoca infecciones respiratorias en mamfe-genes de su clula husped. ros tiene una cpside icosadrica (fig. 1-21, a). En muchosEl material gentico del virin est rodeado por unavirus de animales, incluyendo el virus de la inmitnodefcienciacpsula protenica, o cpside, por lo general constituida por humana (HIV) causante del SIDA, la cpside protenica estun nmero especfico de subunidades. Entre las ventajas derodeada por una cubierta externa que contiene lpidos deri-construir con subunidades una de las ms aparentes es eco-vados de la membrana plasmtica de la clula husped con-nomizar informacin gentica. Si la cubierta del virus est forme las yemas virales se forman en la superficie de laformada por muchas copias de una sola protena, como en clula husped (fig. 1-21, b). Integrada a la cubierta lpida seel VMT, o de unas pocas protenas como las cubiertas de encuentran las protenas virales localizadas en la membranamuchos otros virus, slo se necesita uno o unos cuantos plasmtica de la clula husped antes de la gemacin. Losgenes para codificar las protenas de la cubierta.virus de bacterias, o bacterifagos, son de los ms complejosMuchos virus poseen una cpside cuyas subunidades (fig. 1-21, c). El bacterifago T (utilizado en experimentosse organizan en formas polidricas, una estructura con la-clave que revelaron la estructura y propiedades del mate- 19. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 19rial gentico) consta de una cabeza polidrica que contienetar. Algunos virus tienen un conjunto muy limitado deDNA, un tallo cilindrico a travs del cual se inyecta DNA al posibles huspedes, slo tienen capacidad para infectar algu-interior de la clula bacteriana, y una cola de fibras que nas clulas de ciertos huspedes. Esto es cierto, por ejemplo,juntas dan a la partcula el aspecto de un mdulo que aterri-para la mayor parte de los virus del resfriado comn queza sobre la luna.slo pueden infectar clulas epiteliales respiratorias del ser Cada virus tiene sobre su superficie una protena capaz humano. Otros virus, como el de la rabia, pueden infectar ade enlazarse a un componente particular de la superficie deuna variedad de diferentes especies de huspedes, incluyen-su clula husped. Por ejemplo, la protena que se proyectado perros, murcilagos y el hombre.desde a superficie de la partcula del HIV (marcada gp!20Los virones son agregados macromoleculares, partcu-en la figura 1-21, b, recibe ese nombre por glucoprotenalas inanimadas que por s mismas son incapaces de repro-con peso molecular de 120 000 daltons2) interacta con una ducirse, efectuar actividades metablicas o cualquiera otraprotena sobre la superficie del leucocito humano, lo queactividad relacionada con la vida. Por esta razn, no se con-facilita la entrada del virus al interior de su clula husped.sidera organismos a los virus y no se describen corno "seresCorno se analiza en el ensayo La perspectiva humana, la part- vivos". No obstante, una vez que se fijan a la superficie ex-cula gpl20 es la base de la primera generacin de vacunasterna de un husped y pasan al interior de la membranaanti SIDA que en la actualidad estn en prueba.externa de la clula el virus contiene la informacin necesa- La interaccin entre las protenas virales y las del hus-ria para alterar totalmente las acitividades de la clula hus-ped determina la especificidad del virus, o sea, el tipo deped. Hay dos tipos bsicos de infeccin viral: 1) En la mayorclulas huspeda las cuales el virus puede penetrar e infec-parte de los casos el virus detiene las actividades normales de sntesis en el husped y reorienta a la clula para emplear sus materiales disponibles en la elaboracin de cidos2 El Dalton equivale a una unidad de masa atmica, el peso de un nucleicos y protenas virales, que se ensamblan para formarsolo tomo de hidrgeno ^H). nuevos viriones. En otras palabras, los virus no crecen comoProtena gp120 de lacubierta (a) RNACubiertaAcidoprotenicanucleico Transcriptasa inversa Bicapade lpidos (c)(b)FIGURA 1-21. Diversidad de los virus. Estructuras de: a) un adenovirus, b) un virus de la inmunodeficiencia humana (HIV), y c) un bacteri- fago T-homogneo. 20. 20CAPITULO 1 ntroduccin al estudio de la biologa celularclulas; se ensamblan directamente a partir de sus elemen- Las clulas bacterianas que contienen un provirus setos para formar viriones de tamao maduro. Por ltimo, lacomportan normalmente en tanto no se exponganclula infectada se rompe (lisis) y libera una nueva gene- a algn tipo de estmulo, como la radiacin ultravio-racin de partculas virales capaces de infectar a las clulas leta (UV) que activa al DNA viral "latente", lo que pro-vecinas. Un ejemplo de este tipo de infeccin ltica se mues-voca la lisis celular y libera a la progenie viral. El virustra en el recuadro a la izquierda de la figura 1-22, a, y en lalambda es un virus bacteriano capaz de integrar sufotografa de la figura 1-22, b. 2) En otros casos, el virus DNA a los cromosomas de la clula del husped, comoinfectante no provoca la muerte de la clula husped, sino se indica en la figura 1-22, a, recuadro a la derecha.en vez de ello introduce (integra) su DNA al DNA de losAlgunas clulas animales que contienen un proviruscromosomas de la clula husped. El DNA viral integradoproducen una nueva progenie viral por gemacin en lase denomina provirus. Un provirus integrado puede tenersuperficie de la clula sin lisis de la clula infectada. Elvarios tipos de efectos segn el tipo de virus y de clula virus de la inmunodeficiencia humana (HIV) acta dehusped. Por ejemplo:esta manera; una clula infectada puede permanecer Virus unido a la superficiede la clulaO DNA viral inyectado al interior dela clulaEl DNA viralEl ONA viral sepermanece separadointegra al cromosomadel cromosomadel huspeddel husped como provirusDNA degradado delhusped y protenas virales y DNA sintetizadoBacteria proliferantecon provirus integrado t 0.2 pm Ensamblado delas partculas virales FIGURA 1-22. Infeccin con un virus, a) Cuando el virus bacteriano(bacterifago) lambda inyecta su DNA en una clula husped el resultadopuede ser una de dos tipos de infeccin. La mayor parte de los agentesinfecciosos siguen una va ltica ilustrada en el recuadro izquierdo, dondela clula bacteriana sirve como mquina para producir la progenie viral Partculas virales liberadas que se libera despus que la clula sufre lisis. En otros casos, el virus entracuando la clula es lisaa una llamada va lisgena (recuadro derecho) en la cual el DNA del virusse integra a los cromosomas de la clula de! husped como un provi- (?~)rus reprimido. El provirus latente puede ser inducido a iniciar una infec-cin ltica por diferentes tipos de estmulo, incluyendo radiacin por luz V/ UV (indicado por la clula de color ms claro a la izquierda), b) Una ltimaetapa de la infeccin de una clula bacteriana por un bacterifago, quemuestra la acumulacin ordenada de numerosas partculas virales y la VA LITIGA VA LISOGENAcubierta vaca del fago sobre la superficie celular, (b: Cortesa de onathanKing y Erika Hartwig.)(a) 21. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 21viva mientras acte como fbrica para producir nuevos como herramientas para estudiar el mecanismo de duplica-vriones. cin del DNA y la expresin de los genes en huspedes Algunas clulas animales que contiene un provirus pier- mucho ms complejos. Adems, en la actualidad los virus seden el control de su propio crecimiento y divisin y se emplean como medio para introducir genes extraos a lasconvierten en malignas. Este fenmeno se puede estu-clulas humanas, tcnica que ser la base para el tratamien-diar con facilidad en el laboratorio al infectar clulasto de enfermedades humanas mediante genoterapia. Porcultivadas con el virus tumoral apropiado.ltimo, los virus que matan insectos en el futuro podrndesempear un papel cada vez mayor en la guerra contra Debido a su estructura sencilla, se podra concluir queplagas de insectos.los virus representan una forma primitiva de vida, tal vezsimilar a las que existieron sobre la tierra antes de la evolu-cin de las clulas procariotas. Sin embargo, cuando se con-Viroidessidera que la "vida de los virus" depende por completo delas clulas que invade, es evidente que los virus no pudie- En 1971, sorpresivamente se descubri que los virus noron aparecer en el escenario antes que sus huspedes. Pues- eran los tipos ms simples de agentes infecciosos. En aquelto que los virus comparten el mismo lenguaje gentico en- ao, T.O. Diener, del Departamento de Agricultura de Esta-tre s y tambin con clulas procariotas y eucariotas, no dos Unidos, comunic que la enfermedad por adelgaza-pudieron originarse de manera independiente como formamiento de los tubrculos de la patata que produce patatasprimitiva despus que otras clulas haban evolucionado. Es nudosas y agrietadas era causada por un agente infecciosorns razonable asumir que los virus representan una for-que consista en una molcula circular pequea de RNAma degenerada, o sea, derivada de un organismo msdesprovista totalmente de cubierta protenica. Diener deno-complejo. Los virus al parecer evolucionaron a partir demin a este patgeno un viroide. El tamao del RNA de lospequeos fragmentos de cromosomas celulares capaces viroides oscila entre 240 y 600 nucletidos aproximada-de mantener algn tipo de existencia autnoma dentro de mente, la dcima parte del tamao de los virus ms peque-las clulas. Con el tiempo, estos elementos genticos aut- os. No se ha demostrado que el RNA viroide desnudonomos adquirieron una cubierta protenica y se convirtie- codifique para alguna protena. Ms bien, cualquier activi-ron en agentes capaces de infectar a otras clulas. Conside-dad bioqumica en la cual participan los viroides se efectarando la tremenda diversidad de los virus es probable que utilizando protenas de la clula husped. Por ejemplo,diferentes grupos evolucionaran de manera independiente para duplicarse dentro de una clula infectada el RNAa partir de diferentes organismos celulares. Esta conclusinviroide utiliza el RNA polimerasa II del husped, una enzi-se corrobora por el hecho de que los genes presentes en ma que normalmente transcribe el DNA del husped encada grupo de virus son muy diferentes de los correspon-RNA mensajero. Se cree que los viroides provocan enferme-dientes a otros grupos, pero son similares a los genes quedades al intervenir en la va normal de expresin genticainfectan dentro de la clula husped. El hecho de que los de las clulas. Los efectos sobre las cosechas pueden servirus humanos utilicen las enzimas del husped para efec- graves; una enfermedad viroide llamada cadang-cadangtuar casi todas sus actividades metablicas hace muy difcildevast las palmeras cocoteras en plantac ones de las Islasencontrar frmacos que impidan los pasos del ciclo viral sinFilipinas y otro viroide provoc grandes estragos a ladaar al husped humano.industria de los crisantemos en Estados Unidos. En el ensa- Los virus no carecen de virtudes; puesto que la activi-yo La va experimental se relata el descubrimiento de un tipodad de los genes virales imita a la de los genes del husped, diferente de agente infeccioso aun ms simple que ellos investigadores han utilizado por decenios a los virus viroide. 22. 22CAPITULO 1 Introduccin a! estudio de la biologa celularLA PERSPECTIVAHUMANA La bsqueda de una vacuna contra el SIDAA la mitad del decenio de 1980 haba de modo que no tuviera posibilidad de inducir una respuesta inmunolgica.grandes esperanzas de desarrollar unacausar SIDA, tal vacuna an podra serAunque todas las vacunas parecieronvacuna para prevenir la infeccin conpeligrosa porque la integracin de cual-seguras por no producir efectos colate-HIV, el virus causante del SIDA. Laquier material gentico al DNA de una rales aparentes en los individuos some-mayor parte de las vacunas contraclula tiene el riesgo de convertirla entidos a la prueba, su xito para producirenfermedades virales, como la polio- una clula cancerosa maligna. una respuesta de inmunidad fue va-mielitis, la viruela negra y el saram-Haba acuerdo de que el camino riable. Por ltimo, se determin que laspin, contienen virus muertos ntegros ms seguro era desarrollar una vacu-vacunas elaboradas por dos compa-o virus vivos atenuados (virus mo- na a partir de la protena del virusas, Genentech y Chiron/ Ciba-Geigy,dificados que ya no son capaces de pro-proyectada hacia afuera de la cubiertainducen un nivel aceptable de anti-vocar infeccin grave). La inyeccin deviral. Esta protena de la cubierta, de-cuerpos en individuos vacunados du-estos virus inofensivos engaa al siste- nominada gp!20 (fig. 1-21, b) es el com-rante un periodo razonable. De igualma inmunolgico del cuerpo para pro- ponente de la partcula viral que seimportancia, se demostr que estosducir anticuerpos especficos y clulasenlaza a la superficie externa de la c-anticuerpos in vitro evitan que el virusde inmunidad que permanecen a la es- lula husped antes de infectarla. Lainfecte clulas. Se programaron estu-pera, listas para atacar al autntico vi-protena viral empleada para la vacu- dios en gran escala para iniciarlos enrus causante de la enfermedad si logra na tendra que elaborarse a partir de 1994 para probar la eficacia de la vacu-penetrar al organismo. Una de las ven- un gen sintetizado en el laboratorio. Elna, esto es, si era capaz de prevenir latajas de utilizar virus vivos atenuadosgen se introducira a clulas de mam-infeccin con HIV en miembros de po-como parte de una vacuna es que se feros que pueden desarrollarse en granblaciones de alto riesgo. Pero hubo unaestimula a las vas humoral y celularcantidad en el laboratorio. Las clulas serie de acontecimientos que cambia-del sistema inmunolgico. La inmuni- sometidas a procesos de ingeniera ge-ron los planes.dad humoral es mediada por anticuer- ntica produciran una gran cantidad Se descubri que los anticuerpospos solubles disueltos en la sangre. de la protena que deba purificarse yproducidos por las personas en res-Estos anticuerpos son sintetizados por emplearse para fabricar la vacuna. Se puesta a la vacuna no eran tan eficacesclulas derivadas de linfocitos B. Por esperaba que la vacuna constituida porcomo se pens para prevenir la infec-lo contrario, los infocitos T se encar- la protena de la cubierta del HIV obli-cin. Se haban llevado a cabo pruebasgan de la inmunidad mediada por c-gara a la persona a sintetizar anticuer-anteriores de actividad neutralizantelulas, clulas capaces de reconocer ypos neutralizantes, o sea anticuerpos ca- empleando virus desarrollados en el la-destruir a las clulas del cuerpo infec- paces de bloquear la entrada del virusboratorio en lneas de clulas cultiva-tadas por virus. a la clula y por lo tanto de prevenirdas. Cuando se probaron anticuerpos Durante el decenio de 1980, prc- que las personas expuestas al virus contra el virus aislados de personas in-ticamente haba acuerdo unnime de se infectaran. Una desventaja de la va- fectadas con HIV mostraron ineficaciaque una vacuna contra el SIDA, depen-cuna basada slo en la protena de la casi total para prevenir la infeccin dediente de virus muertos o atenuados, cubierta es que no se esperaba quelas clulas. A diferencia de casi todosera segura. A diferencia de la mayor estimulara la va del sistema inmuno- los virus, el HIV puede mutar con ra-parte de los virus infecciosos, el HIV lgico mediada por clulas, la cual tal pidez y provocar cambios en la estruc-integra su material gentico a los vez se necesitaba para destruir una tura de su cubierta protenica. Por locromosomas del husped, donde per- clula que fuera infectada por el virus.tanto, los anticuerpos aparentementemanece durante aos destruyendo Numerosas compaas en colabo- fueron producidos contra una versingradualmente la salud de una perso-racin con varas agencias guberna- de la cubierta protenica presente en losna. Toda vacuna contra el SIDA que mentales alrededor del mundo pro- virus de las clulas cultivadas, pero nocontenga partculas virales tambindujeron vacunas a base de protenas dedel virus residente en la mayora de loscontiene RNA viral, el cual puede co-la cubierta del HIV. Las primeras dos individuos infectados. Este resultadopiarse a DNA e intregrarse a los cro-fases de prueba clnica de una nuevaprodujo gran pesimismo en muchos in-mosomas celulares. Aun si pudiera al-vacuna estn diseadas para determi-vestigadores respecto de que la vacu-terarse el material gentico del virus nar si la vacuna es segura y capaz de na fuera eficaz para prevenir la infec- 23. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular23cin por HIV en la poblacin general.dmicas en la regin del mundo dn-dez, incluso mientras se est propagan-Adems, era realmente difcil conse- de se efectuarn las pruebas.do dentro de un individuo infectado.guir voluntarios para el estudio. NoMientras tanto, los inconvenientesComo resultado, un individuo infecta-slo a un nmero significativo de vo-que acompaan a la primera gene- do porta mltiples variantes del virus,luntarios se les administrara vacunaracin de vacunas HIV, adems de lacada una con diferentes propiedades.placebo, y los que recibieran la verda-creencia general de que la biologa de Estas diferencias se amplan cuando sedera vacuna en adelante tendran que la enfermedad es demasiado complejaexamina la estructura del virus en losser positivos al HIV, debido a que lapara desmantelarla mediante una sim- diferentes miembros de una poblacinprueba para determinar el estado HIV ple vacuna, llevaron a muchos investi- (fig. PH 1-1). Puesto que una vacunadepende de la presencia de anticuer- gadores del SIDA a reconsiderar la po- eficaz contra una cepa de virus puedepos para los cuales se dise la vacu- sibilidad de desarrollar una vacunaser totalmente intil contra otra cepa,na. Para empeorar las cosas, hubo in-basada en virus vivo atenuado. Comoel problema de desarrollar una cepa deformes de que al menos 10 individuos se hizo notar antes, una de las ventajas virus para elaborar una vacuna eficazque haban participado en las primeros de emplear virus atenuado es estimu- contra todos es muy complicado.estudios diseados para determinar lalar ambas vas del sistema inmunol-Otra forma alternativa para la pre-seguridad y potencia inmunolgicas degico: la humoral y la mediada por c-vencin y tratamiento del SIDA se ana-la vacuna se haban infectado con el vi- lulas incrementando, por lo tanto, sulizar en La perspectiva humana del ca-rus. Estas noticias confirmaron la ideaprobable eficacia. Aunque esta vacunaptulo 11.cada vez ms extendida de que la vacu- presenta una posibilidad finita de in-na no era lo suficientemente eficaz para ducir cncer o de causar SIDA, ese ries-justificar un estudio en gran escala engo est bastante bien equilibrado enEstados Unidos. Por ltimo, se observ una poblacin con probabilidad ele-que normalmente un individuo infec-vada de contraer la enfermedad. En latado produce anticuerpos contra lasactualidad, varias compaas de bio-protenas de la cubierta viral despus tecnologa estn trabajando sobre va-de unos cuantos meses de la infeccin, cunas elaboradas con virus atenuadospero al parecer tienen poco valor para que muestran eficacia para prevenir laalterar el curso de la enfermedad. enfermedad en animales de laborato-En junio de 1994, luego de consi-rio. Otro mtodo para inducir inmuni- derar todos estos factores en conjunto, dad es introducir el gen de la protenalos National Institutes of Health toma-de la cubierta del HIV en el DNA deron la decisin de no seguir adelanteotro virus, por ejemplo el virus de lacon las pruebas en gran escala paravacuna, y emplear el virus vivo asprobar la eficacia de vacunas basadasmanipulado como agente inmunizan-en gp!20 en Estados Unidos. Poco des-te. Por ejemplo, el virus de la vacunapus de esta decisin, la Organizacin manipulado causara una infeccin Mundial de la Salud (OMS) decidi leve y estimulara al cuerpo a producirproseguir las pruebas en una regin delanticuerpos y clulas inmunes contra mundo donde el riesgo de contraer la protena HIV generada durante laSIDA es muy alto. Se estim que para infeccin con el virus de la vacuna. el ao 2000 unos 40 millones de perso- Los investigadores del SIDA seFIX174 20manera alguna de modificar la conclusin original. En 1985 seVirus del sarcoma de Rous150demostr que la protena prin es codificada por un gen situa-Poliornavirus240do dentro de los propios cromosomas de la clula.6 El gen seVirus de la leucemia de Friend 500expresa en el tejido cerebral normal y codifica una protena de254 aminocidos designada PrPc (por protena prin celular),Virus de la leucemia murina 1400cuya funcin an se desconoce. Una forma modificada de la Viroide de los tubrculos fusiformes de la patata 5000protena (designada PrP^, por protena prin scrapie) se en-Agente del "scrapie" (encefalitis espongiforme)42000cuentra en el cerebro de animales con "scrapie". A diferencia* Dj? es la dosis de radiacin que permite una supervivencia de 37de la PrPc normal, la versin modificada de la protena sepor ciento.acumula dentro de las clulas nerviosas formando agregadosReimpreso, con permiso, segn S.B. Prusiner, Science 26:140,1982.que aparentemente matan a la clulas. La PrP^ no slo provo-Copyright 1982 American Association for the Advancement of Science. 26. 26 CAPITULO! Introduccin a estudio de la biologa celular 182 FIGURA VE 1-1. Esta figura muestra la fotografa de un gel en elcual e! DNA del gen PrP de algunas personas diferentes se trat conuna enzima (llamada BsmAl), que desdobla el DNA en cualquierpunto donde encuentra una secuencia particular de nucletidos. Lue-go de incubar el DNA con la enzima, el gel es sometido a electrofo-resis, que separa todos los segmentos presentes en la mezcla de reac-.cin. Las marcas en la parte de arriba indican los individuos de loscuales se obtuvo el DNA y los nmeros a la derecha indican la lon-gitud de los fragmentos de DNA (expresada en pares de bases) visi-bles dentro del gel. {El DNA se hace visible incubando el gel conun DNA unido a un colorante fluorescente.) La va indicada por Cmuestra el DNA de un individuo saludable, las siguientes tres vas(marcadas KO-S, KO-B y JU) muestran el DNA de pacientes con ECJmiembros de familias en las cuales la enfermedad es comn. Las dosltimas vas muestran el DNA de dos pacientes con casos espordicosde ECJ, o sea, casos donde no hay muestras de la enfermedad en otrosmiembros de la familia. Cuando el DNA del gen PrP de cada uno delos pacientes con ECJ se trata con la enzima, se observa que la mitaddel DNA es resistente a la enzima. Esta resistencia est indicada porla presencia de fragmentos de DNA ms largos, 803 pares de bases.Por lo contrario, todo el DNA PrP de la persona saludable es desdo-blado por la enzima segn se manifiesta por la ausencia de los 803fragmentos de pares de bases. En lugar de eso, este segmento de DNAse fragmenta en dos pedazos, uno de 621 pares de bases y el otro de182 pares de bases de longitud. La mitad del PrP DNA (que representaun alelo) de los pacientes con ECJ no es fragmentada por la enzimadebido a que su secuencia de nucletidos cambi por una mutacin.El alelo mutado ya no contiene la secuencia que la enzima reconocecomo un sitio potencial de fragmentacin. Todos estos pacientes conECJ tienen la misma mutacin: un cambio del nucletido G a nu-cletido A en el codn 200 que provoca un cambio de glutamina aUsina en la protena codificada. ste cambio en la secuencia de ami-FIGURA VE 1-2. a) Aspecto microscpico de la porcin talmicanocidos causa la enfermedad. (Cortesa de Lev Goldfarb.)del cerebro de un ratn afectado de encefalitis espongiforme como resultado de la inoculacin previa con prionss de "scrapie". El tejido cerebral muestra degeneracin espongiforme, b) Aspecto de una por- cin correspondiente del cerebro de un ratn manipulado gen- ticamente que carece del gen PrP normal. Igual que el ratn en a, este ratn tambin fue inyectado con priones de "scrapie" 20 semanas antes, pero debido a que carece de) gen PrP y por lo tanto no tiene capacidad para producir la protena PrP, no es susceptible al agente infeccioso y su tejido cerebral aparece normal. (Cortesa de Adriano Aguzzi y C. Weissmann.) 27. CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celular 27animal debe ser capaz de producir la protena PrP en sus protena normalmente existe en la forma PrPc. Sin embargo,propios genes; no es suficiente que se introduzca en su cuerpo en el ser humano o los animales que desarrollan enfermeda-la protena anormal. Estos datos apoyan la hiptesis de que la des prin se favorece la formacin de la estructura PrP50 y seprotena PrP es indispensable para la propagacin del prinacumula la protena anormal. En el caso de enfermedades in-durante la infeccin. Como se hizo notar antes, tambin se han fecciosas por prin, como el kuru o el scrapie, Prusiner sugiereefectuado estudios empleando ratones transgnicos; o sea, ra-que la duplicacin se inicia cuando una versin scrapie de latones sometidos a ingeniera gentica para que sean portado- protena PrP se une a la protena PrP normal (o una versin nores de genes extraos entre sus cromosomas. Cuando se trans- desplegada de la protena), que transforma la protena normalfiere a los ratones un gen PrP humano mutado, los animales en la forma modificada.13 Por lo tanto, si una molcula PrP^ setransgnicos desarrollan el mismo tipo de enfermedad cere- une a una PrPc, este hecho generara dos molculas PrP50 quebral neuropatolgica como la observada en el hombre.10 Estepodran entonces enlazarse a dos molculas ms de PrPc pro-experimento demuestra que la presencia de un solo genduciendo cuatro molculas PrP50, y as sucesivamente.mutado, que codifica una sola protena anormal, es suficiente Aunque las enfermedades prin son muy raras, otros tras-para causar todos los sntomas que acompaan a la devasta- tornos degenerativos nerviosos, como las enfermedades dedora enfermedad neurolgica. Alzheimer y de Parkinson, son muy comunes. Se espera que el estudio de las enfermedades prin ser til para entender la base de padecimientos humanos ms comunes.PREGUNTAS SIN RESPUESTATodava est sujeta a controversia la idea de que un agenteBIBLIOGRAFAformado por una sola protena puede provocar una enferme-1. Farquhar, J. y Gajdusek, D.C. 1981. Kuru. Raven Press.dad infecciosa. Algunos bilogos opinan que la protena prin2. Hadlow, W.J. 1959. Scrapie and kuru. Lancet 2:289-290.se acompaa de pequeos fragmentos de un cido nucleico 3. Gajdusek, D.C. y cois. 1966. Experimental transmission of a kurutodava por descubrirse; otros piensan que la protena prin like syndrome to chimpanzees. Naiure 209:794-796.hace que el individuo sea susceptible a la infeccin por un 4. Gibbs, C.J. Jr. y cois. 1968. Creutzfeld-Jakob disease (spongiformsegundo agente, por ejemplo, un virus que realmente causa la encephalopathy): Transmission to the chimpanzee. Science 161:enfermedad. El desarrollo de la enfermedad en los ratones388-389.transgnicos por un gen mutante que codifica la protena prin5. Prusiner, S.B. 1982. Novel proteinaceous infectious particles causees un argumento para que la protena sea la nica causa, peroscrapie. Science 216:136-144.este dato reforzara mucho la hiptesis si se pudiera demostrar 6. Oesch, B. y cois. 1985. A cellular gene encodes scrapie PrP 27-39que los extractos de cerebro de ratones transgnicos puedenprotein. Cell 40:735-746.7. Goldfarb, L.G. 1990. Identical mutations in unrelated patientstransmitir la enfermedad a ratones normales no transgnicos. with Creutzfeldt-Jakob disease. Lancet 336:174-175.En la actualidad, los intentos para transmitir la enfermedad de 8. Beler, H. y cois. 1992. Normal development and behaviour ofesta manera slo han tenido xito limitado y el asunto todava mice lacking the neuronal cell-surface PrP protein. Nature 336:permanece confuso.11 577-582. Otro tema que permanece sin respuesta es el mecanismo9. Beler, H. y cois. 1993. Mice devoid of PrP are resistant to scrapie.mediante el cual el agente infeccioso incrementa su nmero Cell 73:1339-1347 (updated in Cell 77:967-968.)(duplicacin) dentro de un individuo infectado, como clara-10. Hsiao, K.K. y cois. 1990. Spdntaneous neurodegeneration inmente ocurre, En general, slo se atribuye duplicacin a los transgenic mice with mutant prin protein of Gerstmann-Straus-cidos nucleicos. Cmo es posible que una protena produzca sler syndrome. Science 250:1587-1590.ms de s misma? Esta pregunta sin respuesta todava es uno11. Hsiao, K.K. y cois. 1994. Serial transmission in rodents of neu- rodegeneration from transgenic mice expressing mutant prinde los principales "puntos dbiles" en el concepto ntegro de protein. Proc. Nati. Acad. Sci. U.S.A. 91:9126-9130.los priones como agentes infecciosos. Prusiner y sus colegas 12. Pan, K.M. y cois. 1993. Conversin of alpha-helices into beta-han reunido pruebas que sugieren que las dos versiones de la sheets features in the formation of the scrapie prin proteins. Proc.protena PrP, PrPc y PrP*, difieren en su estructura tridimen- Nati. Acad. Sci. U.S.A. 90:10962-10966.sional (conformacin). En otras palabras, la misma protena pue- 13. Cohn, F.E. y cois. 1994. Stmctural clues to prin replication.de existir en dos formas diferentes.12 Segn esta hiptesis, laScience 264:530-531.SINOPSISLa teora celular tiene tres dogmas. 1) Todos los organismos altamente organizada y es predecibte. La informacin parase componen de una o ms clulas; 2) la clula es la unidad de construir una clula est codificada en sus genes. Las clulasorganizacin bsica de la vida, y 3) todas las clulas se origi- se reproducen por divisin celular; el suministro de energanan de clulas previas (p. 2). para sus actividades proviene de la energa qumica; ejecutan reacciones qumicas controladas por enzimas; participan enLas caractersticas de la vida, segn se manifiestan en lasun gran nmero de actividades mecnicas; responden a est-clulas, se pueden describir mediante un conjunto de pro-mulos, y son capaces de un notable nivel de autorregulacinpiedades. Las clulas son muy complejas, su estructura est 28. 28 CAPITULO 1 Introduccin al estudio de la biologa celularLas clulas pueden ser procariotas o eucariotas. Las clulas gitud, en tanto que las clulas eucariotas en condiciones tpi-procariotas slo se encuentran entre las bacterias, en tanto que cas son de 10 a 30um. Las clulas son de tamao microscpicotodos los otros tipos de organismos, protistas, hongos, plantaspor algunas razones: su ncleo posee un nmero limitado dey animales, estn compuestos de clulas eucariotas. Las clulascopias de cada gen, la superficie (que sirve como rea de inter-procariotas y las eucariotas comparten muchas caractersticascambio entre la clula) se convierte en un factor limitante acomunes, incluyendo una membrana celular similar, un siste-medida que la clula aumenta de tamao y la distancia entre lama comn para almacenar y utilizar informacin gentica ysuperficie de la clula y su interior tambin sera demasiadovas metablicas similares. Las clulas procariotas son el tipogrande para que la clula satisfaga sus necesidades mediantems simple, carecen de organelos membranosos complejos simple difusin :p. 15 >.(p. ej., retculo endoplsmico, complejo de Golgi, mitocondrasy cloroplastos), cromosomas y estructuras citoesquelticas ca- Los virus son patgenos no celulares que slo pueden repro-ractersticas de las clulas eucariotas. Los dos tipos de clulasducirse cuando estn presentes dentro de una clula viva.tambin se pueden distinguir por sus mecanismos de divisinFuera de la clula, el virus existe como un paquete de macro-celular, sus estructuras locomotoras y el tipo de pared celularmolculas, o virin. Los viriones presentan gran variedad deque producen {en caso de que hubiera alguna pared celular) formas y tamaos, pero todos ellos constan de cido nucleico (p. 7). viral encerrado en una cubierta que contiene protenas virales. Las infecciones virales pueden producir: 1) destruccin de laLos organismos eucariotes multicelulares se componen declula husped con produccin acompaante de cepas virales,clulas especializadas en diferentes actividades. Las clulaso 2) integracin del cido nucleico viral al DNA de la cluladel moho del fango son un sistema til para estudiar la dife-husped que con frecuencia altera las actividades de dicharenciacin celular debido a que su etapa multicelular consta declula. Los virus no son una forma primitiva de vida, sino msslo dos tipos bsicos de clulas: las que producen el tallo del bien han evolucionado secundariamente a partir de fragmen-cuerpo frutal y las que producen las esporas. Por lo contrario,tos de cromosomas celulares (p- la mayor parte de las plantas y animales constan de docenasde diferentes tipos de clulas, cada una de las cuales tiene suLos viroides y priones son patgenos que se cree contienenpropia estructura y funcin distinta slo RNA y protena, respectivamente. Los viroides causan cierto nmero de enfermedades en las plantas, en tanto que losCasi todas las clulas siempre son de tamao microscpico. priones producen enfermedades neurolgicas mortales en elLas clulas bacterianas tpicamente son de uno a 5//m de lon-ser humano y otros mamferos i,< ! . 21).PREGUNTAS DE REPASO1. Cules son las propiedades fundamentales que compar-7. Qu propiedades distinguen a un virus de una bacteria? ten todas las clulas?