Una visin de la clula

TI-a clula es la unidad bsica en biologa. Cada organismoo bien es una nica clula o est formado por clulas. Porlo tanto, nicamente podremos apreciar las capacidades ylas limitaciones de los organismos vivos, tanto animalescomo vegetales o microorganismos, si comprendemos laestructura y la funcin de las clulas.

Estamos en medio de una revolucin de la biologa queha trado consigo tremendos avances en el entendimiento decmo estn construidas las clulas y de cmo realizan lascomplicadas funciones necesarias para la vida. Lanattralezadinmica de la clula es particularmente significativa, comose pone de manifiesto por su capacidad de crecer, reprodu-cirse y especializarse, y por su habilidad para responder aestmulos y adaptarse a cambios en el medio ambiente.

La propia biologa celular est cambiando al tiempoque cientficos de diversas disciplinas relacionadas dirigensus esfuerzos hacia el objetivo comn de la adecuada com-presin de cmo funcionan las clulas. La convergencia dela citologla, la gentica y la bioqumica ha hecho de la bio-loga celular moderna una de las disciplinas ms excitantesy dinmicas de la biologa contempornea.

En este captulo trataremos brevemente los principios dela biologa celular como disciplina. Luego consideraremos lastres corrientes principales que han dado lugar a la compren-sin actual de lo que son las clulas y de cmo funcionan.

La teora celular: una historia breveLa historia de la biologa celular comenz hace ms de 300aos cuando algunos cientficos europeos comenzaron aenfocar sus microscopios a diversos materiales biolgicos,

desde la corteza de los rboles hasta el esperma humano.Uno de esos cientficos fue Robert Hooke, conservadorde instrumentos de la Royal Society de Londres. En 1965,Hooke emple un microscopio construido por l mismopara examinar secciones finas de corcho cortadas con uncortaplumas. Observ una red de pequeos compartimen-tos en forma de caja que le recordaron a un panal. Hookedenomin a esos pequeos compartimentos cellulae untrmino del latn que significa . Eltrmino actual de clula procede de esta palabra.

En realidad, lo que Hooke observ no eran clulas sinoIas paredes celulares vacas de un tejido vegetal muerto,que es lo que realmente es la corteza de los rboles. Sin em-bargo, Hooke no pens en sus cellulae como estructurasmuertas ya que l no entenda que pudiesen estar vivas.Aunque se dio cuenta de que las clulas en otros tejidos ve-getales estaban llenas de lo que el llam , prefiriconcentrarse en las prominentes paredes celulares que ha-ba encontrado inicialmente.

Una de las limitaciones inherentes a las observacionesde Hooke consiste en que su microscopio aumentaba ni-camente 30 veces los objetos, lo cual dificulta el aprendizajedela organizacin interna de las clulas. Este obstculo fuesuperado unos aos ms tarde por Antonie van Leeuwen-hoek, un comerciante holands que dedic gran parte desu tiempo libre a disear microscopios. Van Leeuwenhoekfabric lentes pulidas a mano que podan magnificar losobjetos casi 300 veces. Utilizando estas lentes ms potentes,fue el primero en observar clulas vivas, incluyendo clulassanguneas, espermatozoides y organismos unicelularespresentes en el agua de las charcas. Comunic sus observa-ciones ala Royal Society enuna serie de artculos durante elultimo cuarto del siglo xvn. Sus descripciones detalladas

La teora celular: una historia breve

An exo

'10 rm

Ncleos

Mitocondria

CloroplastoClula vegetal(20 x 30 rm)

Figura 1A.1 El mundo del miclmetlo. Casi todas las clulas y algunos de sus orgnulos msgrandes, como el ncleo, mitocondrias y cloroplastos son estructuras con dimensiones quepueden medirse convenientemente en micrmetros.

lJNronnES DE MEDTDA EN BIoLocAEl desafo de la comprensin de la estructura y organizacincelular se complica por el problema del tamao. La mayora delas clulas y sus orgnulos son tan pequeos que no pueden serobservados directamente por el ojo humano. Adems, lasunidades empleadas para medirlos son poco familiares paramuchos estudiantes por lo tanto, a menudo son difciles deapreciar. El problema puede abordarse de dos maneras:

dan testimonio de la calidad de sus lentes y de su profundacapacidad de observacin.

Dos factores restringieron la comprensin de la natura-leza de las clulas. Uno fue la resolucin de los microsco-pios de la poca, que era limitada incluso en los mejoresinstrumentos de van Leeuwenhoek. El segundo factor, pro-bablemente ms fundamental, fue la naturaleza esencial-mente descriptiva de la biologa del siglo xvr. sta fue b-sicamente una poca de observacin en la que se dedicpoco esfuerzo a pensar en explicar los intrigantes detallesestructurales de los materiales biolgicos, que estabanempezando a residir en la capacidad de las lentes del mi-croscopio.

Pas ms de un siglo antes de que la combinacin demicroscopistas con mentes ms experimentales, junto conlas mejoras de los microscopios, dieran lugar a una serie deavances que culminaron en el entendimiento de la impor-tancia de las clulas en la organizacin biolgica. En Ia d-cada de 1930, las mejoras en las lentes condujeron a una

CELULARConociendo que realmente slo hay dos unidades tiles paraexpresar la dimensin de la mayora de estructuras que nosinteresan y mediante la ilustracin de diversas estructuras quepueden ser medidas apropiadamente con cada una de esasunidades. El micrmetro (m) es la unidad ms til paraexpresar el tamao de las clulas y de los orgnulos msgrandes. 1 rm (algunas veces tambin llamado miua)

Clula animal(20 p,m)

@

Bacteria(1 x 2 p.m)

mayor capacidad de aumento y a una mejor resolucin, deforma que se pudieron distinguir estructuras separadasnicamente por 1 micrometro (-rm). (Un micrmetro esigual a 10-6 m, o a la millonsima parte de un metro; va-se Anexo 1A para una discusin de las unidades de medidaapropiadas en biologa celular.)

El botnico irigls Robert Brown, ardado por la mejo-ra de las lentes, descubri que cada planta que observabacontena una estructura redondeada a la que lllam nu-cleus, un trmino latino derivado del germnico

corresponde a la millonsima parte de I m. En general lasclulas bacterianas tienen un dimetro de pocos micrmetros, ylas clulas animales y vegetales son de 10 a 20 veces ms grandesen cualquiera de sus dimensiones. Los orgnulos comomitocondrias y cloroplastos tienden a tener dimetros olongitudes de unos pocos micrmetros y son por lo tantocomparables en tamao a las clulas bacterianas completas. Losorgnulos ms pequeos estn habitualmente en el rango de0,2-l pm. Como regla general, si algo se puede ver con unmicroscopio ptico, sus dimensiones pueden expresarseprobablemente en micrmetros, ya que el llmite de resolucindel microscopio ptico es alrededor de 0,2-0,35 lm. La Figura1A.l ilustra diversas estructuras que usualmente se miden enmicrmetros.

El nanmetro (nm), por otro lado es la unidad que se empleapara molculas y estructuras subcelulares que son demasiadopequeas o demasiado delgadas para ser observadas con unmicroscopio ptico. I nanmetro es una billonsima parte de 1m (10-e). I micrmetro es igual a 1.000 nanmetros. (Untrmino alternativo a nanmetro es por lo tanto milimicra,mp).Como referencia en la escala de los nanmetros un ribosomatiene un dimetro de unos 25-30 nm. Otras estructuras quepueden ser medidas en nanmetros son los microtbulos,microfilamentos, membranas y molculas de DNA' En Ia Figura1A.2 se indican las dimerrsiones de estas estructuras.

Otra unidad usada frecuentemente en biologla celular es elngstrom (A) que corresponde a 0,1 nm. En particular, Iasdimensiones moleculares se expresan frecuentemente enngstrom. Sin embargo, debido a que el ngstrom se diferenciadel nanmetro solamente por un factor de 10, aade pocaflexibilidad para expresin de dimensiones a nivel celular y porlo tanto no ser empleado en este texto.

Despus de todo,las paredes de las clulas vegefales consti-tuyen barreras entre las clulas que son visibles incluso conun microscopio ordinario, mientras que las clulas anima-les, que carecen de pared celular, son mucho ms difcilesde distinguir en una muestra de tejido. IJnicarnente cuan-do Schwann examin clulas de cartlago se convenci delas similitudes fundamentales entre los tejidos animales yvegetales, ya que las clulas del cartlago, al contrario que lamayorla de las clulas animales, tienen llmites bien estable-cidos por depsitos gruesos de fibras de colgeno.Schwann reuni todas estas observaciones en una teorlaunificada de la organizacin celular, que se ha mantenidoante la prueba del tiempo y que contina siendo la base denuestro entendimiento de la importancia de las clulas yde la biologa celular.

La teoria celular tal y como fue originariamente postu-lada por Schwann tiene dos principios importantes:

1. Todos los organismos consisten en una o ms c-lulas.

rfrtrffifftrilffir.J^_sugggM 1Membrana tpica

25 nm --lRibosoma bacteriano

2 n mHlice de DNA

Figura 1A.2 El mundo del nanmetlo' Los ribosomas, membranas,microtbulos, microfilamentos y la doble hlice de DNA sonestructuras con dimensiones que se pueden medirconvenientemente en nanmetros.

2. La clula es la unidad bsica de la estructura de to-dos los organismos.

Menos de 20 aos despus se aadi un tercer princi-pio. ste se gener a partir de la descripcin original deBrown de los ncleos, suplementada por Kart Ngeli paraincluir sus observaciones sobre lanaturaleza de la divisincelular. Hacia 1855, el fisilogo alemn Rudolf Virchowconcluy que las clulas se generan nicamente mediantela divisin de otras clulas preexistentes. Virchow describiesta conclusin en la ahora famosa frase del latn omnis ce-llula e cellula, cuya traduccin se convierte en el tercerprincipio de la teorla celular moderna:

3. Todas las clglas se originan nicamente a partir declulas preexistentes.

Asl, la clula no es slo la unidad bsica de la estructu-ra de todos los organismos sino tambin la unidad bsicade reproduccin. En otras palabras, todas las formas devida tienen una base celular. Entonces, no resulta sorpren-

25 nm -----JMicrotbulo

tIT

TT7 n m

Microfilamento

La teora celulan una historia breve

dente que el entendimiento de las clulas y de sus propie-dades sea tan fundamental para la apreciacin correcta deotros aspectos de la biologa.

La emergencia de la teora celularmoderna

La teora celular moderna implica el entretejido de tres he-bras o ramas diferentes en una nica cuerda. Como ilustrala Figura l.l, cada una de estas ramas tiene orgenes hist-ricos diferentes, y la mayor parte de su entrelazamiento seha producido riicamente en los ltimos 75 aos. Cadarama debe ser apreciada independientemente de que cadauna aporta una contribucin independiente y significati-va. Los bilogos celulares contemporneos deben conoceradecuadamente cada una de las ramas, independiente-mente de sus intereses inmediatos.

La primera de esas ramas histricas es la citologa, queprincipalmente se preocupa de la estructura celular. (Elprefijo griego cyto-, al igual que el sufijo -cito significa c-lula). Como ya hemos visto, la citologa tiene sus orlgeneshace ms de 300 aos y su desarrollo inicial dependi engran medida de la microscopa ptica. La incorporacin dela microscopa electrnica y de diversas tcnicas pticas re-lacionadas con sta ha conducido a un considerable incre-mento de la actividad y el entendimiento de la citolologa.

Las contribuciones de la bioqumica a nuestro entendi-miento de la funcin celular representa la segunda rama. Lamayor parte de los avances en este campo se han producidoen los riltimos 75 aos, aunque de nuevo, sus orlgenes re-troceden mucho ms en el tiempo. El desarrollo de tcnicascomo la ultracentrifugacin, la cromatografia y Ia electrofo-resis, ha sido especialmente importante para la separacinde los componentes celulares y moleculares. La utilizacinde compuestos marcados radioactivamente en el estudio dereacciones catalizadas enzimticamente y de rutas metab-licas ha supuesto otra contribucin muy significativa de'labioqulmica a nuestro entendimiento de cmo funcionanlas clulas. En captulos sucesivos detallaremos stas y otrastcnicas relevantes cuando su entendimiento sea necesariopara explorar diversos aspectos de la estructura y funcincelular. Vase la Gua de Tcnicas y Mtodos adjunta paraTocalizar discusiones sobre tcnicas especficas.

La tercera rama es la gentica. Su recorrido histricoretrocede ms de 150 aos hasta Gregor Mendel. Sin em-bargo, de nuevo gran parte de nuestro entendimiento ac-tual de la gentica ha surgido durante los ltimos 75 aos.La demostracin de que el DNA (cido desoxiribonuclei-co) es el portador de la informacin gentica en la mayorparte de las formas de vida, y especifica el orden de subu-nidades, y de ah las propiedades de las protenas responsa-bles de la mayora de las caractersticas funcionales y es-tructurales de las clulas, constituy un hito especialmenteimportante en'la rama de la gentica.

Los logros recientes en la rama de la gentica incluyenla secuenciacin de los genomasintegros (todo el DNA) delhombre y de otras especies y el clonaje (produccin de or-ganismos idnticos genticamente) de mamferos inclui-dos ovejas y gatos.

El entendimiento de la biologa celular actual supone,por lo tanto, la apreciacin de sus diversas races y de la im-portancia de las contribuciones que cada una de las co-rrientes que la componen han realizado para nuestro en-tendimiento de lo que una clula es y de lo que puedehacer. A continuacin se discute de manera breve cada unade las corrientes histricas de la biologa celular si bien ob-tendremos una apreciacin ms completa cuando explore-mos diversos aspectos de la estructura, la funcin y Ia ge-ntica celular en otros captulos.

La rama de la citologfa estuda la estructura celularHablando estrictamente, la citologa es el estudio de lasclulas (de hecho, el significado literal de la palabra grie-ga cytos , encaja bien con la impresininicial de Hooke de las clulas). Sin embargo, histri-camente la citologa se ha ocupado principalmente deestructura celular, fundamentalmente a travs del uso detcnicas pticas. Aqu se describen brevemente algunosaspectos de la microscopa que han sido importantes enbiologa celular. Vase el apndice para una discusin msdetallada.

El microscopio ptico. El microscopio ptico fue la prime-ra herramienta de los citlogos y contina teniendo un pa-pel fundamental en nuestra elucidacin de la estructuracelular. La microscopa ptica posibilit a los citlogos laidentificacin de estructuras rodeadas por membranascomo ncleos, mitocondriasy cloroplasfos en diversos de ti-pos celulares. Estas estructuras se denominan orgnulos() y su presencia es una caractersticaprominente de la mayor parte de clulas animales y vegeta-les (pero no de bacterias).

Otros avances significativos incluyen la invencin delmicrtomo en 1870 y la disponibilidad, ms o menos almismo tiempo, de diversos tintes y colorantes. Un micrto-mo es un instrumento que permite obtener secciones finasa partir de muestras biolgicas, normalmente despus deque stas han sido deshidratadas e incluidas en parafina oplstico. La tcnica posibilita la preparacin rpida y efi-ciente de secciones finas de tejido de un grosor uniforme.Los colorantes, que han desempeado un papel tan impor-tante en la tincin y la identificacin de estructuras subce-lulares, fueron desarrollados principalmente en la segundamitad del siglo xx por qumicos industriales alemanes tra-bajando con derivados del alquitrn.

stos y otros avances relacionados, junto con la mejorade la ptica y la generacin de lentes ms sofisticadas, con-dujeron a la microscopa ptica tan lejos como poda ir,

Capitulo 1 Una visin de la clula

2000

1 975

1 950

1925

1 900

1875

1 850

1825

1 800

1 700

1 600

cLULA BIoLGCA

Espectroscopia de masas empleadaoara estudiar oroteomas

Secuenciacin del genoma humano -Utilizacin de la protena fluorescente verde

oara detectar orotenas funcionales en clulas vivasAIlen y Inou perfeccionaron

la vdeo-microscopa de contrasteSe desarrollaron los mtodos

de secuenciacin del DNABerg, Boyer y Cohen desarrol lan

las tcnicas de clonacin del DNAPalade, Sjostrand y Porter desarrollan

tcnicas de microscopa electrnica

Avery, Macleod y McCarty muestran que elDNA es el agente de transformacin gentica

Krebs descubre el ciclo de los TCASvedberg desarrolla la ultracentrfuga

Embden y Meyerhof describenla va de la glucol isis

Se desarrol la la bioinformticaDara analizar los datos de secuenciacinSe emplea la estereo-microscopa electrnicapara generar imgenes tr idlmensionalesSe clona la oveja DollyProduccin de los primeros animales transgnicos

Heuser, Reese y colaboradores desarrollanlas tcnicas del grabado por congelacin

Se elucida el cdigo genticoKornberg descubre la DNA pol lmerasaWatson y Crick proponen la doble hl ice para el DNAHershey y Chase establecen que el DNA es el material genticoClaude asla las primeras fracciones mltocondriales

lnvencin del microscopio electrnico

Levene oostula oue el DNA t ieneuna estructura repetida de tetranucletldos

Morgan y colaboradores desarrol lanla gentica de Drosophila

Correns, von Tschermak y de Vriesredescubren las leyes de MendelBuchner y Buchner demuestran la

fermentacin con extractos celulares

Pasteur une organismosvivos a procesos especficos

Se describeel complejo

la l }n ln iv v v v ' v '

lnvencindel micrtomo

Desarrol lo detintes y colorantes

Virchow: cadaclula procede

de otra clula

K l l i kerdescr ibe GENTICAlas mitocondriasen clulas musculares

Flemmlng identi f icalos cromosomas

Miescher descubre el DN.Mendel formula sus leyesfundamentales de la gentica

Scheleideny Schwann formulan

la teora celularBrown describe

los ncleosBIOQUIMICA

Van Leeuwenhoek mejora las lentesHooke describe las .clulas"

CITOLOGiA

Figura 1.1 La lnea del tiempo en biolo$a celular. Aunque la citologa, la bioqumica y la gentica comenzaron como disciplinas separadas,se han ido uniendo progresivamente desde el segundo cuarto del siglo rr.

Sutton formula lateora cromosmca! ^ t ^ h ^ . ^ ^ ^ i ^u c t d I t g t g t t u t a

Roux y Weissman:los cromosomas sonportadores de lainformacin gentica

La emergencia de la teora celular moderna

hasta los lmites de la resolucin determinados por la lon- i0 mgitud de onda de la luz visible. T1y como se emplea en mi-croscopa, el lmite de resolucin hace referencia a cmode separados tienen que estar los objetos adyacentes para r '.ser distinguidos como entidades separadas. Por ejemplo, ' "'afirmar que el lmite de resolucin de un microscopio es de400 nanmetros (nm) significa que los objetos necesitanestar separados al menos 400 nm para ser reconocidos 0,1 mcomo entidades separadas, mientras que una resolucin de200 nm significa que se pueden distinguir objetos separa-dos tan slo por 200 nm (un nanmefro es 10 e metros;1 nm : 0,001 rm). Cuanto ms pequeo es el lmite de re- 1 cmsolucin de un microscopio, mayor es su poder de resolu-cin. Expresado en trminos de ,1, la longitud de onda de laluz usada para iluminar la muestra, el lmite de resolucinterico para el microscopio ptico es d,e Al2. EI lmite de 1 mm

resolucin parala luz visible, en un rango de longitudes deonda de 400-700 nm, es de alrededor de 200-300 nm. LaFigura 1.2 ilustra el rango til del microscopio ptico I roopmcompara su poder de resolucin con el del ojo humano y eldel microscopio electrnico.

Visualizacin de clulas vivas, El tipo de microscopa des-crito hasta ahora se denomina microscopa de campo claro,porque la luz blanca pasa directamente a travs de Ia mues-tra, Ia cual puede estar teida o no, dependiendo de las ca-ractersticas estructurales que vayamos a examinar. Una li-mitacin significativa de esta aproximacin es que lasmuestras deben estar fijadas (preservadas), deshidratadas,e incluidas en parafina o en plstico. La muestra por lo tan-to no estar viva, lo que conlleva la posibilidad de que al-gunas de las caractersticas observadas con este mtodo,puedan ser artefactos o distorsiones debidas al proceso defijacin, deshidratacin o de inclusin. Para solventar estadesventaja, se han desarrollado diversas tcnicas pticasespeciales que hacen posible observar directamente clulasvivas. Entre stas, se incluyen la microscopa de contrastede fase, la microscopa de contraste de interferencia dife-rencial la microscopa de fluorescencia, la microscopa con-focal y Ia videomicroscopa digital. La Tabla 1.1 muestraimgenes observadas con cada una de esas tcnicas y lascompara con imgenes observables con microscopa decampo claro para muestras teidas y sin teir. Cada unade estas tcnicas se discutir en el apndice; en este mo-mento nos conformaremos con una breve descripcin decada una de ellas.

La microscopa de contraste de fase y de contraste de in-terferencia diferencial hacen posible observar claramenteclulas vivas (vaseTabla 1 . 1 ). Estas dos tcnicas incremen-tan y amplifican los pequeos cambios de fase de la luztrasmitida, cuando sta atraviesa una estructura que tienedistinto ndice de refraccin que el medio que la rodea. Lamayoria de los microscopios pticos actuales, adems de lasimple transmisin deluz, estn equipados con contrastede fase y contraste de interferencia diferencial, de forma

10 rm

0 , 1 n m

Flgura 1"2 Microscopa electrnica de banido. Se utiliz unmicroscopio electrnico de barrido para visualizar clulas deneuroblastoma humano (a) y un grano de polen (b).

que se puede cambiar de un modo de uso a otro intercam-biando componentes pticos.

La microscopa de fluorescenciaposlbilita a los investiga-dores detectar protenas especficas u otras molculas alhacerlas fluorescentes mediante el acoplamiento de un co-Iorante fluorescente. Se puede estudiar la distribucin dediferentes tipos de molculas en Ia misma clula medianteel uso simultneo de dos o ms de estos colorantes, cadauno acoplado a un tipo de molcula.

Longitud de algunasclulas nerviosas, , * . , ^ ^ . , t ^ - ^ ^y I t u D u u r d t v J

=

E.FLIJJLIJ

o-U)c

=

Clu laseucarit icas

NcleoMayorade bacteriasMitocondria

Hequenas .41v

motecutas

Captulo 1 Una visin de la clula

Tabla 1.1 Comparacin entre distintos tipos de mictoscopia ptica

Campo claro (muestra sin teir):la luz pasa directamente a travs dela muestra; la imagen tiene pococontraste a no ser que sea una ciulapigmentada o que se tiaartificialmente.

Campo claro (muestra teida):la tincin con diversos coiorantesincrementa el contraste pero losprotocolos de tincin requieren quelas clulas estn fijadas(preservadas).

Fluorescencia: muestra Ialocalizacin de molculas especficasen la clula. Las sustanciasfluorescentes absorben radiacinultravioleta y emiten luz visible. Lasmolculas fluorescentes puedenestir de manera natural en lamuestra, pero a menudo se generanuniendo colorantes o anticuerPosfluorescentes a las molculas deinters.

l_ bU pm

Contraste de fase: incrementa elcontraste de las clulas sin teiramplificando 1as variaciones en elndice de refraccin dentro de lamuestra; es especialmente til paraexaminar clulas vivas sinpigmentacin.

Contraste de interferenciaferencial: emplea tambinmodificaciones pticas paraexagerar las diferencias de losndices de refraccin.

Confocal emplea luz lser y unsistema ptico especial parailuminar un nico plano dentro dela muestra. Se obtienen imgenesnicamente de las regionescontenidas en una profundidad defoco estrecha. Las regiones porencima y por debajo del plano devisin seleccionado aparecen ennegro y no desenfocadas.

Fuente:tomado de Campbell y Ree ce, Biologfa, sexta edicin (San Francisco: Benjamn Cummings' 2002)' p. I l0

Una limitacin inherente a la microscopa de fluores-cencia es que el observador nicamente Puede efocar unplano de la muestra en un momento determinado, aunquetodo el espesor de Ia muestra emita luz fluorescente. Comoconsecuencia, la imagen visible es borrosa por la luz emiti-da desde regiones de la muestra Por encima y por debajodel plano de foco,lo que histricamente limit esta tcnicaal estudio de clulas aplanadas con un espesor mnimo.Este problema se ha solucionado en gran medida median-tela microscopa confocal en la que se emplea un haz de luzlser para iluminar en un momento determinado un nicoplano de la muestra. Esta aproximacin confiere muchamejor resolucin que la microscopa de fluorescenciatra-dicional, cuando se emplea en muestras gruesas como c-lulas completas. Adems, el haz de luz lser se puede dirigirsecuencialmente a planos de foco sucesivos generando deesta forma series de imgenes que se pueden combinarpara obtener una imagen tridimensional de la clula.

Otro avance reciente en microscopia ptica esla video-microscopadigital, que emplea cmaras de vdeo y almace-namiento informtico,ypermite el procesamiento de im-genes digitalizadas para optimizar y analizat imgenes. Elacoplamiento de cmaras de vdeo de alta sensibilidad lu-mnica a los microscopios, hace posible la observacin de

clulas durante periodos prolongados de tiempo, usandoniveles muybajos de iluminacin. Esta intensificacin delaimagen es particularmente rltil para la visualizacin demolculas fluorescentes en clulas vivas con un microsco-pio de fluorescencia.

El micloscopio electlnico. A pesar de los avances en lastcnicas pticas y en el incremento en el contraste, Ia mi-croscopla ptica est limitada inevitablemente por el lmi-te de resolucin, determinado por la longitud de onda de laluz empleada para la visualizacin de la muestra. Incluso lautilizacin de radiacin ultravioleta, con longitudes deonda ms cortas, incrementan la resolucin nicamentepor un factor de uno o dos.

El desarrollo del microscopio electrnico, inventadoen Alemania en 1932 y ctrya utilizacin en estudios de bio-loga se extendi a principios de la dcada de los aos 50,trajo consigo un adelanto decisivo en el poder de resolu-cin. En lugar de luz visible y lentes pticas, el microscopioelectrnico emplea un haz de electrones que es desviado yenfocado por un campo electromagntico. Debido a que lalongitud de onda de los electrones es mucho ms corta quela de los fotones de la luz visible, el lmite de resolucin delmicroscopio electrnico es mucho meior que el del mi-

La emergencia de la teora celular moderna

croscopio ptico: alrededor de 0,1-0,2 nm para el micros-copio electrnico en comparacin con 200-350 nm para elmicroscopio ptico.

Pese a todo, el lmite de resolucin prctico para mues-tras biolgicas normalmente no es mejor de 2 nm, debidoa problemas de contraste y de preparacin de la muestra.Sin embargo, el microscopio electrnico tiene alrededor de100 veces ms poder de resolucin que el microscopio p-tico (vase Figura 1.2). Como resultado,la capacidad tilde aumentar es tambin mayor: hasta 100.000 veces para elmicroscopio electrnico, comparado con 1.000-1.500 ve-ces para el microscopio ptico.

Existen dos diseos bsicos de microscopio electrni-co: el microscopio electrnico de transmisin (TEM) y elmicroscopio electrnico de barrido (SEM). Los dos sedescriben detalladamente en el apndice. Los microscopioselectrnicos de transmisin y de barrido son similares, yaque ambos emplean un haz de electrones, pero usan meca-nismos diferentes para la formacin de la imagen. Comosu nombre implica, el TEM forma la imagen a partir deelectrones que se transmiten a travs de la muestra. Encambio, el SEM escanea la superficie de la muestra y formauna imagen por a partir de los electrones desviados de lasuperficie externa de la muestra. La microscopa electrni-ca de barrido es una tcnca especialmente espectacularpor la sensacin de profundidad que da a las muestras bio-lgicas (Figura 1.3). La mayor parte de las micrograflaselectrnicas de este libro han sido obtenidas mediante lautilizacin del TEM o el SEM y se identifican al final decada pie de figura mediante la abreviatura de tres letras.

Las muestras que se preparan para microscopa electr-nica deben ser extremadamente finas debido al bajo poderde penetracin de los electrones. El instrumento que seemplea para este fin se denomina ultramicrtomo. Estequipado con una cuchilla de diamante y puede cortar sec-ciones tan finas como 20 nm. Tambin se pueden estudiarmuestras sustancialmente ms gruesas mediante micros-copa electrnica pero entonces es necesario un mayor vol-taje para incrementar adecuadamente el poder de penetra-cin de los electrones. Estos microscopios electrnicos dealto voltajeusan voltajes de aceleracin de hasta varios mi-les de kilovoltios (kV), comparados con el rango de 50- 100kV comnmente empleado en la mayora de los instru-mentos convencionales. Con el instrumento de alto voltajese pueden estudiar secciones de hasta 1 prm de grosor y estonos permite examinar en mayor profundidad orgnulos yotras estructuras celulares.

Actualmente se emplean diversas tcnicas especializadasde microscopa electrnica de transmisin, para las cualesse preparan las muestras de forma alternativa. Entre ellas seincluyen la tincin negativa, el sombreado,la criofractura y elgrabado por congelacin,las cuales permiten la visualizacinde muestras en tres dimensiones. La tcnica denominada,estereo-microscopa electrnica es una tcnica adecuada paraeste propsito y en ella la muestra es fotografiada desde dosngulos ligeramente diferentes usando un soporte que pue-de ser inclinado con respecto al haz de electrones. Estastcnicas se describen en detalle en el apndice.

La microscopa electrnica ha revolucionado nuestroentendimiento de Ia arquitectura celular haciendo posible

(a) Clulas de neuroblastoma humanoFigura 1.3 Microscopa electrnica de banido,humano (a) y un grano de polen (b).

' Sopm (b) Grano de polen - 10lrm-"------t

Captulo 1 Una visin de la clula

Se utiliz un microscopio electrnico de barrido para visualizar clulas de neuroblastoma

investigaciones ultraestructurales detalladas. Algunos or-gnulos (como los ncleos o las mitocondrias) son sufi-cientemente grandes para ser observados con un micros-copio ptico pero pueden ser estudiados con mucho msdetalle con un microscopio electrnico' Adems, la mi-croscopa electrnica ha puesto de manifiesto la existenciade estructuras celulares que son demasiado pequeas paraser observadas a microsco pia ptica. Estas incluyen riboso -mas, membranas, microtbulos y microfilamentos (vaseFigura 1A.2 en pgina 3).

La bioqumica estuda la qumica de la estructutay la funcin biolgicaEn el momento en el que los citlogos estaban comenzan-do a explorar la estructura celular con sus microscopios,otros cientficos estaban haciendo observaciones que co-menzaron a explicar y a clarificar la funcin celular. Granparte de lo que ahora se denomina bioqumica procede deun descubrimiento descrito por el qumico alemn Frie-drich Whler en 1828. Whler fue contemporneo (ascomo compatriota) de Schleiden y Schwann. l revolucio-n nuestro pensamiento acerca de la biologa y la qumicamediante la demostracin de que la urea, un compuestoorgnico de origen biolgico, podra ser sintetizada en ellaboratorio partiendo de un material inorgnico como elcianato de amonio. Hasta entonces' se habla mantenidoque los organismos vivos constitulan un mundo aislado,no gobernado por las leyes de la qumica y de la flsica, querigen el mundo inerte. Mediante la demostracin de queun compuesto hecho por organismos vivos -- podra ser sintetizado en un laboratorio igual queotros compuestos qulmicos, Whler ayud a romper ladistincin conceptual entre los mundos vivo e inerte y a di-sipar la nocin de que los procesos bioqumicos estaban dealguna forma exentos de las leyes de la qumica y la fsica.

Otro gran avance vino 40 aos ms tarde, cuando LouisPasteur uni la actividad de los organismos vivos a Proce-sos especlficos, mostrando que para llevar a cabo la fer-mentacin del azlcar en alcohol eran necesarias levadurasvivas. Esta observacin fue seguida en 1897 por el descu-brimiento de Eduard y Hans Buchner de que la fermenta-cin poda tener lugar tambin a partir extractos de leva-duras, es decir, las clulas intactas no eran necesarias.Inicialmente, estos extractos se denominaron ,pero gradualmente se fue clarificando que los agentes acti-vos en los extractos eran catalizadores biolgicos especfi-cos que desde entonces se han denominado enzimas'

En las dcadas de 1920 y 1930 se produjo un progresosignificativo en nuestro entendimiento de la funcin celu-lar al elucidar las vas bioqumicas de la fermentacin yotros procesos celulares relacionados. Este periodo estuvodominado por los bioqumicos alemanes como GustavEmbden, Otto Meyerhof, Otto Warburg y Hans Krebs. Al-gunos de ellos han quedado inmortalizados desde enton-

ces por las vas metablicas que llevan sus nombres. Porejemplo, la vla Embden-Meyerhof de la glucolisis supusoun gran triunfo de la investigacin de los principios de losaos 30. Poco despus fue seguido por el ciclo de Krebs(tambin conocido como el ciclo de los TCA). Estas dosvas son importantes por su implicacin en el procesomediante el cual las clulas obtienen energa a partir de sus.nutrientes. Aproximadamente al mismo tiempo, FritzLipmann, un bioqumico americano, describi que elcompuesto de alta energa adenosina trrfosfato (ATP) es elprincipal compuesto de almacenamiento de energa en lamayora de las clulas.

Cuando se empezaron a usar istopos radioactivoscomo 3H, lac o 32P pana macar el destino de tomos ymolculas especficas se produjo un avance importante enel estudio de las reacciones y las vas bioqulmicas. (Comopodr recordar de la qumica, distintos tomos de un ele-mento pueden tener el mismo nmero atmico y casi pro-piedades idnticas pero diferir en el nmero de neutrones por lo tanto, en el peso atmico; w istopo se refiere a lostomos con un nmero especfico de neutrones y con elloun peso atmico particular. Un istopo radioactivo, o ra-dioistopo, es un istopo inestable, que emite partculassubatmicas [partculas alfa o beta] y en algunos casos' ra-yos gamma, mientras se convierte espontneamente enuna forma estable.) Melvin Calvin y sus colegas de la Uni-versidad de California en Berkeley fueron pioneros en estecampo altrazar el destino del dixido de carbono marcadocon i4C, r4CO2, en algas iluminadas que estaban tealizan-do la fotosntesis activamente. Su trabajo, desarrollado a fi-nales de los aos 40 y principios de los 50, condujo a la elu-cidacin del ciclo de Calvin, nombre que recibe la va mscomn del metabolismo fotosinttico del carbono. El ciclode Calvin fue la primera vla metablica descubierta me-diante el uso de un radioistoPo.

La bioqumica dio otro gran paso adelante con el de-sarrollo de la centrifugacin como mtodo para separar yaislar estructuras subcelulares y macromolculas en base asu tamao, forma, y/o densidad, proceso denominadofraccionamiento subcelular. Las tcnicas de centrifuga-cin usadas para este objetivo incluyen la centrifugacin di-ferencial y la centrifugacin en gradiente de densidad, qu.eseparan orgnulos y otras estructuras subcelulares en basea diferencias en tamao y/o densidad,yla centrifugacin enequilibrio de densidad, es una tcnica poderosa para sepa-rar orgnulos y macromolculas en base a las diferenciasde densidad. Cada una de estas tcnicas se describe detalla-damente en el Anexol2A en las pginas 322-326. La ultra-centrfuga, desarrollada en Suecia por Theodor Svedberg afinales de los aos 20, es especialmente til para la resolu-cin de pequeos orgnulos y macromolculas. Una ultra-centrfuga es capaz de desarrollar velocidades muy altas-ms de 100.000 rpm- y puede por lo tanto someter lasmuestras afuerzas que superan 500'000 veces la fuerza dela gravedad (g). En gran medida la ultracentrfuga es tan

La emergencia de la teora celular moderna

fundamental para la bioqumica como el microscopioelectrnico lo es para la citologa. De hecho, ambos instru-mentos se desarrollaron ms o menos al mismo tiempo, deforma que la capacidad de ver orgnulos y otras estructu-ras subcelulares se produjo casi simultneamente con lacapacidad de aislarlos y purificarlos.

Otras tcnicas biolgicas que han sido muy tiles paraaislar y purificar componentes subcelulares incluyen lacromatograffa y la electroforesis. Cromatografia es un tr-mino general que incluye una variedad de tcnicas en lasque se fracciona progresivamente una mezcla de molculasmientras la solucin fluye a travs de una fase inmvil yabsorbente, contenida generalmente en una columna. Lastcnicas cromatogrficas separan molculas en base al ta-mao, \a carga o la afinidad por molculas o grupos fun-cionales especficos. En la Figura 7.9 de la pgina l8l semuestra un ejemplo de una tcnica cromatogrfca.

Electroforesis hace referencia a diversas tcnicas rela-cionadas que utilizan un campo elctrico para separar mo-lculas en base a su movilidad. El ritmo al que cualquiermolcula se mueve durante la electroforesis depende de sucargay de su tamao. EI medio ms comn paralasepara-cin electrofortica de protenas y cidos nucleicos es ungel de agarosa o de poliacrilamida. En la Figura 7 .22 de lapgina 194 se ilustra la utilizacin de electroforesis en gelde poliacrilamida para la separacin de protenas.

Debido al incremento de la habilidad para ver, fraccio-nar y aislar estructuras subcelulares, los citlogos y los bio-qumicos comenzaron a darse cuenta de que el alcance desus observaciones sobre la estructura y la funcin celularrespectivamente podan complementarse, estableciendolos fundamentos de la bioloea celular moderna.

La rama de la gentica se centra en elflujode informacinLa tercera hebra o rama de la cuerda de la biologa celulares la gentica. Al igual que las otras dos, tiene races impor-tantes en el siglo xx. En este caso, la hebra comienza conGregor Mendel, cuyos estudios en las plantas de guisanteque cultiv en el jardn de su monasterio estn seguramen-te entre los experimentos ms famosos de toda la biologacelular. Sus descubrimientos fueron publicados en 1866,estableciendo los principios de la segregacin y la diversi-dad de los que hoy conocemoscomo genes. Estos principios tuvieron una importanciasingular y constituyen los fundamentos de lo que poste-riormente hemos conocido como la gentica mendeliana.Sin embargo, Mendel fue claramente un hombre adelanta-do a su tiempo. Su trabajo pas inadvertido cuando se pu-blic inicialmente y no fue apreciado completamente has-ta su redescubrimiento casi 35 aos ms tarde.

Como preludio de ese redescubrimiento, en la dcadaposterior al trabajo de Mendel se comenz a apreciar el pa-pel del ncleo en la continuidad gentica de las clulas. En

1880, Walther Flemming identific los cromosomas comocuerpos con forma de hebra presentes en las clulas que sedividen. Flemming denomin mitosis al proceso de divi-sin, a partir de la palabra griega para hilo o fibra. Pocodespus se reconoci el nmero de cromosomas como unacaracterstica distintiva de cada especie que permanececonstante de generacin en generacin. El hecho de que loscromosomas fueran portadores de la informacin genticafue sugerido por Wilhelm Roux ya en 1883, y fue comuni-cado ms formalmente por August Weissman poco tiempodespus.

Una vez que se esclareci la funcin del ncleo y loscromosomas, se estableci el escenario para el redescubri-miento de las observaciones iniciales de Mendel. Esto seprodujo en 1900, cuando sus estudios fueron citados casisimultneamente por tres genticos de plantas trabajandoindependientemente: Carl Correns en Alemania, Ernstvon Tschermak en Austria y Hugo de Vries en Holanda. Entres aos formul la teora cromosmica de la herenciaWalter Sutton, que fue el primero en unir los cro-mosmicos de Flemming con los de Mendel.

Lateoria de Sutton propuso que los factores heredita-rios responsables de la herencia mendeliana se localizan enlos cromosomas dentro del ncleo. Esta hiptesis recibisu confirmacin ms fuerte a partir del trabajo de TomasHunt Morgan y sus estudiantes de la Universidad de Co-lumbia durante las primeras dos dcadas del siglo xx. Elloseligieron Drosophila melanogaster, la mosca comn de lafruta, como especie experimental. Morgan y sus colabora-dores fueron capaces de relacionar rasgos definidos concromosomas especficos mediante Ia identificacin de di-versos mutantes morfolgicos de Drosophila.

Mientras tanto, Ios fundamentos de nuestra compren-sin de Ia base qumica de la herencia estaban siendo esta-blecidos lentamente. El descubrimiento del DNA por ]o-han Friedrich Miescher en 1869 fue un hito importante.Miescher aisl y describi Io que denomin

ban constituidos por protelnas, ya que stas eran los nicoscomponentes nucleares que parecan justificar la diversi-dad obvia de los genes.

En 1944, Oswald Aver Colin Macleod y MaclynMcCarty describieron un experimento clave que apuntabaclaramente al DNA como el material gentico. Su trabajose centr en el fenmeno de transformacin gentica debacterias que se discutir en el Captulo 18. Su evidenciaera convincente, pero la comunidad cientlfica permanecidurante bastante tiempo poco convencida de la conclu-sin. Sin embargo, slo ocho aos ms tarde, como conse-cuencia del trabajo de Alfred Hershey y Martha Chase seacogi de forma ms favorable el hecho de que el DNA, enlugar de las protenas, entra en la clula bacteriana cuandoes infectada por un virus bacteriano'

Al mismo tiempo, George Beadle y Edward Thtum, tra-bajando en los aos 40 del siglo xx en el moho del pan Neu-rospora crassa, formularon el concepto de uun gen-una en-zima>>,afirmando que la funcin de un gen es controlar laproduccin de una nica protena especfica. Poco tiempodespus, en 1953, James Watson y Francis Crick propusie-ron su ahora famoso modelo de doble hlice para la es-tructura del DNA, incluyendo propiedades que inmediata-mente sugirieron cmo podan suceder la replicacin y lasmutaciones genticas. Poco despus, se descubrieron laspropiedades de la funcin del DNA, establecindose que elDNA especifica el orden de monmeros (aminocidos) ypor lo tanto las propiedades de las protenas, y que diversostipos de molculas de RNA (cido ribonucleico) actrlancomo intermediarios en la sntesis de protenas.

Los aos 60 condujeron a avances especialmente signi-ficativos, incluyendo el descubrimiento de las enzimas quesintetizan el DNA y el RNA (DNA polimerasas y'RNA po-limerasas, respectivamente) y al del cdigo ge-ntico, que especifica la relacin entre el orden de nucle-tidos en una molcula de DNA (o RNA) y el orden deaminocidos en una protena. Alrededor del mismo tiem-po, facques Monod y Frangois |acob dedujeron el mecanis-mo responsable de la regulacin de la expresin gnica enbacterias.

Las tcnicas importantes de la rama de la gentica, ilus-tradas en la Figura 1.1, incluyen la separacin por ultra-centrifugacin y electroforesis en gel de molculas y frag-mentos de DNA. La hibridacin de cidos nucleicos tieneigual importancia, si no mayor, e incluye una variedad detcnicas relacionadas, que dependen de la capacidad dedos molculas de cido nucleico de hebra sencilla con se-cuencia de bases complementarias, para unirse o hibridar-s entre ellas, formando as un hbrido de doble hebra. Es-tas tcnicas se pueden aplicar a interacciones DNA-DNA'DNA-RNA, e incluso RNA-RNA, y son muy tiles para elaislamiento de molculas de DNA o RNA o fragmentos es-pecficos de stas.

El desarrollo de la tecnologa del DNA recombinanteen los aos 70 es el avance tecnolgico que sin duda ms ha

contribuido al entendimiento de la expresin gnica. Esatecnologa se hizo posible gracias al descubrimiento de lasenzimas de restriccin Estas enzimas tienen la habilidad decortar molculas de DNA en secuencias especficasllamadas sitios de restriccin,lo que las hace herramientaspoderosas para cortar molculas largas de DNA en /rag-mentos de restriccinms pequeos que pueden ser recom-binados de varias formas. Usando estas enzimas, los cient-ficos pueden crear molculas de DNA recombinante q.uecontengan secuencias de DNA con dos orgenes diferentes.Esto condujo rpidamente al desarrollo del clonaje gnico,un proceso que permite la generacin de numerosas copiasde secuencias especficas de DNA. Estas tcnicas se explica-rn y se explorarn detalladamente en los Captulos 18 y 20.

Alrededor de la misma poca, se inventaron mtodospara determinar rpidamente las secuencias de bases enfragmentos de DNA. Es muy difcil sobrestimar la impor-tancia de la tecnologa de secuenciacin del DNA. De he-cho, la tecnologa es trivial y automatizada y se aplica ruti-nariamente no slo para genes individuales sino paragenomas completos (el contenido total de DNA de unaclula). Inicialmente, Ia secuenciacin del genoma se apli-caba principalmente a genomas bacterianos ya que gene-ralment son relativamente pequeos, de unos pocos mi-llones de bases. Pero la secuenciacin de DNA ha sidoempleada desde entonces con xito a genomas mucho msgrandes, incluyendo aquellos de especies como levaduras,lombrices, plantas y animales que son de especial interspara los investigadores. La secuenciacin del genoma hu-mano entero, que contiene cerca de 3,2 billones de bases,constituye un triunfo esencial. Esta hazaa se alcanz gra-cias al Proyecto Genoma Humano, un esfuerzo de coopera-cin internacional que comenz en 1990, implic a cientosde cientficos, y estableci la secuencia completa del geno-ma humano alrededor de 2003.

El desaffo deanalzar la gran cantidad de datos genera-dos por la secuenciacin del DNA ha dado lugar a unanueva disciplina llamada bioinformtica que combina lainformtica y la biologa con objeto de dar sentido a los da-tos de secuenciacin. En el caso del genoma humano, estaaproximacin ha conducido al reconocimiento de queexisten por lo menos 35.000 genes que codifican para pro-tenas en el genoma humano. Aproximadamente la mitadde ellos no se conocan antes de la secuenciacin del geno-ma. Ahora que se conocen las secuencias del DNA de esosgenes, los cientficos estn comenzando aobservar ms alldel genoma para estudiar el proteoma, que abarca Ia estruc-tura y las propiedades de cada protena producidas por ungenoma.

stas y otras tcnicas han ayudado a fundar la era de lagentica molecular que contina revolucionando la biolo-ga. En este proceso, la rama histrica de la gentica, queretrocede hasta Mendel, se entrelaza ntimamente con lacitologa y Ia bioqumica en la disciplina de biologa celu-lar tal y como la conocemos actualmente.

La emergencia de la teoria celular moderna 1 1

An exo

Brorocr,

I Realizar observaciones iniciales

I Formuiar una hiptesis comprobable

conJrltu,. I olsenar un exPerimentocontroladouof rsurtar Ilos conocimientos I

previos V

I Elaborar conclusiones razonables

Figure 18.1 El mtodo clentifico.

observaciones y con el conocimiento previo y que puede sercomprobado experimentalmente, A continuacin, elinvestigador disea un experimento controlado para comprobarla hiptesis variando algunas condiciones y manteniendo todoIo dems tan constante como sea posible. Entonces, el cientficorecoge los datos, interpreta los resultados y establece conclusionesrazonables que obviamente deben ser compatibles, no slo conlos resultados de ese experimento en particular sino tambincon el conocimiento previo.

Para un cientlfico en activo el mtodo cientfico es ms unaforma de pensar que un protocolo que debe ser seguido. Esta es,muy probablemente, Ia forma en que nuestros antecesoresexplicaron e interpretaron los fenmenos naturales muchoantes de que los cientlficos fueran formados en las

universidades y mucho antes de que los estudiantes leyesenensayos sobre el mtodo cientfico.

Cuando se ilustra en un diagrama como el de la Figura lB-1el mtodo cientfico parece muy preciso y ordenado. Sinembargo, no todos los descubrimientos cientficos se hacen deesta forma. Muchos avances importantes en biologa se hanrealizado de forma accidental ms que de forma planeada. Unejemplo clsico es el descubrimiento de la penicilina en 1928por Alexander Fleming. Flemming, un mdico y bacterilogoescocs, dej accidentalmente sin tapar una placa de cultivo debacterias Staphilococus, de forma que estuvo expuesta a lacontaminacin por otros microorganismos. Flemming estuvo apunto de desechar el cultivo contaminado cuando se dio cuentade la presencia de algunas zonas claras en las que las bacteriasno estaban creciendo. Flemming mantuvo la placa se cultivo, yrazonando que el crecimiento bacteriano podra haber sidoinhibido por algn contaminante del aire y reconociendo laimportancia que podra tener un inhibidor del crecimientobacteriano, comenz a intentar aislar y caracterizar Ia sustancia.La identificacin de la penicilina y Ia demostracin de que era elproducto derivado de un moho fue realizada por otros, peroFleming es reconocido por el descubrimiento inicial.

Los Anexos de los captulos siguientes le pondrn alcorriente de otros ejemplos de descubrimientos aparentementeaccidentales. Independientemente de cmo de accidentalespuedan parecer esos descubrimientos casi siempre es verdadque . Detrs dela aparente ncasualidad, de cada descubrimiento hay una(mente preparada> que ha sido entrenada para observarcuidadosamente y pensar astutamente.

A medida que avance este texto trate de aplicar el mtodocientfico. Independientemente de la aproximacin, observarque las conclusiones de cada experimento proporcionaninformacin de cmo funcionan los sistemas biolgicos yhabitualmente nos cenducirn a nuevas preguntas,continuando el ciclo de la investigacin cientlfica. Esto es buenosi aspira a dedicarse la investigacin ya que el mejor seguro paracomenzar es que an existan preguntas por responder.

tres trminos que son especialmente significativos: hipte-sis, teoray ley.

De estos tres trminos, hiptesis es el ms provisional.Una hiptesis es simplemente una afirmacin o una expli-cacin compatible con la mayor parte de las observacio-nes y las evidencias experimentales disponibles hasta elmomento sobre un tema. Supongamos por ejemplo queusted ha sentido ardor de estmago tres veces durante elltimo mes, y que cada vezha comido pizza de pepperonipoco antes de sentir el ardor de estmago. Una hiptesisrazonable podra ser que el ardor de estmago est de al-guna forma asociado al consumo de pizza de pepperoni. Amenudo, una hiptesis se transforma en w modelo que

parece proporcionar una explicacin razonable al fen-meno en cuestin.

Para ser til a los cientficos, una hiptesis debe sercomprobable, es decir, debe ser posible disear un experi-mento controlado que confirmar o rechazar la hiptesis.En base a observaciones iniciales y al conocimiento previo(muy probablemente a partir del trabajo de otros investi-gadores) los cientficos formulan una hiptesis comproba-ble y disean un experimento controlado para determinarsi la hiptesis es respaldada por datos u observaciones(vaseFigura lB.I).

Cuando una hiptesis o un modelo se han comproba-do de manera crtica, en diversas condiciones -n6l-

l-a emergencia de la teoria celular moderna 1 3

mente por diversos investigadores usando diversas aproxi-maciones- y es respaldada por la evidencia de forma con-sistente, adquiere gradualmente el estatus de teora. Cuan-do una explicacin o un modelo se transforman en unateora es porque generalmente es aceptada por la mayorade los cientficos de un determinado campo. La teora celu-Iar descrita anteriormente en este captulo es un ejemploexcelente de esto. No existen, o hay muy pocos desacuerdosentre los bilogos respecto a sus tres postulados. Dos afir-maciones ms recientes que han adquirido el estatus deteoriay que encontraremos en el Captulo 7 son el modeloquimiosmtico, qtJe explica cmo la generacin del AIPmitocondrial se origina por un gradiente de protones atravs de Ia membrana mitocondrial interna (discutido enel Captulo 10), y el modelo del mosaico fluido sobrela es-tructura de la membrana.

Cuando una teora se ha comprobado y confirmadopor muchos investigadores y durante un periodo de tiem-po suficiente para que no existan dudas, puede eventual-

mente ser denominada como ley. La ley de la gravedad, ascomo diversas leyes de termodinmica qtoe encontraremosen el captulo 5 son buenos ejemplos que nos vienen fcil-mente a la memoria. Tambin puede estar familiarizadocon la ley de la difusin de Fick, las leyes de los gases idea-Ies y otros conceptos de la fsica y de la qumica que songeneralmente aceptados como leyes. Algunos de los ejem-plos ms sobresalientes de leyes en biologa proceden de lagentica, por ejemplo,las leyes de la herencia de Mendel ylaley deHardy-Weinberg. Sin embargo,los bilogos son engeneral bastante conservadores con el trmino. La teoracelular se considera nicamente con una teora inclusodespus de 150 aos. Quizs nuestras reticencias a deno-minar algunas explicaciones de fenmenos biolgicos conleyes reflejan la gran diversidad de formas de vida, y laconsecuente dificultad para convencernos de que nuncaencontraremos organismos o clulas que constituyen ex-cepciones incluso para nuestras teoras mejor documen-tadas.

El mundo biolgico es un mundo de c-Iulas. Todos los organismos vivos estnformados por una o ms clulas, cada unade las cuales procede de una clula pree-xistente. Aunque la importancia de las c-lulas en la organizacin biolgica se hareconocido durante 150 aos, la discipli-

Problemas

na de la bioioga celular, tal y como Ia co-nocemos actualmente. tiene un origenmucho ms reciente. La biologa celularmoderna se ha producido por el entrela-zamiento de tres discipiinas histricasdistintas -citologa, bioqumica y gen-tica- que en sus fases iniciales probable-

mente no parecan estar tan relacionadas.El biiogo celular contemporneo debecomprender las tres corrientes ya que s-tas se complementan en la bsqueda paraaprender qu son y cmo funcionan lasclulas.

Los problemas de mayor diflcultad estn marcados con un ..

l,.L Corrientes histricas de la biologa celular. Indique sicada uno de los siguientes eventos en el desarrollo de la biologacelular pertenece principalmente a la citologa (C), a labioqumica (B) o a Ia gentica (G).(a) Kllicker describe (sarcosomas) (ahora denominados

mitocondrias) en las clulas musculares (1857).(b) Hoppe-Seyler asla la protena hemoglobina en forma

cristalina (1864).(c) Haeckel postula que el ncleo es responsable de la herencia

( 1868).(d) Ostwald prueba que las enzimas son catalizadores (1893).(e) Muller descubre que los rayos X inducen mutaciones

.1927).(f) Davson y Danielli postulan un modelo para la estructura

de las membranas celulares (1935).(d Beadle y Thtum formulan la hiptesis de un gen-una

enzima (1940).

(h) Claude asla las primeras fracciones mitocondriales a partirdel hgado de la rata (1940).

(i) Lipmann postula la gran importancia del AIP en lastransacciones celulares de energa (1940).

(j) Aver Macleod y McCarty demuestran que latransformacin bacteriana es atribuible al DNA y no a lasprotenas (1944).

(k) Palade, Porter y Sjostrand desarrollan tcnicas para lafijacin y el seccionamiento de tejidos biolgicos paramicroscopa electrnica (1952-1953).

(l) Lehninger demuestra que Ia fosforilacin oxidativadepende del transporte de electrones en la mitocondriacomo fuente inmediata de energa (1957).

1-,2 Tamaos celulares. Considere estos ejemplos especficospara aprecar las diferencias en tamao celular ilustradas en laFigura 1A'.1 de la pgina 2. Escherichia coli, una cIuIabacteriana tpica, tiene forma cilndrica con un dimetro dealrededor de 1 rm y una longitud de alrededor de 2 rm. Comoejemplo de cluia animal tpica consideraremos una clula de

T4 Captulo 1 Una visin de la clula

hgado humana que tiene forma aproximadamente esfrica conun dimetro de unas 20 tm. Como clula vegetal tpicaconsideraremos las clulas columnares del parnquima enempalizada localizadas inmediatamente por debajo de lasuperficie delhaz de las hojas de muchas plantas. Estas clulastienen forma cilndrica, con un dimetro de unas 20 .tmy :unalongitud de aproximadamente 35 pm.(a) Calcule el volumen aproximado de cada uno de estos tres

tipos celulares en micrmetros cbicos. (Recuerde queV: nrzh para un cilindro y que V: 4nr3 /3 paraunaesfera.)

(b) Cuntas clulas bacterianas podran caberaproximadamente en el interior de una clula hepticahumana?

(c) Cuntas clulas hepticas humanas podran caber dentrode una clula del parnquima en empalizada?

1.3 Midiendo el tamao de las cosas. Considere los siguientesclculos para apreciar los tamaos de las estructurassubcelulares mostradas en la Figura 1A.2 en Iapgina3:(a) Todas las clulas y muchas estructuras subcelulares estn

rodeadas por una membrana. Asumiendo que unamembrana tpica tiene 8 nm de ancho, cuntas de estasmembranas deberan estar apiladas lateralmente para quese pudiesen observar con un microscopio ptico? Cuntascon un microscopio electrnico?

(b) Los ribosomas son estructuras celulares en los que tienelugar la sntesis de protenas. Un ribosoma humano es unaestructura aproximadamente esfrica con un dimetro deunos 30 nm. Cuntos ribosomas cabrlan en el interior deuna clula heptica humana descrita en el Problema 1.2, sista se rellena completamente con ribosomas?

(c) El material gentico de una clula de Escherichia coli, des-crito en el Problema 1.2, consiste en una molcula de DNAcon un dimetro de 2 nm y una longitud total de 1,36 mm(de hecho la molcula es circular con un permetro de 1,36mm). Para que esta molcula tan grande de DNA quePa enuna clula que slo tiene unos pocos micrmetros de largoest fuertemente enrollada y doblada en un nucieoide queocupa una porcin pequea del volumen de la clula.Calcule el volumen posible ms pequeo en el que podrlacaber una molcula de DNA y exprselo como porcentajedel volumen interno de la clula bacteriana que calcul enel Problema 1.2a.

L.4 Lmites de resolucin. Entonces y ahora. Conteste cadauna de las siguientes preguntas en base a lo que ha aprendido eneste captulo acerca del lmite de resolucin de microscopioptico. Asuma que el ojo humano tiene un lmite de resolucinde unos 0,25 mm y el microscopio ptico moderno tiene unacapacidad til de aumentar de unos 1.000 aumentos.(a) Defina el lmite de resolucin con sus propias paiabras.

Cuil era el lmite de resolucin del microscopio deHooke? Y el del microscopio de van Leeuwenhoek?

(b) Curles son las dimensiones aproximadas de Ia estructurams pequea que Hooke pudo haber sido capaz deobservar con su microscopio? Pudo 1 haber sido capaz deobservar alguna de las estructuras mostradas en Ia Figura1A.1? Si es as, cules? Si no es el caso, por qu no?

(c) Cuiles son las dimensiones aproximadas de la estructurams pequea que van Leeuwenhoek pudo haber sido capazde observar con su microscopio? Pudo el haber sidocapaz de observar alguna de las estructuras mostradas en IaFigura 1A.1? Si es as, cul es? Si no es el caso, por qu no?

(d) Cules son las dimensiones aproximadas de Ia estructurams pequea que los bilogos celulares contemporneospueden observar con un microscopio ptico moderno?

(e) Considere las ocho estructuras mostradas en las FiguraslA.I y 1A.2, cuiles fueron capaces de estudiar tantoHooke como van Leeuwenhoek con sus respectivosmicroscopios? Si es el caso, cules fue capaz de observarvan Leeuwenhoek pero no Hooke? Explique surazonamiento. Si es el caso, cules sera capaz de ver unbilogo celular contemporneo que no fueron capaces dever ni Hooke ni van Leeuwenhoek?

1,5 Las ramas contemporneas de la biologa celular. Indiquesi cada par de tcnicas enumeradas corresponden a la ramacitolgica, bioqumica, o gentica de la biologa cel:ular (vaselaFigura 1. 1 ). Sugiera una ventaja que la segunda tcnica de cadapar tiene sobre Ia primera.(a) Microscopaptica/microscopaelectrnica.(b) Centrifugacin/ultracentrifugacin.(c) Hibridacin de cidos nucleicos/secuenciacin de DNA.(d) Secuenciacin de un genoma/bioinformtica.(e) Microscopa electrnica de transmisin/microscopa

electrnica de barrido.(f) Cromatografa/electroforesis.1.6 Los de la vida. Cada una de las siguientesafirmaciones fue enunciada en su momento como un hechobiolgico pero ahora se entiende que no son ciertas. Indique encada caso por qu se pens que cada afirmacin era cierta y porqu ahora no se consideran un hecho,(a) Los tejidos animales y vegetales estn construidos de

manera diferente, porque los tejidos animales no tienenbarreras que los dividan en clulas.

(b) Los organismos vivos no estn sujetos por las leyes de laqumica y la fsica de Ia materia inerte, sino que estngobernados por una r responsable de laformacin de compuestos orgnicos.

(c) Los genes muy probablemente estn formados porprotenas porque el otro probable candidato, el DNA, esuna molcula relativamente poco interesante quenicamente consiste en cuatro tipos de monmeros(nucletidos) ordenados en una secuencia relativamenteinvariante de cuatro nucletidos repetidos.

(d) La fermentacindelazicar en alcohol slo se produce siestn presentes levaduras vivas.

.7,.7 Mas de la vida. Cada una de las siguientesafirmaciones ha sido considerada un hecho biolgico hasta hacerelativamente poco pero ahora han sido rechazadas omodificadas hasta cierto punto. Discuta en cada caso, por qu seconsider cierta cada afirmacin y trate de determinar quevidencias pueden haber sido necesarias para rechazar omodificar estas afirmaciones. (Nofa: este problema requiere una

Problemas 1 5

bsqueda ms activa que el Problema 1.6, pero para ayrrdar enla bsqueda se incluyen referencias de los captulos.)(a) Se puede pensar en una membrana biolgica como un

sndwich de protenas-lpidos que consiste en un interiorformado exclusivamente por fosfolpidos, recubiertos enambas caras por capas finas de protenas (Captulo 7).

(b) Las enzimas requeridas para catalizar la conversin deazicar en un compuesto denominado piruvato se localizaninvariablemente en el citoplasma de la clula, en lugar deestar compartimentalizadas en estructuras rodeadas pormembranas (Captulo 9).

(c) EI mecanismo por el que la oxidacin de molculasorgnicas como azcares conduce a la generacin de AIRrequiere una molcula intermediaria fosforilada de altaenerga (Captulo 10).

(d) Cuando el dixido de carbono del aire se (unecovalentemente) en formas orgnicas por los organismosfotosintticos como las plantas verdes, la primera formamolecular en que aparece el tomo de carbono es siempreel compuesto tricarbonado 3-fosfoglicerato (Captulo 1 I ).

(e) El DNA siempre existe como un duplex de dos hebrasnicas en una hlice dextrgira (Captulo 18).

(0 El cdigo gentico, que especifica cmo la informacincontenida en la molcula de DNA se emplea para hacerprotenas, es universal en el sentido de que todos losorganismos utilizan el mismo cdigo (Captulo 2l).

.1,8 Biologla celular en 1875. Friedrich Miescher (1844-1895), Gregor Mendel (1822-1884), Louis Pasteur (1822-1895)y RudolfVirchow (1821-1902) fueron cientcos europeos (deSuiza, Austria, Francia y Alemania, respectivamente) cuyosdescubrimientos ms importantes se hicieron en un periodo de20 aos entre 1855 y 1875. Asuma que estos cuatro hombres sereunieron en una conferencia cientfica en 1875 para discutirsus contribuciones respectivas en biologa.(a) Qu habran tenido en comn estos cuatro cientficos?

Bibliografa recomendada

(b) Qu cree que Pasteur hubiese encontrado ms intrigante orelevante en el trabajo de Virchow? Explique su respuesta.

(c) Qu cree que Virchow hubiese encontrado ms intriganteo relevante en el trabajo de Mendel? Explique su respuesta.

(d) En el trabajo de quin piensa usted que Miescher habraestado ms interesado? Explique su respuesta.

t1,9 Hechos yverdades. L;.nn White, fr. hizo unacaracterzacin apropiada del hecho cientfico. Como se cita enel Anexo lB, White escribi que para un cientfico la verdad