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BIOLOGIA MOLECULAR DE
-
LA ELULA
TERCERA EDICION
-

Bruce Alberts • Dennis Bray

Julian Lewis • Martin Raff
Keith Roberts • James D. Watson

Traducido por

Merce Durfort i Coll

Catedrática de Biología Celular Animal y Vegetal
de la Facultad de Biología
de la Universidad de Barcelona

Miquel Llobera i Sande

Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular
de la Facultad de Biología
de la Universidad de Barcelona

[m]
EDICIONES OMEGA, S.A.
Plató, 26 - 08006 Barcelona
Bruce Alberts es Doctor (Ph.D.) por la Universidad de Harvard y
actualmente es Presidente de la National Academy of Sciences y
Profesor de Bioquímica y Biofísica en la Universidad de California,
San Francisco. Dennis Bray es Doctor (Ph.D.) por el Massachusetts
Institute of Technology y actualmente está becado por el Medica!
Research Council en el Departamento de Zoología de la Universidad
de Cambridge. JulianLewis es Doctor (D.Phil.) por la Universidad de
Oxford y actualmente es Senior Scientist en la Imperial Cancer
Research Fund Developmental Biology Unit, de la Universidad de
Oxford. Martín Raffes Doctor (M.D.) por la Universidad de McGill y
actualmente es Profesor del MRC Laborato:ry for Molecular Cell
Biology y del Biology Department University College de Londres.
Keith Roberts es Doctor (Ph.D.) por la Universidad de Cambridge y
actualmente es Director del Department of Cell Biology del John
Innes Institute de Norwich. James D. Watson es Doctor (Ph.D.) por la
Universidad de Indiana y actualmente es Director del Cold Spring
Harbor Laboratory. Es autor de Molecular Biology of the Gene y, con
Francis Crick y Maurice Wilkins, recibió el Premio Nobel de Medicina
y Fisiología en 1962.

En la traducción han colaborado: Dra. M. Gracia Bozzo,

Dra. Roser Pagan, Dra. Montserrat Poquet, Dr. Manuel Reina,
Dr. Josep Valero y Dr. Senén Vtlaró.

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los

titulares del "Copyright", bajo las sanciones establecidas en las leyes,
la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o
procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento
informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler
o préstamo públicos, así corno la exportación
e importación de esos ejemplares para su distribución en venta, fuera
del ámbito de la Comunidad Económica Europea.
Cubierta anterior: la fotografía muestra una fibra
Authorized translation from English language edition nerviosa de rata en cultivo. Está marcada con un
fluorocromo asociado a un anticuerpo que reconoce el
published by Garland Publishing, Inc. soma celular y las prolongaciones dendríticas de la
célula (amarillo). Los terminales nerviosos (verde) de
MOLECULAR BIOLOGY OF THE CEU otras neuronas (no visibles) que han establecido
sinapsis con la célula están marcados con un
anticuerpo diferente. (Por cortesía de OlafMundigl y
©1.993, 1989, 1994 by Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Pietro de Camilli.)
Martin Raff, Keith Roberts and James D. Watson
Cubierta posterior: los autores, en orden alfabético,
y para la edición española atravesando Abbey Road en Londres, yendo a comer.
La mayor parte de esta tercera edición se ha escrito en
©1996 Ediciones Omega, S.A, Barcelona una casa situada en el ángulo de la imagen. (Fotograffa
de Richard OUvíer.)

JSBN 84-282-1011-X Dedicatoria: Gavin Borden, último presidente de

Depósito legal B. 23.553-96 Garland Publishing, curtido durante la ascensión cerca
del Mount McKinley, a mediados de 1980, con Bruce
Printed in Spain Alberts, autor de "Biología Molecular de la Célula" y el
lnd. Gráf. Ferré Olsina, S.A - Viladomat, 158-160 int. - 08015 Barcelona famoso guía de montaña Mugs Stump (1940-1992) .
 Índice general
Características especiales XV
Índice de materias xvii
Agradecimientos XXXÍX
Nota al lector xliii
Nota de los traductores xlv

Introducción a la célula
l. La evolución de la célula 3
2. Pequeñas moléculas, energía y biosíntesis 43
3. Macromoléculas: estructura, forma e información 93
4. Cómo se estudian las células 147
J?A~TE
Genética molecular 11
5. Función de las proteínas 207
6. Mecanismos genéticos básicos 237
7. Tecnología del DNA recombinante 313
8. El núcleo celular 359
9. El control de la expresión génica 429
PARTE
Organización interna de la célula 111
10. Estructura de la membrana 509
11. Transporte de moléculas pequeñas a través de la
membrana y base iónica de la excitabilidad
de la membrana 541
12. Compartimientos intracelulares y clasificación
de proteínas 589
13. Tráfico vesicular mediante las rutas secretora
y endocítica 641
14. Conversión energética: mitocondrias y cloroplastos 697
15. Transmisión de señales entre células 771
16. El citoesqueleto 843
17. El ciclo de división celular 925
18. Los mecanismos de la división celular 977

Las células en su contexto social

19. Adhesión celular, uniones celulares y matriz extracelular 1017
20. Células germinales y fecundación 1083
21. Mecanismos celulares del desarrollo 1111
22. Células diferenciadas y conservación de los tejidos 1219
23. El sistema inmunitario 1279
24. Cáncer 1345
. Glosario G-1
Índice alfabético I-1

xüi
Características especiales
Panel 1-1 Células eucariotas: esquema de sus principales orgánulos 18- 19
Panel 1-2 Modelos celulares y tejidos con los que están construidas las plantas superiores 30- 31
Panel 1-3 Algunos de los diferentes tipos de células existentes en el cuerpo de un vertebrado 38-39
Tabla 2-1 Composición química aproximada de una célula bacteriana 45
Panel 2-1 Propiedades químicas del agua y su influencia sobre el comportamiento de las moléculas
biológicas 50-51
Panel 2-2 Enlaces y grupos químicos frecuentes en las moléculas biológicas 52-53
Panel 2-3 Algunos de los tipos de azúcares encontrados habitualmente en las células _ 54-55
Panel 2-4 Algunos de los tipos de ácidos grasos encontrados habitualmente en las células
y las estructuras que forman 56-57
Panel 2-5 Los 20 aminoácidos que intervienen en la síntesis de las proteínas 58-59
Panel 2-6 Resumen de los principales tipos de nucleótidos y sus derivados existentes en las células 60-61
Tabla 3-1 Composición química aproximada de una bacteria típica y de una célula de mamífero típica 94
Tabla 3-2 Enlaces químicos covalentes y no covalentes 95
Panel 3-1 Principales tipos de fuerzas no covalentes débiles que unen las moléculas entre sí 96-97
Tabla 3-3 La relación entre las diferencias de energía libre y las constantes de equilibrio 101
Panel 3-2 Estructuras del DNA y del RNA 104-105
Tabla 11-1 Comparación de las concentraciones iónicas en el interior y el exterior de una célula
de mamífero 542
\
Panel 11-1 Equilibrio del agua intracelular: el problema y su solución 552
Panel 11-2 Deducción de la ecuación de Nemst 562
Panel 11-3 Algunos experimentos clásicos realizados en el axón gigante del calamar 568
Tabla 12- 1 Volúmenes relativos ocupados por los principales compartimientos intracelulares
en una célula hepática típica (hepatocito) 591
Tabla 12-2 Cantidades relativas de tipos de membrana en dos células eucariotas 591
Panel 12-1 Estudio de las secuencias señal y de la translocación de proteínas a través de membranas 598
Panel 13-1 Estrategias utilizadas para estudiar los mecanismos moleculares implicados
en el transporte vesicular 682-683
Panel 14-1 Energía libre y reacciones biológicas 714-715
Panel 16-1 Polimerización de la actina y la tubulina 882- 883
Panel 18- 1 Los seis estadios de la división celular 982-983
Panel 21-1 Revisión de genética clásica 1148-1149
Panel 21 -2 Características generales del desarrollo temprano de las plantas con flores 1189
Capítulo 22 Apéndice Catálogo de las células del cuerpo humano adulto 1271-1274

XV
,,,,.
Indice de Inaterias

Introducción a la célula 1;arte

La evolución de la célula
Desde las moléculas hasta la primera célula 4 Las células eucariotas contienen una rica dotación
En condiciones prebióticas se pueden formar moléculas de membranas internas 23
biológicas 4 Las células eucariotas tienen un citoesqueleto 25
Pueden desarrollarse sistemas químicos complejos en un Entre los protozoos se encuentran las células más
entorno alejado de su equilibrio químico 4 complejas conocidas 25
Los polinucleótidos son capaces de dirigir su propia síntesis 6 En las células eucariotas el material genético está
Las moléculas autorreplicante están sometidas a la selección empaquetado de forma compleja 26
natural 7 Resumen 27
Algunas moléculas especializadas de RNA pueden catalizar
reacciones bioquímicas 8 De las céluJas simples a los organismos pluricelulares 27
La información fluye desde los polinucleótidos a los Las células se pueden asociar formando colonias 28
polipéptidos 8 Las células de un organismo superior se especializan
Las membranas definieron la primera célula 10 y cooperan 29
Todas las células actuales utilizan el DNA como La organización pluricelular depende de 1a cohesión
material hereditario 11 entre las células 32
Resumen 12 Las capas de células epiteliales envuelven un medio interno
protegido 32
De los procariotas a los eucariotas 12 La comunicación célula-célula controla es esquema
Las células procariotas son estructuralmente simples espacial de los organismos pluricelulares 33
pero bioquímicamente diversas 12 La memoria celular permite el de arrollo de patrones
Las reacciones metabólicas evolucionan 14 complejos 34
Comparando secuencias de DNA se pueden deducir Los programas básicos de desarrollo tienden a ser
relaciones evolutivas 15 conservado en la evolución 34
Las cianobacterias pueden fijar CO 2 yN2 16 Las células somáticas del cuerpo de los vertebrados muestran
Las bacterias pueden realizar la oxidación aeróbica más de 200 tipos di(erentes de especialización 36
de las moléculas nutritivas 17 Los genes pueden ser activados y desactivados 37
Las células eucariotas poseen varios orgánulos característicos 20 Comparaciones entre secuencias revelan centenares
Las células eucariotas dependen de las mitocondrias de familias de genes homólogos 37
para su metabolismo oxidativo 2) Resumen 41
Los cloroplastos son descendientes de una célula procariota
incorporada 22 Bibliografía 41

e.apitu1o
Pequefias moléculas, energía y síntesis z
Los componentes químkos de una célula 43 Las células obtienen energía mediante la oxidación
La química celular se basa en los compuestos de carbono 43 de moléculas biológicas 65
Las células utilizan cuatro tipos básicos de moléculas pequeñas 45 La degradación de una molécula orgánica se realiza
a través de una secuencia de reacciones catalizadas
Los azúcares son las moléculas alimenticias de la célula 46 enzimáticamente 66
Los ácidos grasos son componentes de las membranas celulares 47 Parte de la energía liberada en las reacciones de oxidación
Los aminoácidos son las subunidades de las proteínas 48 se acopla a la reacción de formación de ATP 66
Los nucleótidos son las sub unidades del DNA y deLRNA 49 La hidrólisis del ATP genera orden en las células 67
Resumen 62 Resumen 69
Orden biológico y energía 62 El alimento y la obtención de la energía celular 69
El orden biológico resulta posible gracias a la liberación Las moléculas alimenticias on degradadas en tres etapas
de energía calorífica por parte de las células 63 para producir ATP 69
Los organismos fotosintetizadores utilizan la luz solar la glucolisis puede producir ATP incluso en ausencia de
para sintetizar compuestos orgánicos 63 oxígeno 70
La energía qtúmica pasa de las plantas a los animales 64 El NADH es el intermediario central en el catabolismo oxidativo 73

xvii
El metabolismo está dominado por el ciclo del ácido cítrico 74 Los. polímeros biológicos se sintetizan mediante la repetición
En la fosforilación oxidativa, la transferencia de electrones de reacciones elementales de deshidratación 84
al oxígeno impulsa la formación de ATP 75 Resumen 84
Los aminoácidos y los nucleótidos forman parte del ciclo del N 76 Coordinación entre catabolismo y biosíntesis 86
Resumen 77 El metabolismo está organizado y regulado 86
La blosíntesis y la creación de orden 77 Las vías metabólicas están reguladas a través de cambios
de la actividad enzimática 86
El cambio de energía libre de una reacción determina
si ésta puede producir,se o no 77 Las reacciones catabólicas pueden revertirse mediante un
aporte de energía 87
A menudo las reacciones de biosfntesis están acopladas
directamente a la hidrólisis del ATP 78 Las enzimas pueden activarse e inhibirse mediante
modificaciones covalentes 89
Las coenzimas intervienen en la transferencia de
determinados grupos 9uímicos 80 .Las reacciones están compartimentadas, tanto dentro de
las células como dentro de los organismos 89
La estructura de las coenzimas sugiere que se formaron
en un mundo de RNA 81 Resumen 91
La biosíntesis necesita poder reductor 82 Bibliografía 9L

Capítulo
Macromoléculas: estructura, forma e información 3
Procesos de reconocimiento molecular 93 Los dominios están formados por cadenas polipeptfdicas
Las interacciones específicas de una macromolécula dependen que se pliegan adelante y atrás, generando delgadas
de enlaces débiles no covalentes 94 circunvoluciones en la superficie de la proteína 124
Una bélice es un motivo estmctural común en las estructuras De entre la gran cantidad de cadenas polipeptfdicas posibles,
biológicas generadas a partir de subunidades repetidas 99 únicamente un número relativamente pequefio de ellas
llegaría a ser útil 125
La difusión es el primer paso hacia el reconocimiento
molecular 99 Normalmente las nuevas proteínas se desarrollan por
alteraciones menores de proteínas antiguas 125
Los movfmientos térmicos unen a las moléculas y luego
las separan 99 Las nuevas proteínas pueden desarrollarse por recombinación
de dominios polipeptídicos preexistentes 127
La constante de equilibrio constituye una medida de la
fuerza de interacción entre dos moléculas 100 Las homologías estructurales pueden contribuir en la
asignación de funciones a las proteínas descubiertas
Los átomos y las moléculas se mueven rápidamente 101 recientemente 129
Los procesos de reconocimiento molecular nunca pueden Las subunidades proteicas pueden ensamblarse formando
ser perfectos 1O1 grandes estructuras 130
Resumen 102 Un solo tipo de subunidad proteica puede interaccionar
consigo misma formando agregados geométricos regulares 130
Ácidos nucleicos 102
A menudo las proteínas superenrolladas colaboran en la
Los genes están formados por DNA 102 construcción de grandes estructuras en las células 131
Las moléculas de DNA consisten en dos largas cadenas Las proteínas pueden ensamblarse formando láminas,
unidas por pares de bases complementarias 103 tubos o esferas 132
La estructura del DNA proporciona una explicación del Muchas estructuras celulares son capaces de autoensamblarse 132
proceso de la herencia 106
No todas las estructuras biológicas se forman por
Los errores en el proceso de replicación del DNA generan autoensamblaje 134
mutaciones 108
Resumen 135
La secuencia de nucleótidos de un gen determina
la secuencia de aminoácidos de una proteína 108 Las proteínas como catalizadores 135
Porciones de la secuencia de DNA se copian en moléculas La conformación de una protefua determina sus propiedades
de RNA para guiar la síntesis de proteínas 109 químicas 135
Las moléculas de RNA de eucariotas son cortadas El primer paso de la catálisis enzimática es la unión del
y recombinadas, eliminándose secuencias intrón l 10 substrato 137
Las secuencias de nucleótidos del mRNA son "leídas" Las enzimas aceleran las reacciones estabilizando
en gmpos de tres y traducidas a aminoácidos 111 determinados estados de transición 138
Las moléculas de tRNA emparejan los aminoácidos con Las enzimas pueden facilitar la formación y la rotura
los grupos de nucleótidos 11 l de enlaces covalentes a través de una catálisis ácida
El mensaje de RNA se lee de un extremo al otro por un y básica simultánea 139
ribosoma 112 Además, las enzimas pueden incrementar las velocidades
Algunas moléculas de RNA actúan como catalizadores 113 de reacción formando enlaces covalentes intermedios
Resumen 116 con sus substratos 140
Las enzimas aceleran las reacciones químicas pero no
Estructura de las proteínas 116 pueden hacerlas energéticamente más favorables 140
La forma de una molécula proteica está determinada por Las enzimas pueden determinar el sentido de una vfa
la secuencia de sus aminoácidos 116 acoplando determinadas reacciones a la hidrólisis del ATP 141
Díferentes cadenas proteicas presentan esquemas de Los complejos multienzimáticos ayudan a incrementar
plegamiento iguales 119 la velocidad del metabolismo celular 141
Las proteínas son moléculas asombrosamente versáti.les 120 Resumen 142
Las proteínas presentan diferentes niveles de organización
estructural 122 Bibliografía 143

xviii fndice de materias

 CapftUló
Cómo se estudian las células 4
Observación de la estructura de las células con el Fraccionamiento de las células y anállsJs de sus molécuJas 172
microscopio 147 Los orgánulos y las macromoléculas pueden separarse
El microscopio óptico puede resolver detalles situados a por ultracentrifugación 172
0,2 µm de distancia 149 Los detalles moleculares de los procesos celulares
Para la observación microscópica, normalmente los tejidos complejos únicamente se pueden descifrar en sistemas
son fijados y seccionados 150 libres de células 174
Los diferentes componentes de la célula pueden ser teñidos Las proteínas pueden separase mediante cromatografía 176
selectivamente 151 Mediante electroforesis en gel de poliacrilamida con
Mediante la microscopia de fluorescencia se pueden localizar SOS pueden determinarse el tamafio y la composición
moléculas en las células de forma específica 152 de subunidades de una proteína 179
Las células vivas se pueden observar con nitidez en un Mediante electroforesis bidimensional sobre gel
microscopio de contraste de fases o de contraste de poliacrilamida, se pueden resolver más de
de fases interferencia! 153 1000 proteínas sobre un mismo gel 181
Mediante técnicas electrónicas las imágenes pueden ser La hidrólisis selectiva de una proteína genera un
amplificadas y analizadas 154- conjunto carl\cterfstico de fra~entos peptfdicos 183
Gracias al microscopio de barrido confocal es posible Mediante máquinas automatizadas pueden analizarse
obtener imágenes de complejos objetos secuencias cortas de aminoácidos 184
tridimensionales 155 La difracción de rayos X por cristales de proteína puede
El microscopio electrónico resuelve la estructura fina revelar la estructura exacta de una proteína 185
de la célula 157 También se puede determinar la estructura molecular
Para poder ser e tudiadas al microscopio electrónico, utilizando espectroscopia de resonancia magnética
las muestras biológicas requieren una preparación nuclear (NMR) 186
especial 159 Resumen 187
Mediante la microscopia electrónica de barrido se
pueden obtener imágenes tridimensionales 161 Siguiendo el rastro y cuantificando las moléculas
El sombreado metálico permite el examen a alta resolución del interior de las células 189
de detalles superficiales, mediante el microscopio Los átomos radiactivos pueden ser detectados con una
electrónico de transmisión 162 gran sensibilidad 189
La microscopia electrónica de criofractura y la de grabado Los radio isótopos se utilizan para marcar las moléculas
por congelación proporcionan una nueva visión en las cél.ulas y en los organismos y seguirles la pista 190
del interior celular 162 Las concentraciones de los iones se pueden medir mediante
La tinción negativa y la microscopia crioelectrónica permiten electrodos intracelulares 191
observar macromoléculas a alta resolución 163 Los cambios rápidos en las concentraciones iónicas
Resumen 165 intracelulares se pueden medir mediante indicadores
emisores de luz 193
Aislamento y crecimiento de células en cultivo 166
Existen diferentes sistemas que permiten introducir
Las células de un tejido pueden ser aisladas y separadas moléculas en una célula para las que la membrana
en diversos tipos celulares 166 celular sea impermeable 194
Las células pueden cultivarse en una placa de cultivo 167 La activación inducida por la luz de moléculas
Los medios definidos químicamente, libres de suero, precursoras "empaquetadas'' facilita el estudio
permiten la identificación de factores de crecimiento de la dinámica intracelular 197
específicos 168 Se pueden utilizar anticuerpos para detectar y aislar
Las lú1eas celulares eucariotas constituyen una fuente moléculas deterrnínadas 197
ampliamente utilizada para la obtención de células Las líneas celulares de hibridomas constituyen una fuente
homogéneas 169 pem1anente de anticuerpos monoclonales 199
Las células pueden fusionarse formando células Resumen 201
híbridas 170
Resumen 172 Bibliografía 201

Genética molecular [rrJ

Función de las proteínas
Las proteínas como máquinas · 207 Las transiciones alostéricas colaboran en la regulación

f La unión de un ligando puede cambiar la conformación

de una proteína 208
del metabolismo
A menudo las proteínas forman agregados
simétricos que sufren transiciones alostéricas
210

A menudo cuando dos ligandos se unen a la misma proteína,

cada uno de ellos afecta la unión del otro 209 cooperativas 212
Dos ligandos cuyos lugares de unión están acop.lados La transición aJostérica de la aspartato transcarbarnilasa
pueden afectar recíprocamente uno la unión del otro 210 se conoce a nivel atómico 212

índice de materias xix

La fosforilación de proteínas e un mecanismo para A menudo las proteínas forman grandes complejos que
dirigir transiciones alostéricas en las células eucariotas 214 actúan como máquinas proteicas 225
Una célula eucariota contiene muchas proteína qui nasas Resumen 225
y fosfatasas 215
La estructura de la proteína quinasa Cdk muestra de qué Nacimlento, ensamblaje y muerte de las proteínas 226
forma una proteína puede actuar como un microchip 216 Se cree que las protemas se pliegan a través de un
Las protemas que unen e hidrolizan GTP son reguladores intermediario globular fundido 226
celulares ubicuos 218 Las chaperonas moleculares facilitan el plegamiento
Otras protemas controlan la actividad de las proteínas de las proteínas 227
que unen GTP, determinando si se une GDP o GTP 219 Muchas proteínas contienen series de moléculas plegadas
La transición alostérica de la proteína EF-Tu muestra de qué de forma independiente 229
manera pequeñas moléculas pueden generar grandes Los módulos confieren versatilídad y a menudo median
movimientos 219 las interacciones proteína-proteína 230
Proteínas que hidrolizan ATP realizan trabajo mecánko Las protemas pueden unirse unas a otras a través de
en las células 221 diferentes tipos de interfases 231
La estructura de la miosina revela de qué forma los músculos La conexión y la proteo lisis selectiva aseguran los
generan fuerza 222 ensamblajes del ripo todo o nada 231
Proteínas alostéricas unidas a membrana y dirigidas por ATP La proteolisis depend.iente de ubiquitina es la responsable
pueden actuar como bombas iónicas o trabajar en sentido principal del recambio proteico selectivo en los eucariota 232
inverso, sintetizando ATP 223 La vida media de una proteína puede ser determinada
Las transiciones alostéricas acopladas energéticamente por enzimas que alteran su extremo N 234
permiten a las proteínas actuar como motores, como Resumen 235
relaje , como factores de ensamblaje o como
transductores de información 224 Bibliografía 235

Mecanismos genéticos básicos

Síntesis de RNA y de proteínas 237 La mayoría de mutaciones de las proteínas resultan
La RNA polimerasa copia el DNA a RNA: el proceso de la perjudiciales y son eliminadas por selección natural 259
transcripción del DNA 238 Para que exista la vida tal como la conocemos, es necesario
Sólo se utilizan zonas seleccionadas de un cromosoma que se den estas bajas frecuencias de mutación 260
para producir moléculas de RNA 241 El hecho de que tas frecuencias de mutación sean bajas
Las moléculas de RNA de tran ferencia actúan como significa que los organismos relacionados han de estar
adaptadores que traducen secuencias de nucleótidos formados esencialmente por las mismas proteínas 260
a secuencias de proteína 242 Si no fueran corregidas, las alteraciones espontáneas del
Unas determinadas enzimas acoplan cada aminoácido DNA podrían cambiar rápidamente las secuencias del DNA 261
con su molécula apropiada de tRNA 243 La estabilidad de los genes depende de la reparación del DNA 263
Los aminoácidos se van añadiendo al extremo carboxilo Las alteraciones del DNA pueden ser eliminadas por más
terminal de una cadena polipeptídica en crecimiento 244 de una vía 263
El código genético es degenerado 245 Las células pueden producir enzimas de reparación de D A
Los acontecimientos de la sfnte is proteica están catalizados en respuesta a las alteraciones del DNA 266
sobre el ribosoma 246 La estructura y las propiedades químicas de la doble hélice
El ribosoma se desplaza, paso a paso, a lo largo de la cadena del DNA hacen que sea fácil de reparar 266
demRNA 247 Resumen 268
Cuando se alcanza uno de los tres tipos de codón de
terminación, la cadena proteica se libera del ribosoma 249 Mecanismos de replicación del DNA 268
El proce o de iniciación establece la pauta de lectura para Tal como ocurre para el proceso de reparación del DNA,
la síntesis proteica 249 el fundamento del proceso de replicación es el
En células eucariotas, normalmente sólo se sintetiza un tipo apareamiento de bases 268
de cadena polipeptfdica sobre cada molécula de mRNA 252 La horquilla de replicación del DNA es asimétrica 269
La unión de varios ribosomas a una misma molécula de El elevado grado de fidelidad del mecanismo de replicación
mRNA genera polirribosomas 253 del DNA requiere la existencia de una mecanismo de
En los eucariotas, la velocidad general de sfntesis de "corrección de galeradas" 270
proteínas está controlada por factores de iniciación 254 Sólo ta replicación del DNA en dirección 5' a 3' permite
La fidelidad de la smtesis de proteÚlas está incrementada la existencia de un eficiente procesos de corrección
gracias a dos procesos independientes de corrección de errores 271
de galeradas 254 Una enzima especial que polimeriza nucleótidos sintetiza
Muchos inhibido res de la síntesis de proteínas en pro cario tas cortas moléculas cebadoras de RNA sobre la cadena
resultan útiles como antibióticos 255 retrasada 272
¿Cómo evolucionó el proceso de la síntesis de proteínas? 257 Unas proteínas especiales ayudan a abrir la dobl hélice
Resumen 257 del DNA por delante de la horquilla de replicación 273
Una molécula de DNA polimerasa móvil se mantiene unida
Mecanismos de reparación del DNA 258 al DNA mediante un aniIJo deslizante 273
Las secuencias de DNA se mantienen con un elevado grado En la horquilla de replicación, uua erie. de proteínas cooperan
de fidelidad 258 entre sí formando una "máquina de replicación" 275
Las frecuencias de mutación observadas en células proliferativas Un sistema de corrección de galeradas que elimina los errores
son consistentes con los valores evolutivos estimados 259 de replicación producidos por la máquina de replicación 276

xx fndice de materias
Las horquillas de replicación 1rnCian □ 1origen 277 Virus, plásmldos y elementos genétJcos transponlbles 293
Las DNA topoisomerasas evitru1 que el DNA se enrede Los viru son elemento genéticos móvil s 293
durante la replicación 278 La cubierta exterior d un virus pu de er una cáp ide
La replicación d l D en lo ' ucariota prot i a o una envoltura membrano a 294
imilar a la d los procaríota 280 Los genomas vírico pr entan a una gran vari dad
Resumen 280 de formas víricas y pueden ser tanto d DNA
como d • RNA 294
Recombinación genética 28 l Los cromo ornas vírico codifican enzimas ímplicadas
La r combinación g neral está guiada por interaccione en la replicación d u ácido nucl i o 296
de apareamiento de base entre cadena complementarias Tanto los virus RNA como los virus A e replican mediante
de dos mol cu las homóloga de DNA 282 la forma ión d cad nas compl m ntarias 297
La r combinaci n general pu de iniciar n wia mue ca Los viru utilizan la maquinaria de tráfico intrac lular de
d una cad n de la dobl h lice de D A 283
su células huésped 298
Las reaccion d hibridación del D A proporcionan un Diferente virus recubi nos geman a partir de dji r ntes
modelo sencillo para la d apareaml nto de ba membranas celular 300
n la recombinación gen ral 284
La proteína R cA permire a una molécula d una sola Los cromosomas víricos pueden integrarse en los
cadena de D A aparear con una r gión homóloga cromosomas del huésped 301
de una doble hélice en E. coU 285 La sínte is continuada d algunas proteínas víricas pued
La recombinación g nética g neral habilualmenc-e upan tran formar a las c lulas en can ro 301
un intercambio cruzado d denas ntr cruzaml nto 287 Los virus tumorales RNA on retrovJru 302
La onversi6n g nica se produ e combinando procesos d El virus d I SIDA es un r trovirus 304
r ombinación general y d síntesis limitada de DNA 287 Alguno el mentas tran ponibles t n estrecham nt
Lo mecani mo d corre Ión de errare pu den vitar relacionados con lo ~ rroviru 305
la r combinación genética promiscua ntre dos Otros el m ntos tran ponibles Lran fieren dire tamente
cuencia d DNA mal ap 1 adas 288 a sí mi mos desde un lugar a otro d I genoma 305
Enzimas de recombinación e p cífica d lugar ponen y Probabl mente la mayorfa de los viru 'Volucionaron a partir
quitan del gen ma secuencia especial de DNA 289 de pi midos 306
La recombina íón transpo icional pued in ertar un eJem nto Resumen 307
g nético mó ti en cualquier ecuencia d D A 291
R umen 292 Bibliografía 308

CapítuJ
Tecnología del DNA recombinante 7
Fragmentación, eparaclón y ccuenclaclón de molécula Clonaje de DNA 831
deDNA 314 Se pued construir una librería de D A utilizando v ctore
Las endonuclea a de re trlcclón cortan la molécula d vírico o v ctore pla mjdicos 332
NA en s u ncias nucl olfdicas espe mea 315 Dos tipo d librerías d DNA cubr n diferent s propós.itos 333
Los mapas de ro rricción muestran la distribución de pequefias Los clones cDNA contienen secuencia codificante
cuencias nucleotfdica a lo largo del romosoma 3 L5 continua 334
la molécula d O A de difer ntes tamaflo · pueden Pued n pr parse libr rí cD A a partir de poblaciones
separars m diante la el ctroforesi en gel 317 selec lonadas de molé ulas d mRNA 335
La moléculas purificadas d DNA pueden r marcada Para identiflcar los clon s de interés n una librería de DNA
In vitra con rau.loisóropos o 011 marcadore qufml cos 3113 pued utilizarse tanto una sonda DNA como un ensayo
Lo fragmenro lslados de NA pueden e1· rápidament para la proteína expresada 335
cuenciado 319 La Lraducción in vitro facilita la identificación del clan de
La hu Das d I O A revelan lo Jugare donde las prot fna DNA orr to 337
unen a la molécula d DNA 320 La sele lón de clone DNA solapado permite" aminar"
l?eswnen 322 sobr el cromosoma hasta w1 g n vecino de interés 337
e están construyendo librerías genómkas de clon
Hibridación d ácido nucleico 322 ordenados para organi mos el ioaado 339
La hibridación d á ido nucl leos pro por iona un método El clona¡ po icional d DNA revela la pre eacia de g nes
ensible para lo detección de ecuenciai; determinadas de funciones impr vistas 340
de nucleótid s 323
Median te una reacción d polimerización en cadena se
Lastran feren las Northem y outhern faclllran la hibridación pued n clonar segm ntos-de DN en un tubo d ensayo 340
con molécul, de ácido nu 1eicos separadas
lecrroforétlcamente 324 Resumen 341
El análisis d los polimorfismos de longitud d los fragmentos
de restricción (RFLP) facilita el análisi g nético de lo lngenJerfo de DNA 342
grandes genomas 326 Se pueden construir moléculas de DNA de cualqul r secuencia
'Las moléculas sintéticas de DNA facilitan el diagnóstico uniendo fragmento de DNA 343
prenatal d nfermedad s g néticas 327 Es po ible producir grandes cantidad de molécula de RNA
la hlhrídación po o riguro a permite identificar gene homogéneas medlant transcrip ión deDN in vitro 343
relacionado de forma indirecta 329 Utilizando vectores de xpresión s posible producir grandes
la técnicas d hibridación in siru permi n I calizar cantidades de prot ínas celular s minoritarias 344
ecuencias p cillcas d cidos nuclei o n los Lo gen marcadore p nniteo an Hz.ar la función de la
cromosomas y en las céluJ 330 s cuenci de D A reguladoras 345
Re wnen 33J Lo organi mos mutant revelan m Jor la funci ti d un gen 345

fndice d.e materias xxi

Pueden fabricarse "a medida" célula y organismos que Genes sometidos a ingeniería genética se pueden in ertar
contengan genes alterados 347 de forma permanente en la línea germinal de un ratón
Los genes se pueden rediseflar para que produzcan o de la mosca del vinagre, produciendo animales
proteínas de cualquier secuencia que se desee 347 trangénicos 351
Habitualmente las protemas de fusión son de gran utilidad El direccionamiento génico hace posible obtener
para analizar la función proteica 348 ratones transgénicos que carecen de determinados
Los genes normales son fácilmente reemplazables por genes 353
mutantes, tanto en bacterias como en algunos eucariotas Las plantas transgénicas son importantes tanto para la
inferiores 349 biología celular como para la agricultura 355
Genes desarrollados por ingeniería genética pueden Resumen 356
crear mutaciones dominantes específicas en los
organismos diploides 350 BibUografía 356

El núcleo célular
El DNA cromosómko y su empaquetamiento 361 Regiones distintas del mismo cromosoma se replican en
Cada molécula de DNA que forma un cromosoma ha de diferente momento 385
contener un centró mero, dos telómeros y varios orígenes La cromatina muy condensada se replica tardíamente en la fase
de replicación 361 S, mientras que la cromatina activa se replica temprano 386
La mayor parte del DNA cromosómi.co no codifica proteínas Las unidades de replkación tardías coinciden con las bandas
esenciales ni RNA 363 ricas en A-Ten los cromosomas metafásicos 386
Cada gen produce una molécula de RNA 364 El patrón ordenado de activación de los orígenes de
La comparación entre secuencias de DNA de organismos replicación puede contribuir a la memoria de la célula 387
relacionados permite diferenciar entre regiones de DNA Factores unidos a la cromatina aseguran que cada región
de secuencia conservada y no conservada 366 del DNA sólo se replique una vez 388
Las histonas son las principales proteína estructurales A medida que el DNA se replica, se van ensamblando nuevas
en los cromosomas eucariotas 366 histonas en la cromatina 389
La asociación de las histonas con el DNA conduce a Los telómeros son secuencias cortas, repetidas, ricas en G,
la formación de los nucleosomas, las partículas unitarias que se afiaden al extremo de los cromosomas por acción
de la cromatina 367 de la telomerasa 389
La posición de los nucleosomas en el DNA viene determinada Resumen 390
por la tendencia del DNA a formar bucles estrechos y por
la presencia de otras proteínas de unión al DNA 368 Síntesis y procesam1ento del RNA 391
Habitualmente los nucleosomas se empaquetan con la Las RNA polimerasas intercambian subunidades cuando
histona Hl formando estructuras regulares de orden inician cada cadena de RNA 392
superior 369 En las células eucariota , el RNA sintetiza por tres RNA
Resumen 370 polimerasas diferentes 393
La RNA polimerasa 11 transcribe algunas secuencias de
La estructura global de los cromosomas 371 DNA mucho más frecuentemente que otras 393
Los cromosomas plumulados contienen bucle de cromatina Los precursores de los RNA mensajeros son modificados
descondensada 371 covalentemente en sus dos extremos 395
También se pueden apreciar dominios estructurales El procesamiento del RNA elimina largas secuencias
organizados en la cromatina interfásica en los nucleotldicas del interior de las moléculas de RNA 397
cromosomas politénicos 373
Los transcritos hnRNA son inmediatamente recubiertos
Los diferentes dominios de la cromatina de los cromosomas por proteína y snRNP 398
politénicos pueden empaquetarse y desempaquetarse
como una unidad 374 Las secuenc.ias intrónicas se eliminan de las moléculas
de RNA en forma de lazo 400
Es probable que tanto las bandas como las interbandas
de los cromosomas politénicos contengan genes 375 Habitualmente de cada transcrito de RNA se eliminan
muchas secuencias intrónicas 401
La cromatina está meno condensada en las regiones que
son transcripcionalmente activas 376 El estudio de la talasemia revela de qué forma la maduración
del RNA puede permitir que las proteínas evolucionen 402
La cromatina activa es bioqufmicamente diferente 377
Probablemente la maduración del RNA catalizada por el
La beterocromatina está muy condensada y es espliceosoma evolucionó a partir de mecanismos de
transcripcionalmente inactiva 378 automaduración 403
Los cromosomas mitótlcos están formados por cromatina El transporte de los mRNA al citoplasma se retrasa hasta
en su forma más condensada 378 que la maduración se ha completado 404
Cada uno de los cromosomas mitóticos presenta un patrón Los RNA ribosómicos y los RNA de transferencia se sintetizan
característico de grandes dominios estructurales 380 sobre conjuntos de genes idénticos dispuestos en tándem 405
Resumen 381 El nucléolo es w1a máquina productora de ríbosomas 407
Replicación del cromosoma 382 El nucléolo es un subcompartimiento nuclear muy organizado 408
Secuencias específicas de DNA actúan como orígenes Después de cada mitosis, el nucléolo se ensambla de nuevo
de replicación 382 en determinados cromo ornas 409
Un sistema eucariota libre de célula replica el cromosoma Los cromosomas ocupan territorios discretos en el núcleo
de un virus de simio 383 interfásico 410
Los orígenes de replicación de los cromosomas eucariotas ¿Está muy ordenado el núcleo? 411
se activan en grupos 384 Resumen 412

xxii Cndice de materias

Organización y evolución del genoma nuclear 413 Las secuencias de DNA satélite no tienen ninguna función
Los genomas se van ajustando de forma precisa por conocida 420
mutaciones puntuales y se remodelan radicalmente o La evolución de los genomas se ha acelerado
aumentan de tamaño por recombinación genética 413 mediante al menos tres tipos de elementos
Las secuencias repetidas en tándem de DNA tienden a transponibles 421
permanecer inalteradas 414 Los elementos transponibles afectan frecuentemente a
La evolución de la familia de los genes de la globina muestra la regulación génica 422
que las duplicaciones al azar contribuyen a la evolución Las "explosiones de transposición" provocan cambios
de los organismos 415 catastróficos en los genomas e incrementan la diversidad
Los genes que codifican nuevas proteínas se pueden crear biológica 423
mediante la recombinación de exones 417 Aproximadamente un diez por ciento del genoma
La mayoría de las proteínas se han originado probablemente humano consiste en dos familias de elementos
a partir de genes altamente fragmentados 417 transponibles 423
Una fracción mayoritaria del DNA de los eucariotas superiores Resumen 424
está formada por secuencias de nucleótidos repetidas
y no codificantes 419 Bibliografía 424

<;;apítulo
El control de la expresión génica 9
Introducción al control génico 429 La regulación de la transcripción en las células eucariotas es
Los distintos tipos celulares de un organismo pluricelular compleja 449
contienen el mismo DNA 429 Las RNA polin1erasas eucariotas requieren factores de
Distintos tipos celulares sintetizan distintos conjuntos transcripción generales 450
de proteínas 430 Los incrementadores o activadores controlan los genes
Un célula puede cambiar la expresión de sus genes a distancia 451
como respuesta a señales externas 431 Una región de control eucariota está formada po,r un
La expresión génica se puede regular en muchas de las etapas promotor y por las secuencias de DNA reguladoras 452
de la vía que conduce desde el DNA al RNA y a las proteínas 431 Muchas proteínas activadoras aceleran el ensamblaje de
Resumen 432 los factores generales de transcripción 453
Las proteínas represoras pueden inhibir la transcripción
Motivos estructurales de unión a DNA en las proteínas de diferentes formas 454
de regulación génica 432 Las proteínas reguladoras de genes de células eucariotas
Las proteínas de regulación génica se descubrieron frecuentemente se ensamblan formando pequeiios
utilizando técnicas de genética bacteriana 432 complejos sobre el DNA 454
El exterior de la hélice de DNA puede ser leído por proteínas 433 Los complel·os interruptores genéticos que regulan el
La geometría de la doble hélice de DNA depende de la desarrol o de Drosophila están formados por módulos
secuencia de nucleótidos 433 menores 456
Secuencias cortas de DNA son componentes fundamentales El gen eve de Drosophila está regulado por controles
de los interruptores genéticos 435 combinatorios 457
Las proteínas de regulación génica contienen motivos En mamíferos las regiones de control también están formadas
estructurales que pueden leer secuencias de DNA 435 a partir de módulos reguladores sencillos 458
El motivo hélice-giro-hélice es uno de los motivos de unión A su vez, la actividad de una proteína de regulación génica
a DNA más simples y comunes 437 puede estar regulada 459
Las prote[nas de homeodominios son una clase especial de Las bacterias utilizan subunidades intercambiables de la RNA
proteínas hélice-giro-hélice 438 polimerasa para colaborar en el control de la transcripción
génica 460
Existen diferentes tipos de motivos de unión a DNA en forma
de dedos de zinc 439 Los interruptores genéticos han evolucionado
gradualmente 461
Las láminas~ también pueden reconocer el DNA 440
Resumen 461
El motivo cremallera de leucina está implicado tanto en el
reconocimiento del DNA como en la dinierización 440 Estructura de la cromatina y el control de la expresión
El motivo hélice-bucle-hélice también está implicado en génica 462
la dimerización y la unión aJ DNA 442 La transcripción del DNA que está empaquetado en
Aún no es posible predecir la secuencia de DNA que es nucleosomas se puede activar 463
reconocida por una proteína reguladora 442 Algunas formas de la cromatina impiden la transcripción 463
Un ensayo de movilidad en gel permite detectar con gran Antes de que los genes de globina de mamífero puedan
facilidad proteínas que se unen a una secuencia específica transcribirse, puede ser necesaria una etapa de
deDNA 443 descondensación 465
La cromatografía de afinidad de DNA facilita la purificación No se conocen los mecanismos que forman la cromatina
de proteínas de unión a secuencias específicas de ONA 444 activa 466
Resumen 445 La tensión superhellcoidal del DNA permite la acción a
distancia 467
Cómo funcionan los interruptores genéticos 445
Resumen 469
El represor de triptófano es un interruptor simple que
activa y desactíva gene en bacterias 446 Mecanismos genéticos que originan tipos celulares
Los activadores transcripcionales activan los genes 447 especializados 469
Un activador transcripcional y un represor transcripcional Los cambios de fase de las bacterias son provocados
controlan el operón lac 448 por reorganizaciones del DNA 469

Índice de materias xxili

Eln I v duras, algunas protemas r guladoraB dctermlnan Un cambio en I punto de rotura del ttanscrito de RNAy
la id ntidad del tipo celular 470 la adiciórl de poli-A pued cambiar el extremo carbmd lo
Dos proteína fágica que e reprlm n mutuam nt su sínt terminal d una proteína 486
der rminan el tado del ba I rió fago lambel 472 La definición d gen se ha d modificar d bido aJ
La expr ión de una proteína reguladora crlti a pu de descubrimiento de .la m duración ah mativa del RNA 487
disparar la expr tón de un a bm ría de g n ituados El transporto d RNA desd I núcleo pu de er regul do 488
por d ,bajo (en dlr ción 3') 474 Algunos RNA stán localizados en regiones specíftcas d 1
El control génico ombinatorio s la no1ma en lo eucariotas 475 citoplasma 489
e her da un cromo orna X inacrlvo 476 La edición del RNA pued cambiar eJ nddo del men aj
Los g; ne de Drosophila y de I vadura también pueden
delRNA 490
inactlvarse por características h r ditaria d u L s células u ariotas y pro ariotas utiliz n strategia
tructu.ra cromatinica 478 diferent s para especifi ar el lugar de Inicio deJa
traducción en una mol ula de mRNA 492
Cuando las células d vertebrado e dividen, pu den
her dar e.l patrón de metila ión del D A 4 79 La fo forilación de un factor de iniciación regula la íntesi
de proteínas 493
En la lulas de los v rtebrado la metilación d I DNA
refuerza las decisiones del desarrollo 480 as proteína. qu se unen a la región 5' líd r de los mRNA
lntervien n en el c011trol traduccional negativo 494
La acr!vldad genómi a heredabl r quiere m tila ión
d I DNA 481 La xpresión g nica pued lar controlada porvariaclon
d la estabilidad del mRNA
En lo mamCfero , la I la ricas en G están a o ladas
con alrededor de 40 000 genes 482 La degrada Ión electiva d I rnRNA e tá acoplada a la
traducción 496
Resume11 483 El contro l iroplasmático d la longitud d las cadena d
Control po t-trnn crlpcionaJ 484 poli-A pu den afectar tanto la traducción como la
tabilidad d I mRNA 497
La at nuación d In trnnscripci n usa una I rminación
Algunos mRNA ontienen fiale de re onocimiento que
L mprana de algunas moléculas de R A 484
intermmp 11 el proc o normal de .la traducción 498
La maduración alt·ernatlva d I RNA puede produ Ir diferentes s muy probable que las r a clones catolizadas por llNA
forma de prol ína a partir d un mismo gen 484 t ngan un rigen muy antiguo 499
La del. rmlnación d I exo en Dro oµhila dep nde de una Re umen 499
eri de proceso de maduración alternativa regulada
d I RNA 485 B.lbllografía 500

Part
Organización interna de la célula 111
CapiluJp
Estructura de la membrana o
510 La glucoforina travie a la bicapa lipídica d I glóbulo rojo,
Lo lípido de las membranas son molécula anfipádcas formando una hélice a en illa 526
qu espontáneam nte forman bicapas 510 La banda 3 d la membrana celular del rirrocito es una
La bi epa. lipídica es un fluido bidimensional 511 proteína d membrana mullipaso que cataJiza el
cotransporr aniónico 527
La fluid z de una bi apa lipídica d pende de u
compo ición 513 La bactériorr dopsina e una bomba d protones
que atravi a la bicapa n formad i 1e
La bicapa lipídica a imétrica 514 hélices a 528
En la uperficie d todas las membranas plasm ti as Las porinas son proteína traa.smembrana formadoras
hay glucoUpidos 516 de canal s que cruzan la membrana n forma de
Resum 11 517 un barril ll 530
Las proteína d membrana a túan a m nudo como
de membrana 517 grandes complejos 531
Las prot ínas de membrana pu d n estar aso iadas a Muchas prorcfna de membrana difunden en el plano
la bl apa lip{di a de varias man ras 518 de la membrana 531
e con Id era.que, n la mayoría d proteínas La célula pu den confinar II lípidos y a proteínas en
tran membrana, la region d la cadena pollp pádica dominio p cíficos de la membrana 534
que cruzan la bi apa lipídica pr sentan una La superfici celular está re ubierta con residuos
conformación 11 h lice a 519 de azúcar 535
Las prot ínas de m mbrana pu d 11 solubillzar e y Las select'inas son proteínas de membrana que se
purificarse m diante deterg nt 521 unen a carbohidratos d la superfici celular y qu
El lado citoplasm tico de las prot ínas de membrana se median 11dh ion c Ju lar, transitoria en el torr nte
pued e tudiar en ·fantasma "de eritrociro 522 sanguin o 53
La esp trina e una proteína d I cltoesquel to asociada Resumen 538
no ovalencernent, a la cara citoplasmática de la
m ,mbrana d I ritrocito 524 BlbUografía 538

xxiv índice d materia

 C!lpítulo
Transporte de moléculas pequeñas a través de la membrana 11i
y base iónica de la excitabilidad de la membrana
PrlnclpJos de transporte a través de membrana 542 El potencial d membrana de las células animal
Las bicapa Upfclicas Ubres d prote(n on altamente dep nde prlncipalmente d los canal de fuga de K• y del
impermeables a lo iones 542 gradiente d K• a trav de la membrana pla mática 560
Exist n dos clases principale de prot fnas de transporte Cuando se para la bomba de Na' -K+, el potencial de
a través d membrana: proteínas transpon doras reposos sólo deca lentamente 561
y protefn de canal 543 La función d una célula neIViosa dep nde de su
El transporte activo stámedlado por proteína estructura alargada 56;1
transportadoras acop lada a una fuente energética 543 Los canales iónícos regu lados por voltaje on lo
La t enología del DNA recombinan te ha revolucionado r spoosable de lag nerac1ón de pol nciale
1estudio de las proteínas de tran porte a través d acción n célul excitabl elécuicament 565
de membrana 544 La mielinización lncr menta la velocidad y la efl i ncia
pueden utilizar jonóforo como herramientas para d la propag ción d lo pot aciales de acción en las
increm otar la p rmeabilidad de la membranas células n rviosas 567
a determinados iones 545 El registro de zona indica que cada uno de los. canales
Resumen 546 d Na• se abre sigui ndo la I y de.l todo o nada 567
Los canales aLiónicos r gulad por voltaje están
Proteínas transportadoras y transporte activo a través r locionado evolu tlva y estructuralmente 570
de membrana 547
En la inap i quún ica los canales ióni os regulados
La bombas Na• -K• d la membrana plasmática es por cransmi or tran forman ñales química
unaATPasa 548 en señales eléctricas 572
La ATPasa d Na• -K• necesaria para manten r el equilibrio Las sinapsis qulmicas pueden r excitadoras
o mótico y estabilizar el volu rn n elular 550 o inhibidoras 573
Algunas bombas d a 2 ' también son ATPasa unidas a Los receptore de acetllcolina de las uniones
membrana 551 aeuromu ulares on canal catiónicos regulados
Algunas enzimas ligadas a membrana que sim tizan ATP son por transmisor 574
ATPasas d transporte que actúan en sentido opu sto 553 Los canales Jónicos regulados por tran misor son
El transporte activo puedes r impul ado por graclientes la dianas principale de la acción d droga
lónico 553 psi coactiva 575
La proteína de transporte impulsado por Na• d la La transmisión neuromuscular implica la activa ión
membrana plasmática regulan eJ pH cito 6llco 554 ecuencial d al m nos cuatro grupos de canal iónicos
En la célula piteUaJ , la d" rribuci n asim trica r guJado 5n
d prot (nas transportadoras p rmite el transport El polencial po tinápti o prin !pal de w1a neurona
transcelular de solutos 555 r presenta la suma pacial y temporal de mucho
AlgunasATPasas tran portadoras de m mbrana son p queoo potencial ' post ináptico 578
homólogas a las ATPasas transportadora d eucarioras, La im gración neuronal requi r la combinación de al
que participan en la resist ncia a drogas y n la fihros is menos tres tipos de canales de K' dU rentes 580
quíst ica: la superfamilia d transp rtadore ' ABC 555 La pot nciación a largo plazo en el hipocampo d los
Resumen 558 mamfferos depend de la ntrada d az+ a uavés
d canal s r Ceptor NMDA 582
Canales iónlcos y propiedades eléctricas de las membranas 558 Resumen 584
Lo canales ióoicos oo selectivos para el ion y fluctúan entr
srados abiertos y cerrados 559 Bibliografía 585

Cápttulo
Compartimientos intracelulares y clasificación de proteínas 12
La compartimentación de las células uperlor 589 Una seI1ales d localización nuclear dirigen la proteínas
Todas las células eucariota tienen la misma colección nu leares bada el .núcleo 601
básica d orgánulo rodeados de m mbrana 589 Las macromol ulas son tran portada acdvam nte hacia
La r !ación opol6gi a de lo orgánulo rodeados de d ntro y hacia fu ra del núcl o a través de lo poros
membrana puede er inl rpretada n términos nu leare 603
de us orfg nes volutivo 592 La nvoltura nuclear s desorganiza durante la mitosi 604
Las proteínas pueden desplazarse entre compartimientos El transporte rme el núcleo y I citosol puede er
de diferentes maneras 594 regulado vitando I acceso a la maquinaria
Lo p ptido señal y la región eñal determinan el d sllno transportadora 605
celular orrecto d las prot [nas 596 Resumen 606
Las células no pueden construir de novo sus orgánulos
rodeado de membrana: n cesitan informa Ión d 1 mtrnn port de prot ínas aJ Interior d mirocondrJas
propio orgán uJ o 597 y de cloroplastos 607
Resumen 599 La tran locación hacia la matriz mitocondrial d pende
d unas flal típica d la mauiz 607
El tronspor1e de mol.é cula hacia dentro y hacia fuera La translocaclón hacia la matriz mitocondrlal d pende
dclndclco 599 del gradieate electroquímico a trav de la membrana
Lo poro nuclear · atravi an la envoltura nuclear 600 int mayd lahidróli isdeATP 608

Cndlce de materia XXV

Las proteínas mitocond1iales son importadas hacia Una partícula de reconocimiento de señal (SRP) dirige
la matriz mediante un proceso de dos etapas, a través los péptidos señal para el ER a un receptor especifico
de Jugares de contacto que unen las membranas externa de la membrana del ER 623
e interna 609 La translocación a través de la membrana del ER no siempre
Las proteínas son importadas hacia el interior de la matriz requiere que se esté produciendo el crecimiento de la
mitocondrial, en un estado desplegado 610 cadena polipepúdica 623
La unión secuencial de las proteínas importadas a las La cadena polipeptldica pasa a través de un poro acuoso
proteínas mitondriales hsp70 y hsp60 impulsa su en el aparato de translocación 624
translocación y ayuda al plegamiento proteico 611 El péptido señal del ER es eliminado de la mayoría de
El transporte de proteínas al espacio intermembrana proteínas solubles después de la translocación 625
mitocondrial requiere dos señales 611 En las proteínas transmembrana de un solo paso, un péptido
Para dirigir el transporte de proteínas a la membrana señal interno permanece en la bicapa lipídica como una
tilacoidal de los cloropJastos se necesita la participación hélice a que atraviesa la membrana 626
de dos péptidos señal 612 Combinaciones de señales de inicio y de paro de transferencia
Resumen 613 determinan la topología de las proteínas transmembrana
de multipaso 627
Peroxisomas 614 Las cadenas pollpepúdicas translocadas se pliegan y se
Los peroxisomas utilizan el oxígeno molecular y ensamblan en el lumen del ER rugoso 629
el peróxido de hidrógeno para realizar reacciones La mayoría de proteínas sintetizadas en el ER rugoso son
oxidativas 614
gluco Hadas por la adición de un N-oligosacárido común 630
Una corta secuencia señal dirige la importación de Algunas proteínas de membrana, poco después de entrar en
proteínas hacia los peroxisomas 616
el ER, intercambian un cola transmembrana carboxilo
Resumen 616 terminal por un glucosilfosfatidilinositol (GPI) unido
de forma covalente 632
El retículo endoplasmátlco 617
La mayoría de las bicapas lipídicas de membrana son
Los ribosomas adheridos a las membranas definen el ensambladas en el ER 633
ER rugoso 617
Las proteínas de intercambio de fosfolípidos pueden
El ER liso es abundante en algunas células especializadas 618 transportar fosfolfpidos desde el ER a las m.itocondrias
Las regiones lisas del GR pueden separarse de las rugosas y a los perox:isomas 634
mediante centrifugación 620 Resumen 635
Los péptidos sefial fueron descubiertos por primera vez
en proteínas importadas al ER 622 Bibliografía 636

Tráfico vesicular mediante las rutas secretora y endocítica

Transporte desde el ER al complejo de Golgl 642 Una región señal en la cadena polipeptídica proporciona
El complejo de Golgi está formado por una serie la clave para marcar una enzima lisosomal con la manosa
de compartimientos ordenados 643 6-fosfato 659
Las proteínas residentes en el ER son selectivamente Los defectos en la GlcNAc-fosfotransferasa causan una
recuperadas de la red del cis Golgi 644 enfermedad de acúmulo lisosomal en humanos 659
Las proteínas del Golgi vuelven al ER cuando las células Resumen 660
se tratan con la droga brefeldina A 645
Transporte desde la membrana plasmática vía endosomas:
En el complejo de Golgi se procesan las cadenas de endocitosis 661
oligosacárido 646
Células fagocíticas especializadas pueden ingerir
Las cisternas del Golgi están organizadas en forma de series grandes partículas 661
secuenciales de compartimientos de procesamiento 647
Las vesículas de pinocitosis se forman en la membrana
Los proteoglucanos son ensamblados en el complejo plasmática a partir de depresiones revestidas 662
~Gclgi 649
Las depresiones revestidas de clatrina pueden actuar como un
Los carbohidnuos de las membranas celulares se encuentran mecanismo concentrador internalizando macromoléculas
en la cara de la membrana que es topológicamente extracelulares específicas 663
equivalente al exterior de la células 650
Las células importan colesterol por endocitosis mediada por
¿Cuál es el propósito de la g)ucosiJación? 650 receptor 664
Resumen 652 El material endocitado termina frecuentemente en los lisosomas 665
Transporte desde la red del tra11s Golgi a los lisosomas 652 Determinadas proteínas son recuperadas de los endosomas
tempranos y devueltas a la membrana plasmática 666
Los liso somas son el lugar principal de digestión intracelular 652
La relación entre endosomas tempranos y tardfos es incierta 668
Los liso somas son heterogéneos 654
Las macro moléculas pueden ser tra,nsferidas a través de las
Las vacuolas de las plantas y de los hongos son lisosomas láminas de células epiteliales mediante transcitosis 668
muy versátiles 654
Las células epiteliales tienen dos compartimientos
Los materiales son transportados hasta los lisosomas a endosomaJes tempranos distintos pero un solo
través de varias rutas 656 compartimiento endosomal tardío común 669
Algunas proteínas citosólicas son transportadas Resumen 669
directamente a los lisosomas para ser degradadas 656
Las enzimas lisosomales son clasificadas en la red del Transporte desde la red del t,-a.11s Golgl hasta la superlic.ie
trans Golgi por un receptor proteico unido a membral.la celular: exocltosls 670
que reconoce la manosa 6-fosfato 657 Parece que muchas proteínas y lfpidos son transportados
El receptor de manosa 6-fosfato viaja como una lanzadera, automáticamente desde el ER y el complejo de Golgi a
adelante y atrás, entre determinadas membranas 658 la superficie celular 670

xx:vi índice de materias

Las vesículas de secreción emergen por gemación desde la El en amblaje del revestimiento de clatrina conduce a
red del trans Golgi 671 la formación de la vesícula 680
A menudo las proteínas son procesadas proteolfticamente Las adaptinas reconocen proteínas transmembrana
durante la formación de las vesículas de secreción 672 específicas y las unen al revestimiento de clatrina 684
Las vesículas de secreción permanecen cerca de la Las vesículas revestidas de coatómero median el transporte
membrana plasmática hasta que una señal les hace vesicular no selectivo 685
liberar su contenido 673 El transporte vesicular depende de proteínas reguladoras
La exocitosis regulada es una respuesta localizada de la queunenGTP 686
membrana plasmática y del citoplasma subyacente 674 Parece que ARF señaliza el ensamblaje y el desensamblaje
Los componentes de la membrana de las vesículas de del revestimiento de coatómero 686
secreción se reciclan 674 Marcadores proteícos de orgánulo, llamados
Las vesículas sinápticas se forman a partir de los endosomas 675 SNARE, colaboran en la dirección del transporte
Las células polarizadas dirigen las proteínas desde la red de vesículas 687
del trans Golf hasta el dominio apropiado de la Se cree que las proteínas Rab aseguran la especificidad de
membrana p asmática 675 la unión de las vesículas 688
Resumen 677 La fusión de vesículas está cataUzada por una "maquinaria
de fusión de membrana" 689
Mecanismos moleculares del transporte vesicular y La protelna de fusión de membrana mejor caracterizada
mantenimiento de la diversidad de compartimientos 678 está sintetizada por un virus 690
El mantenimiento de las diferencias entre compartimientos Resumen 691
requiere un aporte de energía libre 678
Existe más de un tipo de vesículas revestidas 679 Bibliografía 692

Capítulo
Conversión energética: mitocondrias y cloroplastos 14
La rnitocondrla 699 En la citocromo oxidasa, un centro de hierro-cobre cata.liza
La mitocondria presenta una membrana externa y una de forma eficiente la reducción del 0 2 723
membrana interna que define do compartimientos internos 700 Las transferencias de electrones están mediadas por
La oxidación rnitocondrial empieza cuando se generan colisiones aleatorias que se producen entre los dadores
grandes cantidades de acetil CoA a partir de pituvato y los acepto es que difunden en la membrana
y de ácidos grasos en el espacio de la matriz 702 rnitocondri inter a 725
El ciclo del ácido cítrico oxida el grupo acetilo del acetil CoA, Una gran caída tendal redox a través de cada uno de
generando NADH y FADH 2 para la cadena respiratoria 705 los tres complejos enzimáticos respiratorios aporta
energía para el bombeo de H• 725
En la membrana mltocondrial interna, U11 proceso
quimiosmótico convierte la energía de oxidación en ATP 706 El mecanismo del bombeo de H• se conoce mejor en
bacteriorrodopsina 726
Los electrones son transferidos desde el NADH hasta el
oxígeno, a través de tres grandes complejos enzimáticos Los ionóforos de H• disipan el gradiente de H•,
respiratorio 708 desacoplando así el transporte de electrones de la
síntesis deATP 727
La energía liberada por el paso de los electrones a lo largo
de la cadena respiratoria se almacena en forma de gradiente Normalmente el control respiratorio restringe el flujo de
electroquímico de protones a través de la membrana electrones a través de la cadena 728
rnitocondrial interna 710 Existen desacoplantes naturales que transforman las
La energía almacenada en el gradiente electroquímico de rnitocondrias del tejido adiposo marrón en máquinas
protones se utiliza para producir ATP y para transportar generadoras de calor 728
metabolitos e iones inorgánicos hacia el espacio Todas las bacterias utilizan mecanismo quirniosmóticos
de la matriz 710 para ahorrar energía 729
La rápida conversión de ADP en ATP en las rnitocondrias Resumen 730
mantiene una elevada relación ATP-ADP en las células 711
La diferencia entre óO' y 6.G: para que la hidrólisis de ATP Cloroplastos y fotosíntesis 730
sea útil para la célula es necesario que tenga un valor muy El cloroplasto es un miembro de una familia de orgánulos
negativo de 6.G 712 exclusivos de las plantas - los plastidios 731
La respiración celular es notablemente eficiente 716 Los cloroplastos se parecen a las mitocondrias, pero tienen
~umrn 7IB un compartimiento adicional 733
Dos reacciones características de los cloroplastos:
La cadena respiratoria y la ATP sin tasa 717 la producción de ATP y de NADPH, impulsada por
A partir de las mitocondrias se pueden aislar partículas la luz, y la conversión de C0 2 en carbohidratos 733
invertidas funcionales 717 La fijación del carbono está catalizada por la ribulosa
La ATP sin tasa puede ser purificada y de nuevo incorporada bisfosfato carboxilasa 734
alas membranas 717 En el ciclo de fijación del carbono se consumen tres
La ATP sintasa puede funcionar de manera reversible, moléculas de ATP y dos moléculas de NADPH por
hidrolizando ATP y bombeando H• 719 cada molécula de C0 2 fijada 735
La cadena respiratoria bombea H• a través de la En algunas plantas, la fijación del carbono está
membrana mitocondrial interna 720 compartimentada para facilitar el crecimiento a
Se han utilizado métodos espectroscópicos para identificar concentraciones bajas de C0 2 736
muchos transportadores de electrones de la cadena La fotosíntesis depende de la fotoqufrnica de las moléculas
respiratoria 720 de clorofila 737
La cadena respiratoria contiene tres grandes complejos Un fotosistema contiene un centro de reacción y un
enzimáticos incluidos en la membrana 721 complejo antena 738

indice de materias xxvii

En un centro de reacción, la energía capturada por la El crecimiento y la división de lo orgánulos mantiene
clorofila genera un dador fuerte de electrones a partir el número de mitocondrias y de cloroplastos en la célula 752
de uno débil 739 Generalmente los genomas de los cloroplastos y de las
En plantas y en cianobacterías, la fotofosforilación no mitocondrias son moléculas de DNA circulares 753
cíclica produce NADPH y ATP 740 Las mitocondrias y los cloroplastos contienen sistemas
Los cloroplastos pueden producir ATP por fotofosforilación genéticos completos 754
cíclica sin generar NADPH 742 El genoma del cloroplasto de las plantas superiores contiene
El gradiente electroquímico de protones es similar en aproximadamente 120 genes 755
las mitocondrias y los cloroplastos 742 Los genomas rnitocondriales presentan varias características
Como la membrana mitocondrial interna, la membrana sorprendentes 756
interna del cloroplasto contiene proteínas Las rnitocondrias de anímale contienen el sistema genético
transportadoras que facilitan el intercambio de más simple de los conocidos 757
metabolitos con el citosol 743 ¿Por qué los genomas mitocondriales en las plantas son
Los cloroplastos llevan a cabo otros procesos biosintético 743 tan grandes? 758
Resumen 743 Algunos genes de orgánulos contienen intrones 758
Los genes mitocondriales se pueden distinguir de los genes
Evolución de las cadenas de transporte de electrones 744 nucleares gracias a su herencia no mendeUana
Probablemente las células más primitivas producían (cito plasmática) 759
ATP mediante fermentación 744 En muchos organismos, los genes de los orgánulos se heredan
La evolución de la cadena de transporte electrónico de la madre 760
conservadora de energía capacitó a las bacterias Los mutantes diminutos en levadura demuestran la
anaeróbicas para utilizar compuestos orgánicos extraordinaria importancia del núcleo celular en
no fermentables como fuente de energía 744 la biogénesis mitocondrial 761
Las bacterias fotosintéticas, suministrando una fuente Las mitocondrias y los cloroplastos contienen proteínas
inagotable de poder reductor, superaron el mayor específicas de tejido 762
obstáculo de la evolución de las células 746 Las mitocondrias importan la mayor parte de sus lípidos
Las cadena de transporte electrónico de los complejos mientras que los cloroplastos producen la mayor parte
foto intéticos de las cianobacterias produjeron oxígeno de ellos 762
atmosférico y permitieron nuevas formas de vida 748 Probablemente, tanto las mitocondrias como los cloroplastos
Resumen 750 han evolucionado a partir de bacterias endosimbióticas 762
¿Por qué lqs cloroplastos y las mitocondrias tienen sus
Los genomas de las mitocondrlas y de los cloroplastos 751 propio~as genéticos? 764
La biosfntesis de las mitocondrias y de los cloroplastos Resumen 765
supone la contribución de dos sistemas genéticos
diferentes 751 Bibliografía 766

Capíudo
Transmisión de señales entre células 15
Principios generales de la señalización celular 771 Seiíalización vía receptores de superficie celular asociados
Las moléculas señal extracelulares son reconocidas por a proteínas G 786
receptores específicos de la superficie o del interior las proteínas G triméricas transmiten la señal intracelular
de las células diana 772 desde los receptores asociados a proteínas G 786
Las moléculas secretadas median tres formas de sefialización: Algunos receptores incrementan los niveles intracelulares
la paracrina, la sináptica y la endocrina 773 de AMP cíclico activando la adenil cíclasa a través de una
La señalización autocrina puede coordinar decisiones proteína G estimuladora {G5) 787
de grupos de células idénticas 774 Se cree que las proteínas G triméricas se desensamblan
Las uniones comunicantes permiten que la información cuando son activadas 788
de señalización sea compartida por las células vecinas 776 Algunos receptores disminuyen los niveles de AMP cíclico
Cada célula está programada para responder a combinaciones inhibiendo la adenil ciclasa vía una proteína G trimérica
específicas de moléculas señal 776 inhibidora (G;) 791
Diferentes células pueden responder de forma diferente La proteína quinasa dependiente de AMP cíclico (quinasa AJ
a la misma señal química 777 media los efectos del AMP cíclico 791
La concentración de una molécula puede ajustarse Diversas proteína serina/treonina fosfatasas revierten
rápidamente sólo si la vida media de la molécula es corta 777 rápidamente los efectos de la qui nasa A 793
El gas óxido rútrico actúa como una señal, uniéndose Para utilizar el caz• como señal intracelular, las células
directamente a una enzima en el interior de la célula han de mantener los niveles basales de caz+
diana 779 muy bajos 794
Las hormonas esteroideas, las hormonas tiroídeas, El Ca2• actúa como un mensajero intracelular ubicuo 795
los retinoides y la vitamina D se unen a receptores Algunos receptores relacionados con proteínas G activan
intracelulares que son proteínas reguladoras el proceso de señalización de fosfolípidos de inositol
de genes activadas por ligando 779
activando la fosfolipasa C-j3 796
Se conocen tres clases de proteínas receptoras de superficie El inositol trisfosfato (IP 3) acopla la activación del receptor
celular: las asociadas a canales iónicos, las a ociadas
a proteínas G y las asociadas a enzimas 782 con la liberación de Ca2• del R 797
Los receptores de superficie celular, una vez activados, A menudo las oscilaciones de Ca2 • prolongan la respuesta
desencadenan la adición de grupos fosfato a una red de inicial de Ca2• inducida por IP 3 798
proteínas intracelulares 783 El diacilglicerol activa la proteína quinasa C (quinasa C) 799
Resumen 784 La calmodulina es un receptor intracelular de Ca2• ubicuo 801

xxvüi fndice de materias

En las células animales la mayoría de acciones del Ca2' La utilización de oncogenes que provocan cáncer ha
se producen a través de proteína quina as dependientes permitido identificar muchos componentes del proceso
de Ca2•-calmodulina (quinasas CaM) 802 de señalización de los receptores ti.rosina g_uinasa 822
Los procesos de Ca'• y de AMP cíclico interaccionan entre sf 803 Las proteúrns de la superfamiJia TGF-~ activan receptores
Algunas proteínas G triméricas regulan directamente canales que son proteína serinaltreonina quinasas 823
iónicos 804 El receptor transmembrana Notcb media la inhibición lateral
La olfacción y la visión dependen de receptores asociados a mediante un mecanismo desconocido 823
proteínas C y de canales iónicos regulados por nucleótidos Resumen 824
cíclicos 805
Las señales extracelulares son notablemente amplificadas Adaptación de las células diana 825
mediante la utilización de mensajeros intracelulares y La adaptación lenta depende de la regulación por
de cascadas enzimáticas 807 disminución del número de receptores 825
Las células pueden responder de forma súbita a incrementos A menudo la adaptación rápida se produce por fosforilación
graduales de la concentración de una señal extracelular 808 de los receptores 826
El efecto de algunas señales puede ser recordado por la célula 81 l Alguna formas de adaptación son debidas a cambios en
Resumen 811 el proceso de señalización 827
La adaptación desempefla un papel crucial en la quimiotaxis
Señalización vía receptores de superficie celular asociados bacteriana 827
a enzimas 812 La quimiotaxis bacteriana está mediada por una familia de
los receptores guanilato ciclasa generan GMP cíclico cuatro receptores rransmembrana homólogos y por un
directamente 812 sistema de fosforilación que transmite la señal 830
Los receptores para la mayoría de los factores de crecimiento En la quimiotaxis bacteriana, la roetilación del receptor es
son proteínas transmembrana que presentan actividad responsable de la adaptación 831
proteína tirosina quinasa específica 813 Resumen 833
Los residuos tirosina fosforilados son reconocidos por
proteínas con dominios HZ 815 La lógica de la sefializaclón intracelular: lecciones de
Las proteínas Ras constituyen un eslabón crucial en la "redes neuronales" basadas en los ordenadores 833
cascada intracelular de sefialización activada por Las redes neuronales basadas en el ordenador pueden ser
receptare proteína quinasa 816 entrenadas 834
Una proteína SH adapatadora acopla los receptores Las redes de señalización celular pueden observarse como
tirosina quinasa con Ras: evidencias que provienen redes neuronales entrenadas por la evolución 835
del desarrollo del ojo de Drosophila 817 Las redes de señalización capacitan a las células para
Ras activa una cascada de fosforilaciones serina/treonina responder a complejos patrones de señales extracelulares 836
que activa la MAP-quinasa 818 Las redes señal son robustas 11 837
La actividad de los receptores asociados a tiros in a qui nasa Resumen ~ 837
depende de tirosina quinasas que no son receptores 820
Algunos receptores son proteína tirosi11a fosfatasas 821 Bibliografía 838

Capfü1lo
El citoesqueleto 16
La naturaleza del citoesqueleto 844 Microtúbulos 860
El citoplasma de una célula eucariota está organizado los microtúbulos son cilindros huecos formados por
espacialmente por los filamentos de actina, tubulina 860
los microtúbulos y los filamentos intermedios 844 Los microtúbulos son estructuras muy lábiles, sensibles
La dinámica de los microtúbulos emana del centro soma 844 a drogas antimitóticas específicas 861
La1ed microtubular puede encontrar el centro de la célula 846 El alargamiento de un microtúbulo es un proceso rápido,
Determinadas proteínas motoras utilizan la red microtubular mientras que la nucleación de un nuevo microtúbulo
como guia para posicionar los orgánulos rodeados de es un proceso lento 862
membrana 848 Lós dos extremos de un microtúbulo son diferentes y
El córtex de actina puede generar y mantener la polaridad crecen a velocidades diferentes 863
celular 849 Los centrosomas son el lugar primario de nucleación
Normalmente los filamentos de actina y los microtúbulos de los microtúbulos en las células animales 864
actúan juntos polarizando la célula 850 En las células animales los microtúbulos se despolimerizan
Las funciones del citoesqueleto son difíciles de estudiar 851 y repolimerízan continuamente 866
Resumen 852 La hidrólisis de GTP puede explicar la inestabilidad
dinámica de los rnicrotúbulos individuales 867
Filamentos intermedios 852 La inestabilidad dinámica de los microtúbulos
Los filamentos intermedios son polímeros de proteínas proporciona un principio organizador para la
fibrosas 853 morfogénesis celular 868
Las células epiteliales presentan una familia muy diversa Los microtúbulos sufren una lenta "maduración" como
de filamento de queratina 854 resultado de modificaciones post-traduccionales de
Mucha células no epiteliales presentan sus propios us subunidades de tubulina 869
filamentos intermedios citoplasmáticos diferenciale 856 Las proteínas asociadas a microtúbulos (MAP) se unen
La lámina nuclear está constituida por un tipo especial a los microtúbulos y modifican sus propiedades 870
de proteínas de filamentos intei-medios: las lamininas 857 Las MAP colaboran en la generación de regiones
Los filamentos intermedios proporcionan estabilidad citoplasmáticas funcionalmente distintas 870
mecánica a las células animales 858 La quinesina y la dinefna dirigen el movimiento de
Resumen 860 los orgánulos a lo largo de los rnicrotúbulos 871

fndice de materias xxix

La velocidad y la dirección de desplazamiento a lo largo de Proteínas de entrecruzamiento con diferentes propiedades
los microtúbulos son específicas del dominio globular organizan ensamblajes particulares de actina 895
de las proteínas motoras 872 Las proteínas de unión a la actina con propiedades diferentes
Resumen 873 están construidas a partir de módulos semejantes 897
La gelsolina, cuando se activa por Ca 2•, fragmenta los
Cilios y centrfolos 874 filamentos de actina 897
Los cilios se mueven por el batido de un ax:onema En las células euca.riotas se han encontrado múltiples
-un complejo haz de microtúbulos 874 tipos de miosina 898
La dlneína dirige el movimiento de los cilios y de los flagelos 876 En células no musculares pueden formarse transitoriamente
Cilios y flagelos crecen a partir de corpúsculos basales que ensamblajes semejantes a los musculares 900
están muy íntimamente relacionados con los centrfolos 877 Los contactos focales permiten que los filamentos de actina
Los centrfolos suelen aparecer por duplicación de los se extiendan hacia el substrato 902
centrfolos preexistentes 878 Los microvilli ilustran de qué forma los haces de filamentos
Resumen 879 entrecruzados de actina pueden estabilizar zonas locales
de la membrana plasmática 902
Filamentos de acdna 880 El comportamienro de la corteza celular depende de un
Los filamentos de actina.son delgados y flexibles 880 equilibrio de interacciones cooperativas y competitivas
La actina y la tubulina polimerízan por mecanismos entre una gran colección de proteínas de unión a la actina 904
parecidos 880 La migración de las células animales comporta tres
El comportamiento dinámico de los filamentos de actina subprocesos distintos dependientes de actina 906
requiere la hidrólisis del ATP 884 El mecanismo de la locomoción celular puede ser
Las funciones de los filamentos de actina son inhibidas por diseccionado genéticamente 907
drogas estabilizadoras y desestabilizadoras del polímero 885 Resumen 908
La molécula de actina se une a pequeflas proteínas que
ayudan a controlar su polimerización 885 El músculo 908
M.'-1..d'-= c:.~l\ll.= <i.ro.\1:.1!."-\., d<!.sd<!. 'i,'-1.. bCl>~d,¿, ~Cl>"-\.tal d.<1. a'1aR<:.<!. , Las miofibirillas están formadas por ensamblajes repetitivos
microespinas y lamelipodios dinámicos que contienen de filamentos gruesos y delgad.os 'lill'tl
actina 887 La contracción se produce por el desllzamiento de los
El borde frontal de avance de las células móviles nuclea filamentos de miosina y de actina entre sí 910
la polimerización de la actina 888 Las cabezas de miosina "caminan" hacía el extremo menos
Algunas bacterias patógenas utilizan la actina para moverse de los filamentos de actina 913
dentro y entre las células 889 La contracción muscular se inicia por un aumento repentino
La polimerización de la actina en el córtex celular está de la concentración de Ca2• citosólico 915
controlada por receptores de la superficie celular 890 La -u:oponina y la tropomiosina median la regulación de la
Proteínas G heterotriméricas y pequ~as GTPasas transmiten contracción del músculo esquelético por el Ca2• 916
señales desde la superficie celul;fr al córtex de actina 892 Otras proteínas accesorias maJJtienen la arquitectura de la
Los mecanismos de polarización ce~ueden ser miofibrílla y Je proporcionan su elasticidad 916
analizados en las células de levadura 893 La misma maquinaria contráctil, en una forma modificada, se
Resumen 894 encuentra en el músculo cardíaco y en el músculo liso 917
En muchas células, la activación de la miosina depende de la
Proteínas de unión a la actlna 894 fosforilación de la cadena ligera de la miosina 918
Un citoesqueleto unido de manera sencilla a la membrana Resumen 920
proporciona soporte mecánico a la membrana plasmática
de los eritrocitos 894 Bibliografía 920 -

El ciclo de la división celular

La estrategia general del ciclo celular 926 La acumulación y la destrucción de ciclina controla la
La replicación del DNA nuclear ocurre durante una fase activación y la inactivación de MPF 937
específica de la interfase: la fase S 927 La degradación de la ciclina desencadena la salida de la
Paralelamente al crecimiento continuo de la célula, mitosis 939
durap.te el ciclo celular se producen una serie de El MPF puede actuar como autocatalitico, estimulando
procesos discretos 929 su propia activación 939
Un sistema de control central desencadena los procesos El MPF activo induce los procesos subordinados de la mitosis 939
esenciales del ciclo celular 929 El sistema de control del cicio celular permite tiempo suficiente
El control del ciclo celular es un mecanismo basado en para que se produzca una ronda de replicación del
una proteína quinasa 931 DNA en cada interfase 940
Resumen 933 Un bloqueo de la re -replicación asegura que ningún segmento
de DNA se replique más de una vez en cada ciclo celular 941
El ciclo celular de los embriones tempranos y la función El paso por la mitosis hace desaparecer el bloqueo a las
delMPF 933 re -replicaciones 941
El crecimiento del oocito de Xenopus está equilibrado Resumen 943
por la división del huevo 934
Un regulador citoplasmático, el MPF, controla la entrada Las levaduras y la genética molecular del sistema de
en la mitosis 935 control del ciclo celular 943
Las oscilaciones de la actividad MPF controlan el ciclo El crecimiento celular requiere una interfase prolongada
de división celular 936 con puntos de control del ciclo celular 944

XXX índice de materias

Las levaduras de fisión y de gemación cambian de forma a La regulación del crecimiento y de la proliferación de
medida que van progresando a lo largo del ciclo celular 945 las células de mamífero se estudia normalmente en
Las mutaciones del ciclo de división celular detienen el ciclo líneas celulares cultivadas 957
en puntos específicos; las mutaciones wée permiten al ciclo Los factores de crecimiento estimulan la proliferación
saltarse un punto de control de tamafio 945 de células de mamífero 957
Las su bunidades del MPF en las levaduras son homólogas El crecimíento celular y la división celular pueden ser
a las delMPF en animales 947 regulados independientemente 959
La actividad del MPF está regulada por fosforilación y Las células pueden retrasar su división entrando en un estado
desfosforilación 948 especializado de no-crecimiento 960
El meca¡i_ismo de activación del JIJPF controla el tamafio La ausencia de suero evita el paso por el punto de control G1 961
de las levaduras de fisión 948 El sistema de control del ciclo celular puede desensamblarse
Para la mayoría de las células el punto de control principal rápidamente pero sólo puede ensamblarse de nuevo,
del ciclo celular se encuentra en el Inicio de G1 949 lentamente 962
La proteína Cdc2 se asocia con la ciclina G1 para conducir Las células vecinas compiten por los factores de crecimiento 963
a la célula más allá del Inicio 949 Las células animales normales en cultivo necesitan anclarse
Las ciclinas G1 median muchos de los controles que actúan para superar el Inicio 964
en el Inicio 951 Estudios en células cancerosas revelan la existencia de genes
La quinasa de Inicio pone en marcha la fabricación de los implicados en el control de la prnliferación celular 966
componentes necesarios para la replicación del DNA 952 Los factores de crecimiento desencadenan cascadas
Los controles por retroalimentación aseguran que las células de seflales intracelulares 967
completen un proceso de ciclo celular antes de comenzar Las ciclinas y la Cdk son inducidas por factores de crecimiento
el siguiente 952 tras un largo retraso 968
El DNA dafiado genera una señal que retrasa la mitosis 953 La proteína ret:inoblastoma actúa manteniendo la
Generalmente los controles pot retroalimentación en el proliferación bajo control 968
ciclo celular dependen pe seiíales inhibidoras 954 La probabilidad de entrar en G0 aumenta con el número
Resumen. \ 955 de divisiones celulares: la enescencia celular 969
El cuerpo se genera y se mantiene mediante complicados
Controles de la división celular en los animales patrones reguladores de la división celular 971
pluricelulares 955 Resumen 972
El sistema de control del ciclo celular es más elaborado
que el de las leva<;luras 956 Bibliografía 973

Capítulo
Los mecanismos de la división celular 18
Visión de conjunto de la fase M 977 Las cromátídas hermanas se separan repentinamente
Tres características son exclusivas de la fase M: en la anafase 995
la condensación cromosómica, el huso mitótico La anafase se retrasa hasta que todos los cromosomas se
y el anillo contráctil 977 posicionan en la placa metafásica 996
La división celular depende de la _d uplicación del centrosoma 978 Dos procesos diferentes separan las cromátidas en la
Tradicionalmente la fase M se (;llvide en seis estadios 980 anafase 996
Los orgánulos citoplasmáticos grandes se fragmenran durante El desensamblaje de los microtúbulos cinetocóricos se
la fase M asegurando que se heredan correctamente 984 produce durante la anafase A 996
Resumen 985 Dos fuerzas distintas podrían contribuir a la anafase B 998
En la telofase se recompone la envoltura nuclear alrededor
Mitosis 985 de los grupos de cromosomas 999
La formación del huso mitótico en una célula en fase M Resumen 1000
se acompafia de cambios sorprendentes en las propiedades
dinámicas de los microtúbulos 986 Citoclnesls 1001
Las interacciones entre microtúbulos orientados en El huso mitótico determina el lugar de la segmentación del
direcciones opuestas conducen el ensamblaje del huso 986 citoplasma durante la citocinesis 1001
Los cromosomas replicados se unen a los microtúbulos por El huso se reposiciona específicamente creando divisiones
sus cinetocoros 988 celulares asimétricas 1002
En los cromosomas de la levadura los complejos proteicos La actina yla miosina generan las fuerzas necesarias para la
cinetocóricos se ensamblan siguiendo secuencias segmentación 1003
específicas de DNA centromérico 989
En casos especiales, determinados componentes celulares se
Los clnetocoros capturan los microtúbulos nucleados en pueden segregar a una sola célula hija 1005
los polos del huso 990
En las células de las plantas superiores, la citocinesis ocurre
Los extremos "más" de los microtúbulos cloetocóricos pueden mediante un mecanismo especial 1006
afiad.ir y perder subunidades de tubulina mientras están
adh eridos al cinetocoro 991 Una red de citoesqueleto determina el plano de división
de las células vegetales 1007
Los polos del huso repelen los cromosomas 991
La elaborada fase M de los organismos superiores
Las cromátidas hijas se unen a polos opuestos del huso evolucionó gradualmente a partir de organismos
mediante sus cinetocoros 992 procariotas de fisión 1009
Fuerzas bipolares equilibradas mantienen a los cromosomas Resumen 1011
en la placa metafásica 992
Los microtúbulos son dinámicos en el huso metafásico 993 Bibliografía 1011

fndice de materias xxxi

 -
Las células en su contexto social

Capituló i
Adhesión celular, uniones celulares y matriz extracelular l& .
Uniones celulares 1018 Los proteoglucanos de superficie celular actúan como
Las uniones estancas forman una barrera de permeabilidad correceptores 1048
selectiva a través de los epitelios 1019 Las colágenas son las proteínas más abundantes de la
Las uniones de anclaje conectan el citoesqueleto entre matriz extrnceluJar 1048
células o entre la célula y la matriz extra.celular 102) Las moléculas de colágena son secretadas con unas
Las uniones adherentes conectan haces de fibras extensiones no helicoidales en cada una de las regiones
de actina entre células o entre la célula y la matriz terminales 1051
extracel.ular 1022 Después de su secreción, las moléculas fibrilares de
Los desmosomas conectan filamentos intermedios procolágena son degradadas hasta moléculas
entre células; los hemidesmosomas los unen a de colágena, las cuales se organizan en fibrillas 1052
la lámina basal 1024 Las colágenas asociadas a fibrillas organizan estas fibrillas 1053
Las uniones de tipo gap tmliten el paso directo de Las células participan de la organización de las fibras de
pequeñas moléculas e ~lulas 1026 colágena que secretan ejerciendo tensiones mecánicas
Los conexones de las uniones de tipo gap están compuestos sobre la matriz 1054
por seJs subunidades 1027 La elastina confiere a los tejidos su elasticidad 1055
La mayor parte de las células embrionarias están acopladas La fibronectina es Wl proteína extra.celular adhesiva que
entre sí durante las primeras etapas del desarrollo contríbuye a la adhesión de la célula a la matriz 1057
mediante uniones de tipo gap 1028 Las diversas formas de fibronectina son producto de una
La pe1meabilldad de las uniones de tipo gap está regulada 1029 maduración alternativa del RNA 1058
En los vegetales, los plasmodesmos realizan muchas Las glucoproteínas de la matriz ayudan a determinar
de las funciones de las uniones de tipo gap 1030 las vías de nligración celular 1059
Resumen 103] Las moléculas de colágena de tipo IV se ensamblan
formando una red laminar que facilita la formación
Adhesión iotercelular 1032 de la lámina basal 1059
Existen dos vías fundamentales mectiante las cuales las a lámina basal está compuesta fundamentalmente por
células animales se unen para formar tejidos 1032 colágena de tipo IV, proteoglucanos del tipo heparán
Las células de vertebrados disociadas pueden reagregarse sulfato, laminlna y entactina 1060
en tejidos organizados mediante mecanismos de adhesión Las láminas basales realizan diversas y complejas funciones 1062
selectiva célula-célula 1033 La degradación de los componentes de la matriz exti:acelular
Las cadherinas median la unión célula-célula dependiente está estrechamente contra.lada 1065
de Ca2• en los vertebrados 1035 Resumen 1066
Las cadherinas median la adhesión célula-célula a través
de un mecanismo homofilico 1036 Receptores de la matriz extracelular en células animales:
La adhesión intercelular ihdependiente de Ca2• está mediada las in tegrinas 1067
principalmente por unas proteínas pertenecientes a la Las integrínas son heterodímeros tra.nsmembrana 1068
superfamilia de las inmunoglob ulinas 1037 Las integrina pueden interaccionar con el citoesqueleto
Muchos tipos de moléculas de superficie celular para unir las células a la matriz extra.celular 1069
actúan paralelamente mediando la adhesión selectiva Las integrinas permiten al citoesqueleto y a la matriz
célula-célula y célula-matriz 1038 extracelular comunicarse a través de la membrana
Los contactos no adhesivos pueden ser los iniciadores plasmática 106\1
de fenómenos de adhesión intercelular específicos de Las células pueden regular la actividad de sus integrinas 1070
tejido que posteriormente son orientados y estabilizados Las integrinas pueden activar cascadas de sefi.alización
por contactos de unión 1040 intracelular 1071
Re.sumen 1041 Resumen 1072
La matriz extracelular de los animales 1041
La pared celular de los vegetales 1073
La matriz extracelular está producida y orientada por las La composición de la pared celular depende del tipo
células que engloba 1042 celular 1073
Las ca~epas de glucosaminoglucano (GAGJ ocupan grandes Las fuerzas de tensión de las paredes celulares permiten
volumenes, formando geles hidratados 1043 a las células vegetales desarrollar wia presión
Parece que el ácido hialurónico facilita la migración de turgencia 1074
celular durante la morfogénesis y la reparación La pared celular está constituida por microfibrillas de
de los tejidos 1044 celulosa entr~tejidas con una red de polisacáridos
Los proteoglucanos están compuestos por cadenas de y proteínas 1074
GAG unidas covalentemente a una proteína central 1045 Los microtúbulos orientan la deposición de la pared
Las cadenas de proteoglucanos pueden regular las celular 1076
actividades de moléculas secretadas de seflalización 1046 Resumen 1078
Las cadenas de GAG pueden estar altan1ente organizadas
en la matriz extracelular 1047 Bibliografía 1079

xxxii fndice de materias

 ' Capítulo
Células germinales y fecundación 20 ,

Las ventajas del sexo 1083 Un oocito está altamente especializado para su desarrollo
En los animales pluricelulares, la fase diploide es compleja independiente, presentando grandes reservas nutritivas
y larga mientras que la haploide es sencilla y corta 1084 y una compleja cubierta protectora 1094
'La reproducción sexual confiere una ventaja competitiva Los oocitos se desarrollan por etapas 1095
a los organismos que se encuenti-an en un ambiente Los oocitos crecen hasta alcanzar su gran tamaño por
que cambia de forma imprevisible 1085 medio de mecanismos especiales 1097
Resumen 1086 Resumen 1099
Meiosls 1086 Espermatozoides 1099
La meiosis implica dos divisiones nucleares en lugar Los espermatozoides están altamente adaptados para
de una sola 1086 depositar su DNA en un oocito 1099
La redistribución génica aumenta debido al En muchas especies de mamíferos los espermatozoides
entrecruzamiento entre las cromátidas homólogas se producen de manera continua 1100
no hermanas 1088 Resumen 1103
El apareamiento meiótico cromosómico culmina con
la formación del complejo sinaptonémico 1089 Fecundación 1103
Se cree que .los nódu los de recombinación median los El contacto con la cubierta pelúcida estimula aJ
intercambios de cromátidas 1090 espermatozoide a sufrir la reacción acrosórnica 1104
Los quiasmas desempeñan un importante papel en La reacción corti.caJ del oocito contribuye a
la segregación cromosómica durante la meiosis 1091 asegurar que sea fecundado por un solo
El apareamiento de los cromosomas sexuales asegura espermatozoide
que también ellos se segreguen 1093 Una proteína de fusión transmembrana de la membrana
La división meiótica II es semejante a la mitosis 1093 plasmática del espermatozoide cataJiza la fusión
Resumen 1094 espermatozoide-oocito 1106
El espermatoide proporciona un centríolo aJ zigoto J 107
Oocltos 1094 Resumen ll08
El oocito es la única célula de un animal superior que es
capaz de desarrollarse produciendo un nuevo individuo 1094 Bibliografía 1108

Capftul<,>
Mecanismos celulares del desarrollo 21
Movimientos morfogénicos y la forma del mapa Interacciones inductivas generan nuevos tipos de células
corporal llll en un patrón cada vez más detallado 1127
La polaridad del embrión de anfibio depende de la Un sencillo gradiente de morfógeno puede organizar un
polaridad del huevo 1112 complejo patrón de respuestas celulares 1129
La segmentación produce muchas células a partir de Las células pueden reaccionar de forma distinta a una
una célula inicial 1113 sefial según el momento en que la reciban: función
La blástula es una cavidad rodeada por un epitelio 1114 de un reloj intraceh,Ilar 1131
La gastrulación transforma una esfera hueca de células En los mamíferos, el protegido entorno uterino permite
en una estructura triestratificada con un intestino un tipo extraordinario de desarrollo temprano 1131
primitivo 1114 Todas las células del embrión animal temprano tienen
Los movimientos de gastrulación se organizan alrededor el mismo potencial de desarrollo 1133
del labio dorsal del blastoporo 1116 Las células madre embrionarias de los mamíferos
Cambios activos del empaquetamiento celular suministran muestran cómo señales procedentes del entorno
una fuerza conductora para la gastruJación 1117 pueden controlar el ritmo y la via de desarrollo ll33
Las tres capas germinales formadas por la gastruJación Resumen 1135
tienen destinos distintos 1118
Memoria celular, determinación celular y
El mesodermo situado a cada lado del eje del cuerpo se el concepto de vaJores posicionales 1135
fragmenta en somitos, de lo que derivan las células
musculares A menudo las células quedan determinadas para su
futuro papel especializado mucho antes de que
Los patrones cambiantes de moléculas de adhesión celular se diferencien man ifiestamente 1135
regulan los movimientos morfogénicos 1121
El momento de la determinación celular puede ponerse de
Células migratorias invaden los teíidos del embrión de manifiesto por medio de experim entos de trasplante 1136
forma estrictamente controlada 1122
La determinación y la diferenciación celulares reflejan
El plano estructural del cuerpo de los vertebrados se forma la expresión de genes reguladores 1137
primero en miniatura y después e mantiene a medida
que el embrión crece 1124 El estado de determinación puede estar controlado por el
citoplasma o puede ser intrínseco a los cromosomas 1138
Resumen. 1124
Las células de los tejidos en desarrollo recuerdan sus valores
DJverslflcadón ce]ular en el embrión animal temprano 1125 posicionales 1139
Las diferencias iniciales entre los bla tómeros de Xenopus El patrón de valores posicionales controla la proliferación
surgen a partir de la segregación espácial de determir1anres celular y se regula a través de intercalación 1140
en el huevo 1126 Resumen. 1142

fndice de materias xxxiii

El gusano nemátodo: los genes controladores del Los genes selectores homeóticos son e enclales para la
desarrollo y las leyes del comportamiento celular 1143 memoria de la información posicional de las células
Caenorhabditis elegans es anatómica y genéticamente de los discos imaginales 1176
sencillo 1143 Los genes selectores homeóticos y los genes de polaridad
El desarrollo del nemátodo es prácticamnte invariable 1144 del segmento definen los compartimientos del cuerpo 1178
Los genes de control del desarrollo definen las leyes del La expresión localizada de proteínas especificas antecede
comportamiento celular que generan el mapa corporal 1145 la producción de quetas sensitivas 1179
La inducción de la vulva depende de un amplio conjunto La inhibición lateral regula el patrón detallado de tipos
de genes controladores del desarrollo 1146 celulares diferenciados 1180
Pruebas genéticas microquirúrgicas revelan la lógica Los genes de control de desarrollo de Drosophlla tienen
del control del desarrollo; el clonaje y la secuenciación homólogos en los vertebrados 1182
de genes nos ayudan a descubrir su bioquímica 1147 Los mamíferos tienen cuatro complejos HOM homólogos 1183
Mutaciones heterocrónicas identifican los genes que Los genes Hox definen los valores posicionales en los
especifican cambios en las leyes del comportamiento vertebrados tal como ocurre en los insectos 1184
celular a medida que transcurre el tiempo 1151 Subcon/untos de los genes Hox se expresan distribuidos
El "tempo" del desarrollo no estt::olado mediante a lo argo de los dos ejes ortogonales de las yemas
el ciclo de división celular 1152 de las extremidades de los vertebrados ll85
Las células mueren ordenadame te como parte del Resumen. 1186
programa de desarrollo 1152
Resumen 1153 El desarrollo vegetal 1187
El desarrollo embrionario empieza con el
DrosophUa y la genética molecular del patrón establecimiento del eje raíz-brote y se detiene en el
de formación. l. Génesis del mapa corporal 1154 interior de la semilla 1188
El cuerpo del insecto se construye mediante la modulación Los módulos repetitivos de una planta son generados
de un patrón fundamental de unidades de repetición 1)55 secuencialmente por los meristemos 1190
Drosophila inicia su desarrollo como un sincitio 1156 La forma de cada nueva estructura depende de la
Dos sistemas ortogonales definen el mapa geométrico orientación de la división celular y de la expansión 1190
del embrión 1158 Cada módulo de la planta crece a partir de un conjunto
Influencias procedentes de las células que envuelven microscópico de primordios de un meristemo 1192
el huevo marcan el irúcio del modelaje del embrión 1159 Señ.ales hormonales de largo alcance coordinan
El eje dorsoventral se define en el interior del embrión los procesos del desarrollo en partes distantes
mediante una proteína reguladora de genes con dela planta 1193
un gradiente de concentración intranuclear 1160 Arabidopsis se utiliza como organismo modelo para
El sistema posterior define las células germinales y la genética molecular de las plantas 1194
también los segmentos corporales posteriores 1162 Los genes selectores homeóticos definen las partes
El mRNA localizado en el polo anterior codifica una de una flor 1195
proteína reguladora de genes que constituye el ~adiente Resumen 1198
morfogénico anterior 1163
Tres clases de genes de segmentación subdividen El desarrollo neural 1199
el embrión 1165 Las reservas de neuronas generadas en el inicio del
La expresión localizada de los genes de segmentación desarrollo neural no se reemplazarán posteriormente 1200
está regulada por una jerarquía de señ.ales de posición 1166 El momento y el lugar de nacimiento de una neurona
El producto de un gen de segmentación controla la expresión determinarán sus conexiones 1201
de otro gen generando un patrón detallado 1168 Cada axón o dendrita se extiende gracias a un cono
Los genes de polaridad del huevo gap y de regla par generan de crecimiento situado en su extremo 1203
un patrón transitorio que es recordado por otros genes 1169 El cono de crecimiento conduce in vivo a la neudta en
Los genes de la polaridad de segmento marcan las desarrollo a través de una vía definida con precisión 1205
subdivisiones básicas de cada parasegmento 1169 Los tejidos diana liberan factores neurotróficos que
Resumen 1170 controlan el crecimiento y la supervivencia de las
células nerviosas 1205
Drosopliila y la genética molecular del patrón Los valores posicionales de las neuronas guían la
de formación. II. Genes selectores homeótlcos formación de mapas neuronales ordenados: doctrina
y modelaje de las partes del cuerpo 1171 de la especificidad neuronal 1207
Los genes selectores homeóticos del complejo bithorax Los axones de lados opuestos de la retina responden
y del complejo Antennapedia definen las diferencias de forma distinta al gradiente de las moléculas
entre parasegmentos 1171 repelentes del tectum 1207
Los genes selectores homeóticos codifican un sistema de Los patrones difusos de las conexiones sináptlcas
marcadores moleculares de dirección 1172 se definen mediante la eliminación de la sinapsis
Las regiones de control de los genes selectores homeóticos dependiente de actividad 1209
actllan como chips de memoria de información La experiencia moldea el patrón de conexiones sinápticas
posicional 1172 del cerebro 1210
La mosca adulta se desarrolla a partir de un conjunto Resumen 1211
de discos imaginales que contienen información
posicional 1174 Bibliografía 1212

xxxiv fnclice de materias

 Capitulo
Células diferenciadas y conservación de los tejidos 22
Mantenimiento del estado diferenciado 1219 La médula ósea contiene las células madre hematopoyéticas 1247
La mayoría de las células diferenciadas recuerdan su Las células madre pluripotenciales dan lugar a todos los
carácter esencial incluso en un nuevo entorno 1221 tipos de células sanguíneas 1249
El estado diferenciado se puede modular por el entorno El número de células sanguíneas especializadas se amplifica
celular 1221 por divisiones de células progenitoras determinadas 1250
Resumen 1222 Los factores que regulan la hematopoyesis pueden
analizarse en cultivo 1251
Tejidos con células permanentes 1222 La eritropoyesis depende de la hormona eritropoyetina 1252
Las células del centro del cristalino del ojo de un adulto En la producción de los neutrófilos y de los macrófagos
son residuos del embrión 1223 influyen múltiples CSF 1253
compors,
La mayoría de las células permanentes renuevan sus

Resumen
las célul,s fotorrecep<orn, de lmtina 1224
1226
Las células madre hematopoyéticas dependen del contacto
con células que expresan el factor Steel 1255
El comportamiento de una célula hematopoyética depende
parcialmente del azar 1255
Renovació por bipartición simple 1227
La regulación de la supervivencia celular es tan importante
Las funciones del hígado como interfase entre el tracto como la regulación de la proliferación celular 1256
dlgestivo y la sangre 1227
Resumen 1258
La pérdida de células hepáticas estimula la proliferación
de células hepáticas 1230 Génesis, modulación y regeneración del músculo
La regeneración requiere el crecimiento coordlnado de los esquelético 1258
constituyentes de los tejidos 1231 Las nuevas células del músculo esquelético se forman
Las células endoteliales revisten todos los vasos sanguíneos 1231 por fusión de los mioblastos 1260
Las nuevas células endoteliales se genera1 por bipartición Las fibras musculares pueden modular sus propiedades
simple de células endotelíalt:s ya existentes 1232 mediante cambios de las proteínas isoformas que
Los capilares se forman mediante proliferación poseen 1261
1233
La angiogénesis está controlada por factores de crecimiento En el adulto persisten algunos mioblastos como células
liberados por los tejidos próximos 1234 madre quiescentes 1261
Resumen 1235 Resumen 1262

Renovación por medjo de células madr:e: la epidermis Los fibroblastos y sus transfom1aclones: la familia
1236 de las células del tejido conjuntivo 1262
Las células madre pueden dividirse sin límite y dar lugar Los fibroblastos cambian sus características en respuesta
a una progenie diferenciada 1237 a señales de la matriz extra celular 1263
Las células madre egidénnicas se encuentran en La matriz extracelular puede influir en la diferenciación
la capa basal 1238 de las células del tejido conjuntivo, afectando a su
Las células epidérmicas en diferenciación sintetizan adhesión y a u forma 1264
una secuencia de queratinas diferentes a medida Distintas moléculas señal actúan de forma secuenciaJ
que maduran 1239 regulando la producción de adipocitos 1265
Las células madre epidérmicas son un subconjunto de El hueso se remodela continuamente por medlo de las
las células basaie 1240 células que lo constituyen 1265
La proliferación de las células basales se regula en función Los osteoblastos segregan matriz ósea, mientras que los
del grosor de la epidermis 1241 osteoclastos la erosionan 1266
Las células secretoras de la piel están agrupadas en Durante el desarrollo, los osteoclastos erosionan el cartílago
glándulas que tienen su propia cinética de población 1242 y se abren paso en el hueso 1269
Resumen 1243 La estructura del cuerpo está estabilizada medlante su
armazón de tejido conjuntivo y mediante la cohesión
Renovación por medio de células madre plurlpotenclales: selectiva de las células 1269
formación de las células sanguíneas 1243
Resumen 1271
Existen tres tipos principales de glóbulos blancos:
los granulocitos, los monocitos y los linfocitos 1244 Apéndice Catálogo de las células del cuerpo humano adulto 1271
La producción de los distintos tipos de células sanguíneas
en la médula ósea se halla controlada individualmente 1246 Bibliografía 1274

El sistema inmunitario
Base celular de la inmunidad 1280 Los marcadores de superficie celular permiten dlstinguir
El sistema inmunitario humano está compuesto por y separar las células T de las células B 1283
billones de linfocitos 1280 El sistema inmunitario actúa mediante la selección clonaJ 1284
Los linfocitos B producen las repuestas humorales con La mayoría de antígenos estimulan muchos clones
anticuerpos; los linfocitos T producen las respuesta diferentes de linfocitos 1286
mediadas por células 1281
Los linfocitos se desarrollan en los órganos linfoides La mayoría de los linfocitos recirculan continuamente 1286
primarios y reaccionan con los antígenos extrafios La memoria inmunológica se debe a la expansión clona!
en los órganos linfoides secundario 1282 y a la maduración de los linfocitos 1288

índice de materias XXXV

La falta de respuesta ante los antígenos propios es debida Las moléculas MHC y la presentación del antígeno
a una tolerancia inmunológica adquirida 1289 a las células T 1317
Resumen 1291 Existen dos clases principales de moléculas MHC 1317
Estudios por difracción de rayos X revelan el lugar de
Propiedades funcionales de los anticuerpos 1291 unión al antígeno de las proteínas MHC así como
Los receptores de las células B específicos para los el péptido de unión 1319
antígenos son moléculas de anticuerpo 1291 Las moléculas MHC de clase J y de clase II tienen
Las células B pueden ser estimuladas a segregar funciones distintas 1321
anticuerpos en una placa de cultivo 1292 Las proteínas CD4 y CDS actúan como correceptores
Los anticuerpos tienen dos lugares idénticos de unión de unión a MHC en las células T colaboradoras y
al anúgeno 1292 citotóxicas, respectivamente 1322
Una molécula de anticuerpo está compuesta por dos Resumen l.322
cadenas ligeras idénticas y dos cadenas pesadas
idénticas 1293 Las células T citotóxicas 1323
Existen cinco clases diferentes e cadenas pesadas, Las células T citotóxicas reconocen fragmentos
cada una de las cuales tien propiedades biológicas de proteínas víricas en la superficie de células
distintas 1293 infectadas por virus 1323
Los anticuerpos pueden tener cadenas ligeras K o;>.,, Los transportadores ABC codificados por MHC transfieren
pero no de ambos tipos 1296 fragmentos peptídicos desde el citosol hasta
1
La intensidad de una interacción antígeno-anticuerpo la luz del ER 1324
depende tanto del número de lugares de unión ocupados Las células T citotóxicas inducen a la células diana
como de la afinidad de cada lugar de unión 1297 infectadas a destruirse a sí mismas 1325
La utilización del complemento por los anticuerpos Resumen 1326
contribuye a la lucha contra las infecciones bacterianas 1298
Resumen 1301 Células T colaboradoras y activación de las células T 1326
Las células T colaboradoras reconocen fragmentos
La estructura fina de los anticuerpos 1302 de proteínas antigénicas endocitadas, asociadas
Las cadenas ligeras y las cadenas pesadas presentan con proteínas MHC de clase 11 1327
regiones constantes y regiones variables 1302 Las células T colaboradoras se activan por las células
Las cadenas ligeras y las cadenas pesadas contienen presentadoras de antígeno 1328
tres regiones hipervariables cada una, que en conjunto El receptor de una célula T forma parte de un gran
forman el lugar de unión al antígeno 1303 complejo de sefialización en la membrana plasmática 1329
Las cadenas ligeras y las cadenas pesadas están plegadas Para activar la célula T colaboradora se requieren dos
en dominios repetitivos similares 1303 seflales simultáneas 1329
Estudios por difracción de rayos X han revelad.o la estructura Las células T colaboradoras, una vez activadas, se
tridimensional de los dominios de las Lg y de sus lugares estimulan a sí mismas y a otras células T para proliferar
de unión al antígeno 1304 mediante la secreción de interleuquina-2 1331
Resumen 1307 Para responder ante un antígeno, la mayoría de las
células B necesitan la participación de las células T
La generación de la diversidad de los anticuerpos 1307 colaboradoras 1331
Durante el desarrollo de las células B, los genes de los La activación de las células B por células T colaborado.ras
anticuerpos se ensamblan a partir de segmentos se produce tanto por señales unidas a la membrana
génicos aislados 1307 como por sefiales segregadas 1332
Cada región V está codificada por más de un segmento Algunas células T colaboradoras activan las células T
génico 1308 citotóxicas y los macrófagos mediante la secreción
La unión imprecisa de los segmentos génicos aumenta de interleuquinas 1333
la diversidad de las regiones V 1310 Resumen 1334
La hipermutación somática dirigida por el antígeno acaba
de afinar las respuestas de anticuerpos 1310 Selección del repertorio de células T 1335
La unión de los segmentos génicos de los anticuerpos Las células T que reconocen péptidos asociados a
está regulada asegurando que las células B sean las moléculas MHC propias son seleccionadas
monoespecíficas 1311 positivamente durante su desarrollo en el timo 1335
Cuando las células B son estimuladas por un antígeno, Las células Ten desarrollo que reaccionan fuertemente
pasan de la producción de anticuerpo ligado a la con los péptidos propios unidos a moléculas MHC
membrana a la producción de la forma segregada propias son eliminadas en el timo 1336
del mismo anticuerpo 1312
Algunas formas alélicas de moléculas MHC no son
Las células B pueden cambiar la clase de anticuerpo efectivas en la presentación de antígenos específicos
que producen 1313 a las células T: genes de la respuesta inmunitaria (Ir) 1338
Resumen 1314 El papel de las proteínas MHC en la presentación del
antígeno a las eélulas T proporciona una explicación
Los receptores de las células Ty sus subclases 1315 de las reacciones de trasplante y del polimorfismo MHC 1338
Los receptores de la célula T son heterodfmeros simiJares Las moléculas de reconocimiento inmunitario pertenecen
a los anticuerpos 1315 a una antigua superfamilia 1339
Las diferentes respuestas de las células T están mediadas Resumen 1340
por distintas clases de células T 1316
Resumen 1316 Bibliografía 1341

xxxvi fndice de materias

 Capítulo
Cáncer 24
El cáncer como un proceso de microevolución 1345 Diferentes investigaciones sobre la base genética del cáncer
Los cánceres difieren en función del tipo celular del convergen sobre disfunciones de un mismo pequefio
que derivan 1346 grupo de proto-oncogenes 1369
La mayoría de cánceres derivan de una sola célula Un proto-oncogén puede ser convertido en oncogénico
anormal 1348 de muchas maneras 1370
Probablemente la mayoría de cánceres se inician por Las acciones de los oncogenes puede ensayarse
un cambio en la secuencia de DNA de una célula 1349 individualmente o combinadas entre sf en ratones
tran génicos 1372
Una sola mutación no es suficiente para causar cáncer 1350
La pérdida de una copia de un gen supresor de
Los cánceres evolucionan mediante etapas .lentas a tumores puede generar predisposición hereditaria
partir de células alteradas benignas 1352 al cáncer 1373
La progresión de los tumores implica rnndas sucesivas La pérdida del gen supresor de tumores de retinoblastoma
de mutació n y selección natural 1354 interviene en muchos cánceres distintos 1375
El desarrollo de un cáncer puede estar estimu lado Los virus de DNA tumorales activan la maquinaria
por factores que no alteran la secuencia de DNA de replicación del DNA de la célula como parte de
de las células 1355 su estrategia para sobrevivir 1376
La mayoría de cánceres se producen por combinaciones Los virus de DNA tumorales activan la maquinaria de
evitables de causas ambientales 1356 replicación de la célula bloqueando la acción de
La búsqueda de curaciones para el c eres dura pero los genes clave supresores de tumores 1377
no imposible 1358 Mutaciones en el gen p53 inhabilitan el freno de
El crecimiento cancero o depende a menudo de emergencia de la proliferación celular y conducen
desórdenes de la diferenciación celular 1359 a una inestabilidad genética 1378
Para formar metástasis, las células cancerosas han Los cánceres colon-rectales se desarrollan lentamente,
de ser capaces de cruzar la lámina basal 1360 a través de una sucesión de cambios estructurales
Las mutaciones que aumentan la frecuencia de mutación visibles 1379
aceleran el desarrollo del cáncer 1361 Las mutaciones que conducen al cáncer colon-rectal
El incremento de la capacidad de mutar de las células pueden ser identificadas examinando la células
cancerosas confiere a estas células una cierta capacidad cancerosas y estudiando las familias propen as
de evadirse de la destrucción producida por drogas a desarrollar cáncer 1381
an ticancerosas 1363 Deleciones genéticas en las células cancerosas
Resumen 1364 colon-rectales revelan lugares de pérdida de genes
supresores de tumores 1382
Genética m olecular del cáncer 1365 Las etapas de la progresión tumoral puede correlacionarse
Los retrovirus pueden actuar como vectores para los con determinadas mutaciones 1382
oncogenes que modifican el comportamiento celular 1365 Cada caso de cáncer se caracteriza por su propia sucesión
Los retrovirus recogen oncogenes por accidente 1367 de lesiones genéticas 1383
Un retrovirus puede transfoL"mar una célula huésped Resumen 1384
insertando su DNA en un lugar próximo a un
proto-oncogén del huésped 1369 Bibliografía 1385

índice de materias xxxvil

Introducción
ala célula

El sentido de la esca la: estas

electronmicrografías tomadas a
ampliaciones cada vez mayores
muestran células bacterianas obre la
punta de un alfiler doméstico. (Por
cortesía de Tony Brain y d Science
Photo Library.)
Electronmicrografía de barrido de células de levadura en desarroJJo. Estos eucariotas unicelulares generan por.gemación
pequeüas células hijas cuando se multiplican. [Por cortesía de Iva Herskowitz y Eric Schabatach.)
La evolución de la célula
l
•1-de moWculu
hasta primera ú4lala

Todas J criatura vivas tán formadas por lulas -p queño cómpartimien-

ado d m mbrana y Lleno de una olución acuosa oncentrada de
ompu tos quúni os. La formas má simpl de vida on célula solitarias que
se propagan dividiéndose n dos. organi mos sup riore omo no o'lrns
mi mo , on como ciudad s celulare en la que grupo ~ célula reali.z n fun-
ciones speciaUzadas y están unidos por intrincados i t mas d comunicación.
Las células ocupan un pw1to interm dio en la escala de la compl jidad biológi-
a. Las tudiamo para apr nder, p r un lado, ómo tán formadas a partir de
las mol ulas y p r otro, cómo coop ran para onstituir un organi motan om-
pl jo omo un s r humano.
cr qu t dos lo organismo , y toda las células que los con tituyen,
de ci nd n por evolución mediante lección natural d una o lula anee tral co-
mún. a volu ión impli a dos pro os ncial : (1) la aparición d una
variación a1 azar n la información genética transmitida de un individuo a sus
descendí ntes, y (2) la selección de la informa ión gen tica que ayuda a su porta-
dor a obrevivir y multipli ar e. La volución el principio central de la biolo-
gía, ya qu nos ayuda a comprender la asombro a div r idad del mundo vivo.
Est apítulo, al igual qu todo I Libro, o upa I la progr ión de d Jas
hasta lo organi mos pluri lalare . Estudia la volu ión de la e lula,
primero orno unidad viva nstituida por part menor , y lueg como bloque
constitutivo de tru turas mayore . A travé de la evolución pr sentamo los
ompon n s y a dvidad s elulares qu se tratarán con mayor d tall en lo capí-
tulo igui ntes, n una uencia más o m no igual. mpezando con lo oríge-
nes de la primera lula en la Tierra, estudiamo cómo la propiedades de ciertos
tipos d grandes rn léculas p rmiten que se tran mita y xprese la informaci n he-
r ditaria y perrnit n que roduzca la evolu i n. Rodeadas por una membrana,
tas m I ulas con tituyen la parte ncial d una célula que se r plica a f mis-
ma. Luego descril irnos la transmisión principal que se pr dujo en I transcur o de
la evolución, de d unas p qu ñas e lula pare idas a ba t rias ha ta u.nas lulas
mucho mayores y ompl ja , tales orno las qu e en u ntran n I animal y
plantas actuales. Finalmenl , sugerimo la man ra en qu las células aisladas, de
vida libre, dieron lugar quiz a los grandes organismos pluricelulares, esp lali-
zándo y coop rando en la formación de órgano tan omplejo orno el e r bro.
vident qu pres atar la célula a trav d su volución ti n sus ri gos:
las grand s laguna de nu tro cono !miento ólo pued n superarse por medio
d esp Lllacion quizás rróneas n mucho detall . No pod mos retroc der
n el ti mpo para onoc r lo fenóm nos mol ular que tuvi r n lugar hace

3
miles de millones de años. Pero algunos sucesos antiguos han dejado muchas
huellas para nuestro análisis. Plantas ancestrales, animales y también bacterias
están preservadas corno fósiles. Aún más importante, todos los organismos ac-
tuales proporcionan evidencias de las características de los seres vivos del pasa-
do. Concretamente, las moléculas biológicas actuales son una fuente rica de in-
fo1mación sobre el curso de la evolución, ya que ponen en evidencia semejanzas
fundamentales entre los más dispares organismos vivos y nos permiten organi-
zar las diferencias que existen entre ellos construyendo W1a escala objetiva uni-
versal. Estas diferencias y similitudes moleculares representan para nosotros un
problema semejante al que se enfrenta un literato que intenta establecer cuál es
el texto original de un autor antiguo, comparando varios manuscritos diferentes
que han sido variados por repetidas copias y ediciones. La tarea es dura y la evi-
dencia es incompleta, pero al meo.os es posible proponer conjeturas inteligentes
acerca de las principales'fases dela evolución de las células vivas.

calor
Desde las moléculas hasta la primera célula 1 Figura 1-1 Típico experimento que
simu1a las condiciones en la Tierra
En condiciones prebióticas se pueden formar primitiva. Se calienta agua en un
moléculas biológicas1• 2 aparato cerrado que contiene CH4 ,
NH3 y H 20 y se hace pasar una descarga
Las condiciones que reinaban en la Tierra durante los primeros mil millones eléctrica a través de la mezcla gaseosa.
de años son aún tema de discusión. ¿Estaba inicialmente fundida la superficie En el tubo en U se acumulan
terrestre? ¿Contenía la atmósfera amoníaco, o metano? Sin embai·go, todo el compuestos orgánicos.
mundo parece estar de acuerdo en que la Tierra era un lugar violento, con erup-
ciones volcánicas, relámpagos y lluvias torrenciales. Existía muy poca, o ningu-
na, cantid_a d de oxígeno libre, y no existía una capa de ozono que absorbiera la
radiación ultravioleta del sol. La radiación, mediante su acción fotoquímica,
pudo haber contribuido a que la atmósfera fuese rica en moléculas reactivas y
alejadas de su equilibrio qttúuico.
Es probable que bajo estas condiciones se produjeran moléculas orgánicas
(es decir, moléculas que contienen carbono) simples. La prueba más clara de HCHO formaldehldo
ello procede de experimentos de laboratorio. Si se toman mezclas de gases como
HCOOH ácido fórmico
C021 CH4, NHi- y H21 se calientan con agua y se activan mediante descargas eléc-
tricas o radiación ultravioleta, se observa cómo los gases reaccionan formando HCN cianuro de hidrógeno
pequeñas moléculas orgánicas - por Jo general, un pequefi.o número de molécu-
las diferentes, cada una de ellas producida en grandes cantidades (Figura 1-1). CH3COOH ácido acético

Entre estos productos se cuentan diversos compuestos, tales como el cianuro de NH2CH2COOH glicina
hidrógeno (HCN) y el formaldelúdo CHCHO), que en solución acuosa sufren rá-
pidamente reacciones posteriores (Figura 1-2). Y lo que es más importante, se CH.CHCOOH
1
ácido láctico
generan moléculas representativas de la mayoría de las principales clases de OH
moléculas orgánicas encontradas en Las células como aminoácidos, az úcares y
NH2CHCOOH alanlna
las purinas y pirimidinas necesarias para sintetizar nucleótidos. 1
CH3
Aunque estos experimentos no pueden reproducir con toda exactitud las (

condiciones primitivas de la Tierra, ponen de manifiesto el hecho de que la for- NH - CH2COOH sarcosina
1
mación de moléculas orgánicas es sorprendentemente fácil. Y la Tierra en for- CH ;
mación tenía inmensas ventajas sobre cualquier experimentador humano; era
NH2 - C-NH2 urea
muy grande y podía producir una amplia gama de condiciones. Pero, sobre 11
todo, disponía de mucho más tiempo -cientos de miJlones de años. En tales cir- o
cunstancias, parece muy posible que, en algún lugar y en algún momento deter- NH2THCOOH ácido aspártlco
minados, muchas de las moléculas orgánicas simples que se encuentran en las TH2
células actuales se acumularan en concentraciones elevadas. COOH

Figura 1-2 Algunos de los

Pueden desarrollarse sistemas químicos complejos compuestos que se pueden formar en el
en un entorno alejado de su equilibrio químico experimento descrito en la Figura 1-1.
Los compuestos indicados en color
Las moléculas orgánicas simples como los aminoácidos y los nucleótidos se son componentes importantes de las
pueden asociar formando grandes polímeros. Un aminoácido puede unirse a células vivas actuales.

4 Capítulo 1 : La evolución de la célula

 Figura 1-3 Foqnación de
pollnucleótidos y de polipéptldos.
Cuatro tipos de nucleótidos (aquí
representados con las letras A, U, G y
C) pueden sufrir una polimerización
espontánea con pérdida de agua. El
producto es una mezcla de
polinucleótidos de longitud y
secuencia aleatorias. De forma similar,
aminoácidos de diferentes tipos,
simbolizados aquí mediante nombres
abreviados de tres letras, pueden
polimerizar entre ellos formando
polipéptidos. Las proteínas actuales
están formadas a partir de un conjunto
otro formando un enlace peptfdico, mientras que dos nucleótidos se pueden estándar de 20 tipos de aminoácidos.
unir entre ellos mediante un enlace fosfodiéster. La repetición de estas reaccio-
nes da lugar a poümeros lineales conocidos como polipéptidos y polinucleóti-
dos, respectivamente. n los organismos vivos actuales, los polipéptidos -cono-
cidos como proteínas- y los polinucleótidos - en forma de ácidos ribonucleicos
(RNA) y ácidos desoxirribonucleicos (DNA)- son considerados habitualmente
los constituyentes más importantes. Un restringido conjunto de 20 aminoácidos
forman los bloques constitutivos universales de las proteínas, mientras que las
moléculas de RNA y DNA están construidas a partir de cuatro tipos de nucleóti-
dos cada una. Aunque no sabemos por qué se seleccionaron estos conjuntos de
monómeros en particular para biosíntesis en lugar de otros químicamente simi-
lares, veremos que las propiedades químicas de los polímeros correspondientes
los hacen especialmente adecuados para desempefiar sus funciones específicas
en la célula.
Los primeros poümeros pudieron formarse de varias maneras - por ejemplo,
mediante el calentamiento de compuestos orgánicos secos o gracias a la activi-
dad cataütica de las elevadas concentraciones de polifosfatos inorgánjcos u
otros catalizadores inorgánicos crudos. Los productos obtenidos de reacciones
similares en el laboratorio son polímeros de longitud variable y de secuencia
aleato.ria, en los que la adición de un aminoácido o de un nudeótido en un mo-
mento dado depende principalmente del azar (Figura 1-3). Sin embargo, una vez
formado, un polímero puede influir sobre reacciones químicas posteriores ac-
tuando como un catalizador.
El origen de la vida requirió que en un conjunto de moléculas de este tipo
hubiera algunas que tuvieran, al menos en parte, una propiedad crucial: la capa-
cidad de catalizar reacciones que generaran, directa o indirectamente, la pro-
ducción de más moléculas del propio catalizador. La producción de catalizado-
res con esta propiedad autogenerativa especial estuvo favorecida y las moléculas
más eficientes en generar su propia producción captaron los materiales crudos
eliminándolos de los procesos de producción de otras substancias. De esta ma-
nera puede concebirse el desan;ollo gradual de un sistema químico complejo de
monómeros orgánicos y de polímeros que actuaban juntos generando más mo-
léculas de los mismos tipos, alimentadas por materiales crudos simples del en-
torno. Un sistema autocatalítico como éste tendría las mismas propiedades que
creemos que son las características de la materia viva: estaría formado por una
gran cantidad de moléculas interactivas seleccionadas al azar; tendería a autorre-
producirse; competiría con otros sistemas dependientes de la misma materia
prima; y si se eliminara esta materia prima o si se mantuviera a temperaturas
erróneas que alteraran el balance de las velocidades de reacción progresaría ha-
cia el equilibrio químico y "moriría".
· Pero, iqué tipo de moléculas pudo haber tenido propiedades autocataüticas
como éstas? En las células actuales los catalizadores mas versátiles son dos poli-
péptidos, compuestos de muchos aminoácidos diferentes con cadenas laterales
quimicamente diversas y por tanto capaces de adoptar diferentes formas tridi-

Desde las moléculas hasta la primera célula 5

~ • -
+ - - -

Figura 1-4 Polinucleótidos como

patrón. Se produce el enlace
preferencial entre pares de nucleótidos
(C con G y A con U) mediante enlaces
quCmicos relativamente débiles
(arriba). Este apareamiento permite
que un polinucleótido actúe como
patrón para la síntesis de otro
mensionales erizadas de lugares reactivos. Sin embargo aunque los polipéptidos polinucleótido (izquierda).
son versátiles como catalizadores no conocemos sistemas por los que una de es-
tas moléculas pueda autorreproducirse especificando directamente la formación
de otra de la misma secuencia.

Los polinucleótidos son capaces de dirigir su propia síntesis 3

Los polinucleótidos tienen propiedades que contrastan con las de los polipépti-
dos. Su capacidad como catalizadores es más limitada pero pueden dirigir direc-
tamente la formación de copias exactas de su propia secuencia. Esta capacidad
depende del apareamiento complementario de subunidades de nucleótidos, el
cual permite a un polinucleótido actuar como patrón en la formación de otro.
En el caso más simple un poümero compuesto por un nucleótido (por ejemplo,
ácido policítidflico o poli C) puede alinear en su superficie las subunidades ne-
cesarias para generar otro polinucleótido, (en este ejemplo el ácido poliguanflico
o poli G) favoreciendo así su polimerización formando poli G (Figura 1-4). Debi-
do a que las suburridades C se unen preferentemente a las subunidades G, y vi-
ceversa, a su vez la molécula de poli G favorecerá la síntesis de más poli C.
Consideremos ahora un polinucleótido con una secuencia de subunidades
más compleja, concretamente una molécula de RNA formada por cuatro tipos
de nucleótidos con las bases uracilo (U), adenina (A), citosina (C) y guanina (G)
dispuestas siguiendo una secuencia particular. Debido al apareamiento comple-
mentario entre las bases A y U, y entre las bases G y C, cuando esta molécula se
añade a una mezcla de nucleótidos activados y bajo condiciones adecuadas, di-
rigirá la polimerización de una secuencia complementaria a la suya. La nueva
molécula de RNA resultante será una especie de molde del original, de manera
que cada A del original corresponderá con una U en la copia, y así sucesivamen-
te. La secuencia de nucleótidos de la cadena original de RNA contiene una infor-
mación que esencialmente se conserva en las cadenas complementarias recién
formadas: una segunda operación de copia, tomando la cadena complementaria
como patrón, da lugar a la secuencia original (Figura 1-5).
Estos mecanismos de molde o patrón complementario son elegantemente Figura 1-5 Replicación de una
sencillos y se hallan en la base de los procesos de transferencia de información secuencia de pollnucleótido (en este
de los sistemas biológicos. La información genética contenida en cada célula caso una molécula de RNA). En el
paso 1, la molécula original de RNA
actúa como patrón en la formación de
paso 2 una molécula de RNA de secuencia

I
complementaria. En el paso 2, esta

I
LA SECUENCIA
ORIGINAL FORMA
LA SECUENCIA
COMPLEMENTARIA
LA SECUENCIA
COMPLEMENTARIA
FORMA LA SECUENCIA
ORIGINAL
molécula complementaria de RNA
actúa a su vez como patrón, formando
moléculas de RNA de secuencia igual a
la original. Puesto que cada molécula
patrón puede producir numerosas
copias de la hebra complementaria,
~ estas reacciones pueden dar lugar a la
- § ª
§ § § = "multiplicación" de la secuencia
original.

6 Capítulo 1 : La evolución de la célula

está edificada n las s cuencias de nucleótido de su moléculas de p linucl ó -
tido , y esta infonnación se transmite (hereda) de generación n gen ra ión m -
diant las interacciones entre los par debas s complementarios.
in embargo, para que produz. an esto mecani mos d mold nec i-
ta la participación d atali.zador : In una catálisi specffi a, la polimeriza-
ción sobre w1 patrón es lenta in ñ az y ad más la forma ión de r plicas o-
rrectas está claram nte dificultada por la exi t ncia d reaccione competitiva .
En la actualidad las funcion catalíticas qu r pHcan polinu l ótido tán pro-
por ionada por prot ínas altament espe ializada , llamada enzimas. En J
"caldo prebiótico" quizá hubiera polipéptido primitivos qu colaboraron en aJ -
guna tarea catalítica. in embargo la xistencia de molécul con e p ci.ficidad
catalítica ad uada debió ser scasa a no ser que el propio RNA fue capaz, de
alguna manera de favorecer u propia produ ción. Volveremos a e tudiar la r -
lacione re fprocas ntre la íntesi de RNA y las fntesis d proteína , de ru-
cia! Importancia en todas las célula vivas. Pero primero onsideraremos qué
pu d ocurrir on el RNA, ya que las molécula de RNA pueden pre ntar varias
propiedade a alíti a además de a tuar como patrones d su propia replica-
ción. Concretamente, una molécula d RNA on una secuencia de nucleótidos
adecuada puede actuar como catalizador en la replicación apropiada de otra
mol cula d RNA-el patrón- uya uencia puede r arbitraria. cree qu la
esp cial versatilidad d las moléculas de RNA ha jugado W1 papel central en los
proc os del origen d · la vida.

Las moléculas autorreplicantes están sometidas

a la elecdón naturaP· 4
Las molécula de RNA no son ún:icam nte cadenas d ímbolo que conti nen in-
forma ión d una manera ab tracta. También tien n per onalidad qwmJ
con r.ras qu afectan a su omportami nto. oncr tament , la ecu ncia d nu-
cleólidos determina I modo n que la cadena se pli. ga en ' lución. Del mi mo
modo que los nucleótidos de un polinucleótido se pueden apar ar con nucleótidos
complementarios libr de su entorno formando un nu vo polímero, también
pu d n apar ar con residuo ' ompl mentados de nucl ótido Lpropio polfme-
ro. Una secu ncia G de una región de una dena polinu I otfdica uede for-
mar una aso iación r lativam nte fu rte con una s u ncia C CC d otra r gión
de la misma molécuJa. Dichas asociaciones producen diverso pliegues tridim n-
sional , y el conjunto de la molécula adopta una forma típica qu depende com-
pletamente d la secu ncia d u nucl ótidos ( igura 1-6).
La estructura plegada tridimensional de un polinu leótido afecta a su esta-
bilidad, a su acción obre otra mol culas y a u capacidad de replj ación, de
modo que no toda las forma de polinucl ótido t ndrán igual éxito en una
mez la de r plicación. Además re ulta inevi able qu en ualquier proceso d
copia produzcan rrores y las copias imp rfecta del original e ir n propa-
gando. Por lo tanto tras r p tidas r plicaciones se g nerarán continuamente
nu vas secu ncias variantes de nucl tidos. En estudio de laboratorio seha de-
mo tracto qu los i t ma r plicant de mol cula d RNA ufren una esp ie
de s lección natural a travé d la ual predominan diferenr secu ncias favo -
rabl s, según cuále ean la condiciones experim ntales utilizada . Lo que s
má importante, las moléculas de R A pued n ser I ccionadas por u capa i-
dad d unfr spedlicamente casi cualquier otro tipo d mol cu las. to tambi n
se ha demostrado n experimentos in vitro qu se inician con una pr paración
de corras mol uJas d RNA d ecuencias d nucleótido al azar int azada ar-
tificiaJment . Estam zcla s hace pa ar a trav s de una columna Uena de w,a re- Plgura 1-6 Conformación de una
sina a la que ha unido alguna sub tanda d terminada. La moJé ulas de RNA molécula d RNA. El apareamiento d
qu no e un n a esta ubstan ia pa an a trav de la alumna y son liminada ; nucleótido entre di~ rente r gione
el p queño número de mol u las qu e unen a ella es retenido y utilizado como d la propia cadena d polinucleótido
patrón para dirigir la produ ción de múltiple copi, de su propia cuencia. lRNA) ha que la molécula adopte
Esta nueva prepara ión de RNA, enriquecida en uenci que u11en a la una forma particular.

De d las mol cu.las ha ta la primera célula 7

substancia escogida, se utiUza entonces como material de partida para repetir de
nuevo el proceso. Tras varios de estos ciclos de selección y reproducción la mez-
cla de RNA consiste en múltiples copias de un relativamente pequefio número
de secuencias, cada una de Jas cuales se une a la substancia de ensayo casi espe-
cíficamente.
Por consiguiente, una molécula de RNA tiene dos características especiales:
transporta información codificada en su secuencia de nucleótidos que puede
transmitir mediante el proceso de replicación, y tiene una estructura plegada
única que determina la manera en que interactuará con otras moléculas y res-
ponderá a las condiciones ambientales. Estos dos rasgos -uno de información y
el otro de función- son las dos propiedades esenciales que se necesitan para la
evolución. La secuencia de nucleótidos de una molécula de RNA es análoga al
genotipo-la información hereditaria- de un organismo. La estructura tridimen-
sional plegada es análoga al fenotipo -la expresión de la información genética
en la que actúa la selección natural.

Algunas moléculas especializadas de RNA pueden catalizar

reacciones bioquúnicas5
La selección natural depende del entorno, y para una molécula de RNA que se
replica, un componente crítico del entorno es el conjunto de las otras moléculas
de RNA de la mezcla. Además de actuar como patrón para su propia replicación,
estas moléculas de RNA pueden catalizar la rotura y la formación de enlaces co-
valentes, incluyendo uniones entre nucleótidos. Por ejemplo, algunas moléculas
de RNA especializadas pueden catalizar cambios en otras moléculas de RNA cor-
tando la secuencia de nucleótidos en un punto determinado; otros tipos de mo-
léculas de RNA eliminan espontáneamente una porción de su propia secuencia
y reúnen los extremos cortados (un proceso conocido como "automaduración
por corte y empalme", self-splicing). Cada reacción catalizada por una molécula
de RNA depende de una ordenación específica de los átomos que forman la su-
perficie de esta molécula de RNA catalítica (la ribozima), la cual hace que algu-
nos grupos químicos de uno o más de sus nucleótidos sean altamente reactivos.
Ciertas activjdades catalíticas pudieron tener una importancia capital en el
caldo primordial. Consideremos una molécula de RNA que catalice el proceso
de polimerización utilizando cualquier molécula de RNA como patrón. (Esta ac-
tividad ribozima se ha demostrado directamente in uitro al menos de una forma
rudimentaria.) Esta molécula catalítica puede actuar sobre copias de sí misma,
replicándose con elevada velocidad y eficiencia (Figura 1-7A). Al mismo tiempo,
puede promover la replicación de otras moléculas de RNA vecinas (Figura 1-7B).
Algunas de estas moléculas pueden desarrollar acciones catalíticas que ayuden o
dificulten la supervivencia o la replicación del RNA en otras vías. Si los efectos
beneficiosos son recíprocos, diferentes tipos de moléculas de RNA, especializa-
das en diferentes activjdades, pueden desarrollar un sistema cooperativo que se
replique con una eficiencia extraordinaria.

La información fluye desde los polinucleótidos

a los polipéptidos6
Todo lo expuesto sugiere que hace entre 3,5 y 4 miJ millones de años, unos siste-
mas autorreplicantes de moléculas de RNA, mezcladas con otras moléculas or-
gánicas como algunos polipéptidos simples, iniciaron, en algún lugar de la Tie-
rra, el proceso de la evolución. Sistemas con diferentes dotaciones de polimeros
compitieron por los materiales precursores disponibles para construir copias de
ellos mismos, tal y como compiten los organismos actualmente; el éxito depen-
dió de la exactitud y de la rapidez con que se producían las copias, y de la estabi-
lidad de las mismas.
Sin embargo, como destacamos anteriormente, aunque la estructura de los
polinucleótldos está bien adaptada al almacenamiento y replicación de la infor-

8 Capítulo 1 : La evolución de la célula

 Figura 1- 7 Diagrama de tr paso
(Al IBI

~-r;t~
suc ivo en la volu Ión del sistema
autorrepllcante de moléculas de RNA
que son capac de dlrigir la súitesis
proteica.

Molécula de RNA catalltlco que

une nucleótidos para reproducir
su misma secuencia de nucleótidos
y por lo tanto su misma forma .

(C)

Famllia de moléculas de RNA

catallticas que se mantienen
mutuamente, catelizando una de
ella s la reproducción de las otras.

Evolución de nueves molécLJlas de RNA cetalfticos. algunas de las cuales unen

por si solas aminoácidos activados. Por apareamiento de bas s a una mol éc ula
de RNA codiflcante, estas molécul as de RNA permiten que una secuenci a de
RNA actúe como molde o patrón pare la sfntesls de poi meros de aminoác idos,
generando asl la aparición d las primeras secuencias proteicas determinadas
genétlc mente. De esta forma, estas moléculas actúan como los primeros
ada¡¡tadores entre una secuencia de nucleótidos y una secuencia de amino cidos.

mación , u capacidades atalíticas on limitadas r spe to a las de los polipépti -

dos, y en las c lulas mod mas la replicación fid nte d lo poUnucle tido es
absolutam nte d p ndlent d las prot ínas. ·n el orig n d la vida cual quier
polinucleótido que dirigió la sinlesis de un polipéptido útil debió t ner n el am-
bient competitivo d la voluci n una gran v ntaja para obr vivir.
in embarg , ¿d qu manera podía la información codificada en us e-
uencias d terminar las cuen ias de otro tipo de polím ros? Sin duda, los poli-
nudeótidos debíeron actuar como talizadores uniendo det nninado amino-
ácido entre sí. En .los organJ mos actuales, un istema d colaboración de
moléculas de RNA ju ga un pap I central n la direc ión d la s(nte i de polip p-
tido - la síntesis proteica- pero en 1pro so tambl 11 colaboran otras proteínas
previament sintetizada . La maquinaria bioquúni a para la sínt sis prot i a
stá notabl · mente elaborada. U na molécula de RNA ontiene la informa ión ge-
nética de un polipéptido determinado, n forma d código, mientras qu otras
mol ula de RNA actúan como adaptadores, uniendo cada una d llas un ami-
noácido e pecífico. sto dos tipo de mol culas d RNA fonnan pares de bases
complementarias entre sí, permitiendo que las secuen ias d nu leótido del
RNA odifi anL dirijan la incorporación de aminoácidos esp cíficos, transpor-
tado por I RNA adaptador, a la cad na polip ptídi a en re imienlo. Probabl -
rnent los precu or de tos dos tipos de moléculas d ~ RNA dirigieron la pri-
mera ínt is proteica in la ayudad prot ína (Figura l -7C).

Desde las moléculas hasta la primera célula 9

 En la actualidad, estos procesos de ensarnblaj de nuevas proteínas tienen
lugar en la superficie de los ribosomas-partfculas complejas compuestas por va-
rias grandes moléculas de RNA de otro tipo, y por más de 50 tipos diferentes de
protemas. En el Capítulo 5 veremos que este RNA ribosórnico juega un papel ca-
talítico central en el proceso de la smtesis proteica y constituye más del 60 % de
la masa ribosomal. Al menos en términos evolutivos, este RNA es el componente
fundamental del ribosoma.
Así pues, parece que el RNA dirigió la smtesis primordial de proteínas, qui-
zás de una forma torpe y primitiva. De esta manera el RNA fue capaz de crear
herram¡entas - en forma de proteínas- que permitieron conseguir una biosínte-
sis más eficiente. Algunas de estas proteínas pudieron ser utilizadas en la repli -
cación del RNA y en el propio proceso de producción de herramientas.
La síntesis de proteínas específicas bajo la dirección del RNA requiere la
evolucióp_ de un_código a través del cual una secuencia de polinucleótidos espe-
cifique la secuencia de arnino~idos que formará la proteína. Este código -el có-
digo genético- se deletrea en forma de un "diccionario" de palabras de tres le-
tras: diferentes tripletes de nucleótidos codifican aminoácidos determinados. El
código parece haber sido seleccionado arbitrariamente (tal vez sometido a algu-
nos condicionantes), y todavía hoy es prácticamente el mismo en todos los orga-
nismos vivos. Esto sugiere claramente que todas las células actuales descienden
de una líriea celular primitiva que desarrolló el mecanismo de sfntesJs proteica.

Las membranas definieron la primera célula7

Uno de los aconteci_rnientos cruciales que condujeron a la formación de la pri-
mera célula debió de ser el desarrollo de una membrana externa. Por ejemplo,
las proteínas sintetizadas bajo el control de un determinado tipo de RNA no faci-
litarían la reproducción de este tipo de RNA a menos que pennanecieran en sus
proximidades; además, mientras estas proteínas tuvieran libertad para difundir
entre la población de moléculas de RNA en replicación, podría beneficiar por
igual a cualquier especie competidora de RNA que estuviera presente. Si surgía
una variante de RNA que producía un tipo superior de enzima, la nueva enzima
no podía contribuir selectivamente a la supervivencia del RNA variante en la
competencia de éste con los otros RNA. La selección de las moléculas de RNA de
acuerdo con Ja calidad de las proteínas que generaban no pudo empezar hasta
que apareció alguna fonna de compartimiento que retuvfora las proteínas pro-
ducidas por cada molécula de RNA y que por lo tanto hiciera que estas proteínas
quedaran disponibles sólo para el RNA que las produjo (Figura 1-8).
Esta necesidad de contener es ejecutada fácilmente por otro tipo de molé-
culas que poseen la sencilla propiedad fisicoqufmica de ser anfipáticas, lo cual Figura 1-8 Dibujo esquemático que
consiste en que una zona de la molécula es hidrofóbica (insoluble en agua) y muestra la ventaja evolutiva que
suponen los compartimientos
semejantes a una célula. En una
mezcla de moléculas de RNA
CON COMPARTIMIEfjlTOS autorreplicantes capaces de realizar la
síntesis proteica (tal como se ilustra en
· / ciclo de replicación
la Figura 1-7), cualquier forma de RNA

G- enzima
primitiva
mejorada que sea capaz de producir

- :,\ t/ ,G
RNA una proteína más útil debe compartir

G
'\ compartimiento
esta proteína con todas sus
competidoras. Sin embargo, si el RNA
está encerrado en un compartimiento,
~
~- .,_
~ - - enzima
como por ejemplo una membrana
primitiva lipídica, cualquier proteína que
produzca quedará confinada para su

cÍ-
uso exclusivo; entonces, el RNA puede

G- ser seleccionado en base a su

capacidad de sintetizar una proteína
mejor.

10 Capítulo 1 : La evolución de la célula

otra hidrofOica ( olubl en agua). Cuando tale molécula se ncuentran en un
medio a uo o agr gan poni ndo en fn · mo contacto u zona hidro~ bica y
ACEITE
tabl i ndo ontacto con el agua por us zona hidro Oicas. Molécula anfipá-
ticas d forma adecuada se agregan spontán ament formando bicapas, qu
generan pequeñas ve utas erradas cuyo contenido a uo o halla aislado del
medio xterno ( ·igura 1-9). t fenóm no pued r produ ir en el tubo d monocapa de
ensayo impl m nte m zclando fosfolípidos y agua: en ondiciones apropiadas, -~-...,..,fosfollpidos
e formarán p queñas v fcula . oda la célul actual están delimitadas por
una membrana plasmática f rmada p r mol ulas anfipáti as -mayoritaria•
ment fosfolíp[do - en ta configuración; en la membranas c lular la bicapa
lipídica Lambi n conti ne prot ínas antipática . AJ mi roscopio le trónico
tas m mbrana apar e n como lámina de aproximadament 5 nm d grosor, bicepa de
on un aspecto triestratificado aracterf tico, d bido al mpaquetami nto cola- fosfollpidos
on-cola de la molécula de fo folípido .
Probablem nte, la primeras células rod adas de membrana se formaron
por n amblaj e poocáneo d molécula d fo folíp"ido d l caldo pr biótico
incluy ndo una mezcla de mol ulas autorrepli ante d RNAy otras mol cula .
o está claro n qué punto de la volucíón de I catáli i biológica y sínt sis pro- Figu ro l-9 Formación de membranas
teica formaron las primera células. En cualquier ca o, cuan o las moléculas por ro foHpldo . Dado que esta
de R A fueron onfinadas con una membrana errada pudieron mpezar a evo- mol culas tienen una abeza
lucionar eficazmente como tran portadores d instru clones g nética : pudi - hidrofflica y unas colas lipofi11cas, en
ron ser eleccionadas no solamente en base a su propia structura, sino también una ioterfa aceite-agua se alin an
e pontáneam nte con la cabeza hacia
por el ~ cto qu ejerci r n sobr otra molécula de su mjsmo omparHmiento.
el agua y las colas en I aceite. En agua
Las se uencias d nucl ótidos d las m I cula de RNA pudieron ser expre ada se ocian formand bicapa
en el carácter d la célula como un todo. ve iculares erradas, n las cual las
cola lipofili a están n conta t con
Toda las células actuales utilizan el DNA otra olas y la cabeza hidrofflicas
como material hereditario3• 6 8 están expue ta al agua.

· videnl mente, el cuadro qu acabam s de p.r entar s esp culativo: no ex:i -

ten dato fósil que r gi tren lo origen de la prim ra célula. in embargo, Jo
organi mos a tuale y lo exp rimento realizado proporcionan pru bas ba -
tante onvincentes d que lo rasgos principal s de ta historia evolutiva on
correctos. La s(ntesis prebióti a de pequeñas molécula , la autorreplicación de
las mol culas de RNA atalítico, La traducción de la cuendas de RNA a
cuenci.a de aminoácidos y el nsamblaje de las molé ulas lipídicas formando
ompartimiento rodea os d m mbrana: tod e to d bió de urrir durante la
génesi de la e lula primitiva ha uno 3,5 o 4 mil millones de años.
R ulta útil comparar estas célula primitivas con las células actuales má
sencilla , los mlcoplasmas. Son pequ ñas bacterias d un tipo degen cado qu
normalmente JI van una vida parasitaria en estr cha a ociación con c lulas v -
getale o animales (Figura 1-10). Alguno tien n un diámetro de aprox.imada-
ment 0,3 µm y ólo contienen l ácido nucleico uficiente para codifi ar la (n .
tesis d unas 400 prot ína clli r nt . AJguna de esta proteínas son nzimas,
otras on prot ínas estructural ; otra hallan n I interior d la célula; otra
stán incluida n su m mbrana. En onjunto lo micoplasma intetizan las p -
queña molé utas esen iales que no ncuentran acce ibles n el entorno, r -
distribuyen la nergía n ce aria para condu ir las reaccion biosintéticas y
manden n la condiciones apropiada n el int rior d la célula.
Probablem nte, la primera célula de la ierra fu ron m nos sofi ricada y
se ctividían má lentamente y con menor efici ncia. Pero existía una diferencia
más fundamental entr las células primitivas y un mi oplasma o cualquier otra
célula a tual: la información h reditaria en toda las lulas vivas actuales e tá
almacenada en el DNA y no n el RNA, que como upone que la célula
primitivas almac naban la información hereditaria. Ambos tipo de polinucl 6 -
tido encu ntran en las célula actuales, pero actúan d una manera oop ra - Figura 1- 1O piroplasma citrli, un
tlva, ya que cada uno ha evolucionado n el sentido d d semp ñar tar a esp - ml opl mn que crece en célula
ializada . Pequ ñas diferencia química ha n que ada uno d lo d tipo veg toles. (Por cortesía de J. Burg s.)

De de I mol cu.las ha ta la prim ra célula 11

de moléculas sean adecuadas para funciones diferentes. El DNA actúa como de- sistemas basados en el RNA
positario permanente de la infonnación genética y a diferencia del RNA se halla

G
en las células principalmente en forma de doble hebra, compuesta por un par de polipéptidos
moléculas complementarias de polinucleótidos. Esta estructura de doble hebra + rudimentarios
hace al DNA celular más robusto y estable que el RNA; también determina que el
DNA sea relativamente fácil de replicar (véase el Capítulo 3) y permite que actúe
un mecanismo de reparación que utiliza la hebra intacta como patrón para la 1 EVOLUCIÓN DE RNA
corrección o reparación de la hebra lesionada asociada. El DNA dirige la síntesis t ADAPTADORES
de moléculas específicas de RNA, de nuevo por el principio de aparea.miento de

'G'":_
pares de bases complementarias, aunque el apareamiento se produce aquí entre sistemas basados en el RNA

tipos de nucleótidos Ligeramente diferentes. Luego, las moléculas de RNA resul-

tantes, de una sola hebra, realizan otras dos funciones primordiales: dirigen la
síntesis proteica tanto como moléculas de RNA codifícantes (RNA mensajeros)
como de RNA catalíticos (RNA ribosómicos y otros no mensajeros).
Brevemente, se sugiere que el RNA apareció antes que el DNA en el proceso

!
evolutivo, presentando las propiedades genética y catalítica; posteriormente, el EVOLUCIÓN DE NUEVAS ENZIMAS
QUE GENERAN DNA Y LO COPIAN
DNA tomó el relevo de la fundó genética primaria y las proteínas se constituye- EN MOLÉCULAS DE RNA
ron en los principales catalizadores, mientras que el RNA quedó relegado a prin-
cipal intermediario entre ambos (Figura 1-11). Con el advenimiento del DNA, las células actuales
células pudieron ser cada vez más complejas, ya que pudieron contener y trans-
mitir una cantidad de información genética mayor de la que podía almacenarse
de forma estable en las moléculas de RNA.

Resumen Figura 1-11 Estadios propuestos para

Las células vivas surgieron probablemente en la Tierra graclas a la agregación es- la evolución desde sencillos sistemas
pontánea de moléculas, hace aproximadamente 3,5 mil millones de años. Sobre la autorreplicantes de moléculas de
base de nuestros conocimientos acerca de los organismos actuales y de las moléculas RNA hasta las células actuales.
que contienen, parece probable que el desarrollo de los mecanismos autocataUticos Actualmente el ONA es el depositario
de la información genética y el RNA
fundamentales para los sistemas vivientes empezara con la evolución de familias
actúa mayoritariamente como
de moléculas de RNA que podfan catalizar su propia replicación. Con el tiempo,
intermediario de la síntesis proteica.
una de estas familias de RNA catalíticos cooperativos debió de desarrollar la habili-
dad de dirigir la síntesis de polipéptidos. Finalmente, debido a que la acumulación de
catalizadores proteicos pemiitió la evolución de células más complejas y eficientes, el
DNA de doble hebra substituyó al RNA como molécula más estable para el almacenaje
de las cantidades crecientes de infomzación genética requerida por estas células.

De los procariotas a los eucariotas9

Se cree que todos los organismos que viven actualmente sobre la Tierra derivan
de una única célula primitiva nacida hace más de tres mil millones de años. Esta
célula, superando a sus competidoras, tomó la delantera en el proceso de divi-
sión celular y evolución y, con el tiempo, cubrió de verde la Tierra y cambió la
composición de su atmósfera, convirtiéndola en el hogar de la vida inteligente.
Los parecidos familiares entre todos los organismos son demasiado acusados
para ser explicados de otra manera. Un hito importante a lo largo de este cami-
no evolutivo se produjo hace 1,5 mil millones de años, cuando ocurrió la transi-
ción desde las células pequeñas con una estructura interna relativamente senci-
lla - las denominadas células procariotas, que incluyen los cliversos tipos de
bacterias- hasta las células eucariotas, mayores y radicalmente más complejas, ,
tal como las encontramos hoy en los animales y plantas superiores.

Las células procariotas son estructuralmente simples

pero bioquímicamente diversas 10 \\
Las bacterias son los organismos más sencillos que se encuentran en la mayoría '-
de hábitats naturales. Se trata de células esféricas o alargadas, general.mente de

12 Capítulo 1 : La evolución de la célula

 Spirillum Figura 1-l 2 Estructuras y tamaños
O O O 7 L"'W' ¿ de procariotas. (A) Algunas células
procartotas dibujadas a escala.
una espiroqueta (B) Micrografía electrónica de una
sección longitudinal de una bacteria
(Escherichia col1); el ONA celular está
Anabaena (una cianobacteria) concentrado en la región pálida de la
figura. (Por cortesía de E. Kellenberger.)

Bacillus grande

Escherichia cofi

•• 3 especies
- Staphy/ococcus ...,- de Mycopfasma
l__j

- Rickettsia 1 µm
1µm
IA) 1B)

un diámetro de varios micrómetros (Figura 1-12). A menudo poseen una envol-

tura protectora resistente, denominada pared celular, por debajo de la cual una
membrana plasmática rodea a un único compartimiento citoplasmático que
contiene DNA, RNA, proteínas y pequeñas moléculas. Al microscopio electróni-
co, este interior celular aparece como una matriz de textura variable y sin ningu-
na estructura interna organizada evidente (véase la Figura l-12B}.
Las bacterias son pequeñas y se pueden replicar a gran velocidad, simple-
mente dividiéndose en dos mediante fisión binaria. Cuando el alimento es
abundante, "la supervivencia del más apto" significa generalmente la supervi-
vencia de los que pueden reproducirse con mayor rapidez. En condiciones ópti-
mas, una misma célula procariota se puede dividir cada 20 minutos, y por lo tan-
to dar lugar a 5 mil millones de células (aproximadamente el mismo número de
la población humana mundial actual) en menos de 11 horas. La capacidad de di-
vidirse con rapidez permite que las poblaciones de bacterias se adapten rápida-
mente a los cambios de su ambiente. Por ejemplo, en condiciones de laboratorio
una población de bacterias mantenida en un gran recipiente evoluciona en unas
cuantas semanas, mediante mutación espontánea y selección natural, y consi-
gue utilizar como fuente de carbono nuevos tipos de moléculas de azúcar.
En la Naturaleza las bacterias viven en una gran variedad de nichos ecológi-
cos y muestran la riqueza correspondiente a su composición bioquímica. Se

bacterias anaeróbicas que viven en

condiciones ácidas calientes (por ejemplo,
bacterias del azufrel
ARQUEBACTERIAS bacterias que viven en condiciones salinas
(procariotas) extremas (halófilas extremas)
bacterias anaeróbicas que reducen el C02
a metano (metanógenas)

bacterias gram positivas

bacterias verdes fotosintetizadoras (anaeróbicas)

Figura 1-13 Relaciones familiares
EUBACTERIAS cianobact.erias !algas verde-azules) entre las bacterias actuales. Las
(procaríotas) flechas indican posibles vías de
bacterias púrpuras fotosintetizadoras
evolución. El origen de las ce1ulas
bacterias gram negativas no fotosintetízadoras
eucariotas se discute más adelante en
espiroquetas el texto.

De los procariotas a los eucariotas 13

pueden reconocer dos grupos distintos: las eubacterias, que son las formas más
habituales y viven en el suelo, el agua y los organismos vivos; y las arquebacte-
rias, que se encuentran en ambientes tan incómodos como ciénagas, profundi-
dades marinas, aguas salobres y fuentes ácidas calientes (Figura 1-13).
Existen especies de bacterias que pueden utilizar como alimento práctica-
mente cualquier tipo de molécula orgánica, incluidos azúcares, aminoácidos,
grasas, hidratos de carbono, polipéptidos y polisacáridos. Algunas son capaces
incluso de obtener los átomos de carbono del CO2 y los átomos de nitrógeno del
N2 • A pesar de su simplicidad relativa, las bacterias han sobrevivido durante más
tiempo que cualquier otro organismo y todavía constituyen el tipo de células
más abundante de la Tierra.

Las reacciones metabólicas evolucionan 10, 11

Una bacteria que crezca en una solución salina que contenga un único tipo de
fuente de carbono, como por ejemplo la glucosa, debe realizar un elevado nú-
mero de reacciones químicas. No sólo debe obtener de la glucosa la energía quí-
mica necesaria para muchos procesos vitales, sino que también debe utilizar los
átomos de carbono de la glucosa para sintetizar todos los tipos de moléculas or-
gánicas que la célula necesita. Estas reacciones están catalizadas por cientos de
enzimas que trabajan en "cadenas" de reacciones, de forma que el producto
de una reacción es el sustrato de la siguiente; estas cadenas enzimáticas, deno-
minadas vías metabólicas, se estudiarán en el capítulo siguiente.
Probablemente cuando empezó la vida sobre la Tierra estas elaboradas re-
acciones metabólicas eran poco necesarias. Las células podian sobrevivir y cre-
cer gracias a las moléculas de su entorno. Pero a medida que se agotaron estos
recursos naturales, la competencia por estas limitadas fuentes de recursos fue

metabolito asequible
en el medio externo

Figura l-14 Dos maneras posibles a

través de las cuales pudieron
evolucionar las vías metabólicas.
(Al La célula de la izquierda tiene a su
disposición una serie de substancias
afines [A, B, C, D) producidas por
nueva enzima
síntesis prebiótica. Una de ellas, la
A substancia D, es metabólicamente útil.
Cuando la célula agota la reserva
2 B
disponible de O, obtiene una ventaja
selectiva con la evolución de una
nueva enzima que puede producir O a
nueva enzima nueva enzima partir de la substancia afin C.
Mediante una serie de pasos similares
pueden haber surgido vías metabólicas
3 3
fundamentalmente importantes.
A [B) A la derecha, un compuesto A
metabólicamente útil se halla
disponible en abundancia. En el
nueva enzima
nueva enzima transcurso de la evolución aparece una
enzima que, por casualidad, tiene la
capacidad de convertir la substancia A
4 4 en la substancia B. Luego se producen
otros cambios dentro de la célula, que
le permiten utilizar la nueva
substancia. La aparición de otras
enzimas puede dar lugar a una larga
(A) (B) cadena de reacciones.

14 Capítulo 1 : La evolución de la célula

 ~ ~
Figura 1-15 El enlace tioéster.
• - SH + HO-c -■ . .s-c-■

tiol ácido carboxllico tioéster

cada vez más intensa. Los organismos que habían desarrollado enzimas para fa-
bricar moléculas orgánicas poseían una gran ventaja selectiva. De esta manera,
se cree que la dotación de enzimas de las células aumentó gradualmente, gene-
rando las vías metabólicas de los organismos actuales. La Figura 1-14 muestra
dos maneras plausibles por las que podría haber surgido una vía metabólica du-
rante la evolución.
Si las vías metabólicas evolucionaron por adición secuencial de nuevas reac-
ciones enzimáticas a las ya existentes, las reacciones más antiguas, al igual que
los anillos más viejos del tronco de un árbol, deben de hallarse más próximas al
centro del "árbol metabólico", donde se sintetizan los bloques constitutivos mo-
leculares básicos más esenciales. Esta posición central del metabolismo está cla-
ramente ocupada por los procesos químicos en los que intervienen los azúcares
fosfato. Entre estos procesos el más central probablemente es la secuencia de re-
acciones conocida como glucolisis mediante la cual La glucosa puede ser degra-
dada en ausencia de oxígeno (es decir, de forma anaeróbica). Las vías metabóli-
cas más antiguas debieron ser anaeróbicas ya que no existía oxígeno libre en la
atmósfera de la Tierra primitiva. La glucolisis se produce prácticamente en todas
las células vivas e impulsa la formación del compuesto adenosín trifosfato o ATP,
que es utilizado por todas las células como una versátil fuente de energía quúni-
ca. Algunos compuestos tioéster desempeñan un papel fundamental en las reac-
ciones de transferencia de energía de la glucolisis y en un gran número de otros
procesos bioquímicos básicos en los que dos moléculas orgánicas (un grupo tiol
y un ácido carboxílico) se unen mediante un enlace rico en energía en el que in-
terviene el azufre (Figura 1-15). Se ha argumentado que esta simple pero pode-
rosa estrategia es una reliquia de procesos prebióticos, que refleja las reacciones
que tuvieron lugar en el ambiente sulfuroso volcánico de la tierra primitiva1 an-
tes incluso de que el RNA hubiera empezado a evolucionar.

j Conectados a estas reacciones centrales de la glucolisis se encuentran cien-

tos de procesos químicos distintos. Algunos de ellos son responsables de la sín-
tesis de pequeñas moléculas, muchas de las cuales son utilizadas en reacciones
posteriores para producir los grandes polímeros específicos del organismo. Otras
reacciones se utilizan para degradar a unidades químicas más simples moléculas
complejas ingeridas como alimento. Uno de los rasgos más notables de estas re-
acciones metabólicas consiste en que se producen en todos los tipos de organis-
mos, lo cual sugiere que su origen es extremadamente antiguo.

Comparando secuencias de DNA se pueden deducir

relaciones evolutivas 12
1,as-enzimaJ,que catalizan las reacciones metabólicas fundamentales, sin dejar
de desarrouar las mismas funciones esenciales, sufrieron modificaciones pro-
gresivas a medida que los organismos evolucionaron hacia formas divergentes.
Por esta razón la secuencia de aminoácidos del mismo tipo de enzima de dife-
rentes especies actuales proporciona un índice extremadamente valioso de la re-
lación evolutiva existente entre estas especies. Los resultados obtenidos mues-
tran un estt'tcho paralelismo entre este índice y los proporcionados por otros
métodos, co~o por ejemplo el registro fósil. Una fuente de información aún más
rica se halla presente en la célula viva en las secuencias de nucleótidos del DNA.
Métodos modernos de análisis permiten determinar estas secuencias de DNA en
un gran número de especies y compararlas entre sí. Las comparaciones de se-
cuencias altamente conservadas, que tienen un papel central y por consiguiente

De los procariotas a los eucariotas 15

 hombre Figura 1-16 Relaciones evolutivas
sapo
entre los organismos, deducidas a
partir de las secuencias de
nucleóddos de los genes de la
subunJdad ribosómica pequefia. Estos
genes presentan secuencias altamente
conservadas, que han cambiado tan
protozoos ciliados
lentamente que pueden ser utilizadas
para medir las relaciones filo genéticas
' - - - - -- - Dictyostelium abarcando el conjunto entero de los
organismos vivos. Los datos sugieren
, - - - -- - - - - - Eug/ena
que los linajes de las plantas, animales
' - - - - - - - - - - - tripanosoma y hongos divergieron de un ancestro
común relativamente tarde en la
' - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - microsporidios
historia de las células eucariotas.
' - - - - - - - -- - - - - - - - Giardia Halobacterium y E. coli son
procariotas; el resto son eucariotas.
- - - - - - - - - - - - Halobacterium
Giardia, los microsporidios, los
'---------- - - - - - - - - E. coli tripanosomas, Euglena, y los
protozoos ciliados son protistas
(eucariotas unicelulares). (Adaptado
durante la evolución sólo cambian lentamente, pueden poner de manifiesto pa- de M.L. Sogin, J.H. Gunderson, H.J.
rentescos entre organismos que divergieron hace tiempo (Figura 1-16), mientras Elwood, R.A. Alonso and DA. Peattie,
que secuencias que evolucionan rápidamente pueden utilizarse para determinar Science 243:75-77, 1989. © 1989 the
cómo evolucionan especies Últimamente relacionadas. Es de esperar que la con- AAAS.)
tinua aplicación de estos métodos permitirá seguir el curso de la ~.volueión con
una exactitud sin precedentes hasta el momento. / ·.

Las cianobacterias pueden fijar C02 yN2 13

A medida que se intensificó la competencia por los materiales crudos necesarios
para smtesis orgánica, los organismos capaces de utilizar directamente de la at-
mósfera átomos de carbono y de nitrógeno (en forma de C02 y de N 2) tuvieron
más ventaja. Sin embargo, aunque el C02 y el N2 eran muy abundantes, también
resultaban muy estables, por lo que era necesaria una gran cantidad de energía y
un elevado número de reacciones químicas complicadas para transformarlos en
formas utilizables - es decir, en molécuJas orgánicas como los azúcares simples.
En el caso del C02, el mecanismo principal que apareció para conseguir esta
transformación fue la fotosíntesis, en la que la energía radiante obtenida del sol
se utiliza para facilitar la conversión de C02 en compuestos organicos. La inter-
acción de la luz solar con una molécula de pigmento, la clorofila, excita un el(;!c-
trón que pasa a un estado de mayor energía. Cuando el electrón cae de nuevo a
un nivel de menor energía, la energía que se desprende impulsa unas reacciones
químicas, facilitadas y dirigidas por moléculas proteicas.
Probablemente una de las primeras reacciones impulsadas por la luz solar fue
la generación de "poder reductor". Los átomos de carbono y de nitrógeno del C02
y del N2 atmosféricos se hallan en un estado oxidado e inerte. Una manera de con-
seguir que sean más reactivos para que participen en las reacciones de biosíntesis
consiste en reducirlos -es decir, en proporcionarles una mayor cantidad de elec-
trones. Ello se consigue en varias etapas. En la primera, se liberan electrones de
dadores débiles de electrones, y se transfieren a un dador fuerte de electrones, por
medio de la clorofila, a través de una reacción en la que interviene la luz; en el pro-
ceso de reducción el dador fuerte de electrones se utiliza para reducir el C02 o el
N2• El estudio de los mecanismos de fotosíntesis en diversas bacterias actuales su-
giere que una de las primeras fuentes de electrones fue el H 2S, siendo el producto
residual primario el azufre elemental. Más tarde se llevó a cabo el proceso mucho
más difícil, pero en último término más rentable, de obtener electrones del HP y
el 0 2 fue liberado en grandes cantidades como producto residual.
Actualmente las cianobacterias (conocidas también como algas azuJes) son
una vía principal a través de la cual el carbono y el nitrógeno son transformados

16 Capítulo 1: La evolución de la célula

)
en moléculas orgánicas, penetrando así en la biosfera. Constituyen los organis-
mos más autosuficientes de los que viven en la actualidad. Al ser capaces de "fi-
jar" el C0 2 y el N2 en moléculas orgánicas están capacitadas, en una primera
aproximación, para vivir únicamente del agua, del aire y de la luz solar; es pro-
bable que los mecanismos mediante los cuales lo consiguen hayan permanecido
esencialmente constantes durante varios miles de millones de afias. Conjunta-
mente con otras bacterias que tienen algunas de estas capacidades, crearon las
condiciones adecuadas para la evolución de otros tipos de organismos más
complejos: en cuanto algún tipo de organismos fue capaz de sintetizar a partir
de material inorgánico crudo la gama completa de componentes orgánicos celu-
lares, otros organismos pudieron subsistir alimentándose de los sintetizadores
primarios y de sus productos.

Las bacterias pueden realizar la oxidación aeróbica

de las moléculas nutritivas 13
Actualmente mucha gente está preocupada, y con razón, por las consecuencias
ambientales de las actividades humanas. Sin embargo, en el pasado otros orga-
nismos provocaron también (aunque mucho más lentamente) cambios revolu-
Figura 1-17 El oxígeno atmosférico
cionarios en el medio ambiente de la Tierra. Este cambio resulta especialmente
ye) curso de la evolución. Relación
evidente en cuanto a la composición de la atmósfera terrestre, que a través de la entre los cambios en los niveles de
fotosíntesis (proceso que liberó oxígeno) fue transformándose desde una mezcla oxígeno atmosférico y algunas de las
prácticamente carente de oxígeno hasta una mezcla en la que el oxígeno consti- principales etapas que al parecer
tuye un 21 % del total (Figura 1-17). ocurrieron durante la evolución de los
Puesto que el oxígeno es un elemento químico extremadamente reactivo, organismos vivos sobre la Tierra.
que puede interaccionar con la mayoría de los constituyentes citoplasmáticos, Como se indica, las evidencias
debió de ser tóxico para muchos organismos primitivos, al igual que Jo es para geológicas sugieren que pasaron más
muchas bacterias anaeróbicas actuales. Sin embargo, esta reactividad también de mil millones de años entre la
proporciona una fuente de energía química, y por tan.to no es sorprendente que aparición de las cianobacterias
haya sido utilizada por los organismos en el transcurso de la evolución. Utilizan- (probablemente el primer organismo
do oxígeno, los organismos pueden oxid<Jr de manera más completa las molécu- que liberó oxígeno) y el momento en
que los niveles de oxígeno empezaron
las que ingieren. Por ejemplo, en ausencia de oxígeno, la glucosa únicamente
a acumularse en la atmósfera. Se cree
puede ser degradada hasta ácido láctico o etanol, los productos finales de la glu- que este intervalo fue debido
colisis anaeróbica. Pero en presencia de oxígeno, la glucosa puede ser degradada fundamentalmente al rico aporte de
completamente a C02 y H20. De esta manera se puede obtener mucha más hierro ferroso disuelto en los océanos,
energía por cada gramo de glucosa. La energía liberada en la respiración - Ja oxi- que reaccionó con el oxígeno liberado
dación aeróbica de las moléculas alimenticias- se utiliza para impulsar la sínte- formando enormes depósitos de óxido
sis de ATP, de una manera muy parecida a la que Jos organismos fotosintéticos de hierro.

20

NIVELES DE
OXIGENO EN LA
ATMÓSFERA
(%) 10

.l
TIEM PO
(MILES DE - - - ~- - - - - - - - - - - - - - - ; . . . ................___________~~

~~L¡i~~~ 1 1 1
01formación da Y-•'i O 1 2 1I 13 4 t

T
1
actualmente
los océanos
y de los p rimera primera liberación origen de las células prim eros
continentes células de oxígeno por fotosi nt éticas vertebrados
fo rmació n vivas fotosíntesis eucarlotas
de le Tierra la respiración
primares células aeró bica prim eros animales
fotosintéticas se generall;z,a y plantas pluricelulares

De los procariotas a los eucariotas 17

CÉLULA ANIMAL CÉLULA VEGETAL indiferenciada de una planta superior
E
d
..:;,,., - - - - mitocondria
~
memb~na - - -~ 1
plasmática
retículo
endoplasmático
,.,.__ _ _ _ citosol - - --++-fl!.:
centrlolo

núcleo
1

;!.,.!;~ - - - ~uola
lisosomas \
1
peroxisomas
/
- - - - - - - - 1 0- 30 µ m - - -- -- i . - - -- -10-100 µm- - - --..i
)

MEMBRANA PLASMÁTICA RETICULO ENDOPLASMÁTICO

El límite externo de la célula es la membrana plasmática, una Por todo el citoplasma de las células eucarióticas se extiende un
capa continua de moléculas lipídicas de unos 4-5 nm de grosor, sistema de membrana formando cisternas, sáculos y tubos
en la que están incluidas varias proteínas. aplanados, ocupando rodeando un amplio espacio intracelular.
La membrana del RE se halla en continuidad estructural con la
- - - - - - bo roteica membrana externa de la envoltura nuclear y está especializada en
la síntesis y en el transporte de lípidos y proteínas de membrana.

El retículo endoplasmático rugoso (ER rugoso) se suele presentar

como sáculos aplanados y exteriormente está recubierto por
ribosomas, dedicados a la síntesis proteica.

COMPLEJO DE GOLGI
El retícu lo endoplasmático liso (ER liso) suele ser más tubular
Un sistema de sáculos apilados, limitados por membrana y y carece de ribosomas. Su principal función se centra en el
aplanados, implicados en la modificación, selección y metabolismo lipídico.
empaquetamiento de macromoléculas para la secreción o para
la exportación a otros órganulos.

LISOSOMAS PEROXISOMAS

IOH,5µm ~ IO,><.Sµm
Alrededor del complejo de Golgi se ~ @~
encuentran numerosas vesículas pequeñas'@ - @ ~ vesículas limitadas por vesículas limitadas por
rodeadas de membrana (de más de 50 nm).
Se cree que transportan material desde el
complejo de Golgi a los diferentes
€) ~
\~!'·· membrana (lue contienen
enzimas hidrolíticas
membrana que contienen
enzimas oxidativas que
generan y destruyen el
compartimentos de la célula. peróxido de hidrógeno
 NÚCLEO
El núcleo es el orgánulo más aparente
de la célula. Está separado del citoplasma
por una envoltura formada por dos membranas.
Todo el DNA cromosómico se encuentra
en el núcleo, empaquetado en fibras de
cromatina gracias a su asociación con una
cantidad igual de proteínas histonas.
El contenido nuclear, el nucleoplasma,
se comunica con el citosol por medio de
unas aberturas dé la envoltura nuclear
dE\nominadas poros nucleares.

nucléolo: una fábrica

dentro del núcleo,
donde se ensamblan
los ribosomas de la
célula
cromatina
membrana interna
envoltura nuclear
- { membrana externa

CITOESOUELETO MITOCONDRIAS
En el citosol, unas agrupaciones de filamentos proteicos Aproximadamente del tamaño de las bacterias, las mitocondrias son
forman redes que le confieren a la célula su forma y que las centrales energéticas de todas las células eucariotas; utilizan la
constituyen la base de sus movimientos. Los tres energía obtenida combinando oxígeno con moléculas nutritivas para
principales tipos de elementos del citoesqueleto son: producir ATP.

1. microtúbu los
25nm
diámetro
membrana interna plegada
formando crestas r
0,5
µm

2. filamentos {le actina

.::::
3. filamentos intermedios
= 8nm
diámetro l
10 nm las fases terminales de el espacio de la matriz contiene
diámetro la oxidación tienen lugar una solución concentrada de
en la membrana interna muchas enzimas diferentes

ORGÁNULOS ESPECIALES DE LA CÉLULA VEGETAL

Vacuola: Una vesícula muy grande,
Cloroplastos: Estos plastos, que contienen clorofila, son limitada por una membrana unitaria,
orgánulos rodeados por una doble membrana, y se que ocupa hasta el 90% del volumen
encuentran en todas las plantas superiores. Un elaborado celular; la vacuola actúa en la
sistema de membranas en el interior del cloroplasto regulación de la presión osmótica
contiene el aparato fotosintetizador. y también en la digestión
intracelular.
membrana externa tilacoide membrana plasmática

membrana de la vacuola (tonoplasto)

estroma

Pared celular: Las células

vegetales están rodeadas
por una pared rígida formada
por fibrillas de celulosa
depositadas en una matriz
pared [
formada por otros polisacáridos. celular
0,1-10 µm
- - - - -- - ~sµm - - -- - --
membrana plasmática
producen ATP a partir de la energía de la luz sol.ar. En ambos procesos existe una
serie de reacciones de transferencia electrónica que genera un gradiente de H+
entre el exterior y el interior de un compartimiento rodeado por una membrana;
el gradiente de 1-J+ se utiliza luego para impulsar la síntesis del ATP. Actualmente,
la respiración es utilizada por la gran mayoría de organismos, incluidos la mayor
parte de los procariotas.

Las células eucariotas poseen varios orgánulos característicos14

¿Qué sucedió con los organismos anaeróbicos, con los que había empezado la
vida, en cuanto se fue acumulando oxígeno molecular en la atmósfera? En un
mundo rico en oxígeno, que no podían utilizar, se hallaban en franca desventaja.
Es indudable que algunos se extinguieron. Otros desarrollaron la capacidad de
respirar o encontraron nichos en los que escaseaba el oxígeno y en los que pu-
ctieron continuar un tipo de vida anaeróbica. Otros, se transformaron en preda-
dores o parásitos de las células aeróbicas. Y algunos parece que descubrieron 5µm
una estrategia de supervivencia más astuta y más rica de implicaciones para el
futuro: se cree que formaron una asociación íntima con un tipo aeróbico de cé- Figura 1-18 El núcleo celular. El
lula, viviendo en simbiosis con él. Ésta es la explicación más plausible del origen núcleo contiene la mayor parte del
de las células actuales de tipo eucariota (Panel 1-1, págs. 18-19), que constitu- DNA de la célula eucariota. La figura lo
yen el tema principal de este libro. muestra en un corte ultrafino de una
Por definición, y a diferencia de las células procariotas, las células eucario- célula de mamífero, observada al
tas tienen un núcleo ("caryon" en griego), que contiene la mayor parte del DNA microscopio electrónico. No sabemos
celular y que está rodeado por una doble membrana (Figura 1-18). Por consi- cómo y cuándo se generó el núcleo¡ en
la Figura 12-5 se presentan algunas
guiente, el DNA se mantiene en un compartimiento, separado del resto del con-
especulaciones sobre este origen. (Por
tenido celular, el citoplasma, que es donde se producen la mayoría de las reac-
cortesía de Daniel S. Friend.)
ciones metabólicas de la célula. Además, en el citoplasma se pueden distinguir
muchos orgánulos característicos. Entre ellos destacan dos pequeños tipos de
corpúsculos, las mitocondrias y los cloroplastos (Figuras 1-19 y 1-20). Cada w10
de ellos está rodeado por su propia doble membrana, que es químicamente dife-
rente de la membrana que envuelve al núcleo. La presencia de mitocondrias

1µm

Figura l-19 Un cloroplasto. Micrografía electrónica Figura l-20 Una mitocondrla. En casi
de un cloroplasto de una célula de musgo, todas las células eucariotas, las
mostrando su extenso sistema de membranas m itocondrias realizan la degradación
internas. Los sacos membranosos aplanados oxidativa de las moléculas nutrientes.
contienen clorofila y están dispuestos en pilas, o Tal como se observa en esta
grana. Este cloroplasto contiene también grandes micrografía electrónica, presentan una
acúmulos de almidón. (Por cortesía de J. Burgess.) ·membrana externa lisa y una
membrana interna altamente
replegada. (Por cortesía de Daniel S.
Friend.)

20 Capítulo l : La evolución de la célula

 constituye un rasgo casi universal de las células eucariotas•, mientras que los
cloroplastos se encuentran únicamente en aquellas células eucariotas que pue-
den realizar fotosíntesis - es decir, en las plantas, pero no en los animales ni en
los hongos. Se cree que ambos orgánulos tienen un origen simbiótico.

Las células eucariotas dependen de las mitocondrias

para su metabolismo o:xidativo 15
Las mitocondrias muestran muchas similitudes con los organismos procariotas de
vida libre: por ejemplo, se parecen a menudo a las bacterias en cuanto a tamaño y
forma, contienen DNA, fabrican protemas y se reproducen dividiéndose en dos.
Rompiendo las células eucariotas y separando Los elementos que las constituyen,
es posible demostrar que las mitocondrias son responsables de la respiración y
. que este proceso no se produce en ninguna otra parte de la célula eucariota. Sin las
mitocondrias, las células de los animales y de Los hongos serían organismos anae-
róbicos que para obtener su energía dependerían del proceso relativamente poco
eficaz y antiguo de la glu~olisis. Muchas bacterias actuales respiran igual que las
mitocondrias, y parece probable que las células eucariotas sean descendientes de
organismos anaeróbicos primitivos que sobrevivieron en un mundo que había pa-
sado a ser rico en oxígeno incorporando bacterias anaeróbicas -manteniéndolas
en simbiosis, debido a su capacidad de consumir el oxígeno atmosférico y produ-
cir energía. Ciertos microorganismos actuales muestran claras evidencias de la via-
bilidad de esta secuencia evolutiva. Existen varios cientos de especies unicelulares
de organismos eucariotas que se parecen a la hipotética célula eucariota ancestral
en que viven en condiciones pobres de oxígeno (por ejemplo, en el intestino de los
animales) y no presentan mitocondrias. Recientemente, análisis comparativos de
secuencias nucleotidi.c as han sugerido que al menos dos grupos de estos organis-
mos, los diplom.onados y los microsporidios, pudieron divergir muy temprana-
mente del Linaje princípal de las otras células eucariotas (Figura 1-21). Existe otro
eucariota, la ameba Pelomyxa palustris que a pesar de que carece de rnitocondrias,
realiza un metabolismo oxidativo hospedando bacterias aeróbkas en su citoplas-
(A)
ma, manteniendo eón ellas una relación simbiótica permanente. Por consiguiente,
los diplomonados y los microsporidios por una parte y Pelomyxa por otra, parecen Figura 1-21 El diplomonado Giardia.
dos de los estadios propuestos en la evolución de los eucariotas. (A) Dibujo, tal como se ve al
microscopio óptico. (B) Micrografía
• (N. del T.) Únicamente los microsporidios, protozoos endoparásitos, carecen de mitocondrias. electrónica de una sección
a través del aplanado cuerpo de la
célula. Se cree que Giardia es uno de
los tipos celulares más primitivos de
célula eucariota. Es nucleado (de
h echo tiene dos nucleos idénticos),
presenta citoesqueleto con actina y
tubulina y se desplaza mediante
flagelos típicos que contienen
microtúbulos; sin embargo no tiene ni
mitocondrias ni cloroplastos ni un
retículo endoplasmático normal ni
complejo de Golgi. Estudios de
secuencias de nucleótidos indican que
está al menos tan relacionado con las
bacterias como con otros e ucariotas,
de los que debió de diverger en e tapas
tempranas de la evolución. Giardia
vive como un parásito en el intestino y
en humanos puede causar
enfermedades. (A, según G.D. Schmidt
y L.S. Roberts, Foundations of
parasitology, 4th Ed. St. Louis: Times
Mirror/Mosby, 1989; B, por cortesía de
Dennis Feely.)

\ De los procariotas a los e ucariotas 21

,· '
 La adquisición de mitocondrias debió de tener muchas repercusiones. La célula huésped cianobacteria

membrana plasmática, por ejemplo, está fuertemente comprometida en el meta-

bolismo energético en las células procariotas pero no en las eucariotas, en las que
esta función crucial ha sido relegada a la mitocondria. Parece probable que la sepa-
ración de funciones dejó libre a la membrana plasmática eucariota para desarrollar
otras características importantes. Concretamente, dado que las células eucariotas
no necesitan mantener un marcado gradiente de H+ a través de su membrana plas-
mática, tal como requieren las procariotas para la producción de ATP, fue posible
utilizar cambios controlados de la permeabilidad iónica de la membrana plasmáti-
ca con finalidád de sefiales celulares. Así, aproximadamente al mismo tiempo en
que surgieron las células eucariotas, aparecieron en la membrana plasmática va-
rios tipos de canales iónicos. En la actualidad, en organismos superiores estos ca-
nales median elaborados procesos de señales eléctricas -especialmente en el siste-
ma nervioso- y controlan gran parte del comportamiento de organismos
eucariotas unicelulares de vida libre como los protozoos (ver más adelante). surco de segmentación Sµm

Figura 1-22 Un pariente próximo de

Los cloroplastos son descendientes de una célula las cianobacterias actuales, que vive
en una relación simbiótica
procariota incorporada 16 permanente dentro de otra célula.
Los cloroplastos realizan la fotosíntesis de una manera muy parecida a como lo Los dos organismos reciben el nombre
hacen las cianobacterias procariotas, captando la luz solar en la clorofila que conjunto de Cyanoplwra parad.ax.a. La
está unida a sus membranas. Algunos cloroplastos guardan una estrecha seme- "cianobacteria" está en el proceso de
janza ultraestructural con las cianobacterias, siendo similares en tamaño y en división. (Por cortesía de Jeremy D.
la manera en que sus membranas portadoras de clorofila están apiladas (véase Pickett-Heaps.)
Figura 1-20). Además, los cloroplastos se reproducen por división y contienen
DNA, con una secuencia de nucleótidos casi idéntica a la de fragmentos del cro-
mosoma bacteriano. Todo ello sugiere claramente que los cloroplastos compar-
ten un ancestro común con las cianobacterias y que evolucionaron a partir de
procariotas que pasaron a vivir dentro de células eucariotas. Estos procariotas
realizaron fotosíntesis para sus huéspedes como contraprestación por la protec-
ción y por el ambiente nutritivo que estos últimos les suministraban. De hecho,
la simbiosis de células fotosintetizadoras con otros tipos celulares es un fenóme-
no común, y se' pueden encontrar algunas células eucariotas actuales que con-
tienen auténticas cianobacterias (Figura 1-22).

Figura 1-23 Hipotético origen de los

eucariotas actuales, por simbiosis de
desconocido ancestro procaríota
anaeróbico de los eucaríotas
procariotas aeróbicos y anaeróbicos.
( No se conoce la relación entre el
momento en que se originó el núcleo
de los eucariotas y el momento en que
la línea de los eucariotas se separaron
de las arquebacterias y de las
procariota ancestral
eubacterias.

22 Capítulo 1 : La evolución de la célula

--- ---- - - - --- - ~ - - -- -

 Tabla 1-1 Comparación entre organismos procariotas y eucariotas

Procariotas Eucariotas
Organismos bacterias y cianobacterias protistas, hongos, plantas y animales
Tamaño celular generalmente de 1 a 10 µrn en dimensión lineal generalmente de 5 a 100 µm en dimensión lineal
Metabolismo anaeróbico o aeróbico aeróbico
Orgánulos pocos o ninguno núcleo, mitocondrias, cloroplastos, retículo
endoplasmático, etc.
DNA DNA circular en el citoplasma moléculas lineales de DNA muy largas que contienen
muchas regiones no codificantes; organizado en
cromosomas y rodeado por la envoltura nuclear
RNA y proteína RNA y protefua sintetizados en el mismo RNA sintetizado y procesado en el núcleo; protemas
compartimiento sintetizadas en el citoplasma
Citoplasma sin citoesqueleto: corrientes citoplasmáticas, citoesqueleto compuesto por filamentos proteicos;
endocitosis y exocitosis ausentes corrientes citoplasmáticas, endocitosis y exocitosis
División· celular separación de cromosomas por ÚOión a la separación de cromosomas mediante un aparato: el
membrana plasmática huso mitótico
Organización principalmente unicelular principalmente pluricelular, con diferenciación de
celular muchos tipos celulares

La Figura 1-23 muestra los orígenes evolutivos de los eucariotas, de acuerdo

con la teoría simbiótica. Sin embargo, debemos subrayar que las rnitocondrias y
los cloroplastos muestran, además de similitudes, importantes diferencias con
respecto a las bacterias aeróbicas y a las cianobacterias actuales respectivamen-
te. Por ejemplo, su cantidad de DNA es muy reducida, de forma que la mayor
parte de las moléculas a partir de las cuales están constituidos, son sintetizadas
en algún otro lugar de la célula eucariota e importadas al orgánulo. Si bien pare-
ce que se originaron corno bacterias simbióticas, han sufrido importantes cam-
bios evolutivos y han pasado a ser altamente dependientes de sus huéspedes y
sujetos a su control.
La mayoría de los eucariotas actuales tienen en común las mitocondrias y
toda una constelación de rasgos que los d istinguen de los procariotas (Tabla 1-
1). Todos estos rasgos actúan conjuntamente proporcionando a las célúlas euca-
riotas un gran número de capacidades diferentes de forma que tan sólo es posi-
ble especular sobre cuál de ellos surgió primero. Sin embargo, la adquisición de
mitocondrias por una célula eucariota anaeróbica debe de haber sido un paso
crucial en el éxito de los eucariotas al proporcionarles el medio de utilizar una
abundante fuente de energía para la dirección de sus complejas actividades.

Las células eucariotas contienen una rica dotación

de membranas internas
Las células eucariotas suelen tener un volumen mucho mayor que las procario-
tas (por lo general, más de mil veces superior) y contienen una cantidad propor-
cionalmente superior de la mayoría de materiales celulares; una célula humana,
por ejemplo, contiene 1000 veces más DNA que una bacteria típica. Este gran ta-
maño plantea problemas. Puesto que todas las materias primas para las reaccio-
nes de biosíntesis que se producen en el interior de una célula deben entrar y sa-
lir pasando a través de Ja membrana plasmática que recubre su superficie, y
puesto que en la membrana también se producen importantes reacciones, un
aumento en el volumen celular exige un aumento en la superficie celular. Pero la
geometría nos ensefia que un aumento simple de la escala de una estructura in-
crementa eJ volumen al cubo de Ja dimensión lineal, mientras que el área super-
ficial queda aumentada sólo al cuadrado. Por consiguiente, si la gran célula euca-
riota ha de conservar la misma proporción de superficie respecto al volumen
que presenta la célula procariota, deberá suplementar su área superficial me-
diante circunvoluciones, pliegues y otras transformaciones de su membrana.

j De los procariotas a los eucariotas 23

 ER liso ER rugoso ribosomas mitocondria 1µm

Es probable que esto explique en parte la compleja profusión de membra- Figura 1-24 Retículo endoplasmádco.
nas internas, que es una característica básica de todas las células eucariotas. Las Micrografía electrónica de un corte
membranas rodean al núcleo, a las mitocondrias y (en las células vegetales) a los ultrafino de una célula de mamífero,
cloroplastos. Forman un compartimiento laberíntico denominado retículo en- mostrando zonas Usas y zonas rugosas
del reúculo endoplasmático (ER). Las
doplasmático (Figura 1-24), donde son sintetizados los lípidos y las proteínas de
regiones lisas están impUcadas en el
las membranas celulares, así como e1 material destinado a ser exportado por la
metabolismo lip(ctico mientras que las
célula. También forman agrupaciones de sáculos aplanados, que constituyen el regiones rugosas, tapizadas de
complejo de Golgi (Figura 1-25), que participa en la modificación y en el lrans- ribosomas, son lugares de síntesis de
porte de las moléculas fabricadas en el retículo endoplasrnático. Las membranas proteínas destinadas a abandonar el
rodean a los lisosomas, los cuales contienen reservas de las enzimas necesarias citosol y entrar en otros
para la digestión intracelular, enzimas que de este modo no pueden atacar a las compartimientos de la célula. (Por
prote(nas y ácidos nucleicos de la propia célula. De la misma manera, las mem- cortesía de George Palade.)
branas rodean a los peroxisomas, donde se generan y degradan peróxidos peli-
complejo de Golgl
grosamente reactivos durante la oxidación por el oxígeno de varios tipos de mo-
léculas. Las membranas también forman pequeñas vesículas y, en las plantas,
una gran vacuo/a llena de líquido. Todas estas estructuras rodeadas de membra-
na corresponden a distintos compartimientos intracitoplasmáticos. En una cé-
lula animal típica, estos compartimientos (u orgánulos) ocupan casi la mitad del
volumen celular total. El restante compartimiento del citoplasma, que incluye
todos los elementos celulares salvo los orgánulos delimitados por una membra-
na, suele recibir el nombre de citosol.
Todas las estructuras membranosas que acabamos de citar se encuentran
dentro de la célula. Por consiguiente, ¿cómo pueden ayudar a solucionar el pro-
blema mencionado al principio y suministrar a la célula un área superficial que
sea suficiente para su gran volumen? La respuesta es que hay un intercambio con-
tinuo entre los compartimientos internos delimitados por membrana y el exterior
de la célula. Esto se consigue mediante la endocitosis y la exocitosis, procesos que
se presentan únicamente en las células eucariotas. En la endocitosis, porciones de 1µm
la membrana superficial externa se invaginan y separan por estrangulación, for- Figura 1-25 El complejo de Golgi.
mando unas vesículas citoplasmáticas, rodeadas de membrana y que contienen Micrografía electrónica de un corte
sustancias que se hallaban presentes en el medio externo o que fueron adsorbidas ultrafino de una célula de mamífero,
en la superficie celular. Partículas muy grandes o incluso células extrañas enteras mostrando el aparato o complejo de
son capturadas por fagocitosis - una forma especial de endocitosis. La exocitosis es Golgi, que está compuesto por sáculos
el proceso inverso, por el cual unas vesículas rodeadas de membrana, presentes membranosos aplanados dispuestos
en el interior de la célula, se fusionan con la membrana plasmática y liberan su en múltiples filas (véase también el
Panel 1-1, págs. 18-19). El complejo de
contenido al medio externo. De esta manera, las membranas que limitan a los
Golgi interviene en la síntesis y
compartimientos situados dentro de la célula incrementan el área superficial
empaquetamiento de moléculas
efectiva de la célula para los intercambios de materia con el medio exterior. destinadas a ser segregadas por la
Como veremos en capítulos posteriores, las diversas membranas y compar- célula, así como en el transporte de
timientos rodeados por membrana de las células eucariotas han llegado a ser al- proteínas recién sintetizadas hacia el
tamente especializados, algunos para la secreción, otros para la absorción, otros compartimiento celular adecuado.
para procesos específicos de biosíntesis, etc. (Por cortesía de Daniel S. Friend.)

24 Capítulo 1 : La evolución de la céluJa

 Figura 1-26 Actlna. En esta
micrografía electrónica, preparada por
la técnica de sublimación, se observa
una red de filamentos de actina
subyacente a la membrana plasmática
de una célula animal. (Cortesía de
John Heuser.)

100 nm

Las células eucariotas tienen un citoesqueleto

Cuanto mayor es una célula, y cuanto más complejas y especializadas son sus es-
tructuras internas, tanto mayor es la necesidad de mantener estas estructuras en
sus lugares aprnpiados y de controlar sus movimientos. Todas las células eucario-
tas tienen un esqueleto interno, el citoesqueleto, que confiere a la célula su forma,
su capacidad de moverse y su habilidad para distribuir sus orgánulos y transportar-
los de una parte a otra de La célula. ELcitoesqueleto está compuesto por una red de
filamentos proteicos, de los cuales dos de los más importantes son los.filamentos de
actina (Figura 1-26) y los microtúbulos. Los dos debieron aparecer en una época
muy temprana de la evolución, ya que se presentan en todos los eucariotas de ma-
nera casi idéntica. Ambos internenen en La generación de los movimientos celula-
res; los filamentos de actina, por ejemplo, permiten a las células eucariotas reptar, y
participan en la contracción muscular en los animales; mientras que los microtú-
bulos son los principales elementos estructurales y generadores de fuerza de los ci-
lios y los flagelos -las largas proyecciones que existen en la superficie de algunas cé-
lulas, que se mueven como látigos y que sirven de instrumentos de propulsión.
Los filamentos de actina y los microtúbulos también son imprescindibles
para los movimientos internos que tienen lugar en el citoplasma de todas las célu -
las eucariotas. Así, los rnicrotúbulos del huso mitótico son una parte esencial de la
maquinaria utilizada habitualmente para distribuir el DNA en dos partes iguales
entre las dos células hijas, cuando una célula eucariota se divide. Por consiguien-
te, la célula eucariota no se podría reproducir sin los rnicrotúbulos. En este y en
otros casos, el movimiento mediante difusión libre sería demasiado lento o dema-
siado aleatorio para resultar eficaz. De hecho, a menudo los orgánulos de una cé-
lula eucariota parecen estar adheridos de manera directa o indirecta al citoesque-
leto y cuando se mueven, ser propulsados a lo largo de las vías citoesqueléticas.

Entre los protozoos se encuentran las células

más complejas conocidas 17
La complejidad que puede alcanzar una célula eucariota se pone de manifiesto
sobre todo en los protistas (Figura 1-27). Se trata de eucariotas unicelulares, de
vida generalmente libre, que son evolutivamente diversos (véase Figura 1-16) y
que muestran una asombrosa variedad de formas y comportamientos distintos:
pueden ser fotosintetizadores o carnívoros, móviles o sedentarios. A menudo su
anatomía celular es compleja e incluye estructuras tales como cirros sensoriales,
fotorreceptores, flagelos, apéndices a modo de patas, piezas bucales, flechas ur-
ticantes y haces contráctiles parecidos a músculos. Aunque son células aisladas,
pueden ser tan complicadas y versátiles como muchos organismos pluricelula-
res. Esto es válido sobre to9-o para el grupo de protistas conocido como protozoos,
y está particularmente bien ilustrado en el grupo conocido como ciliados.

De los procariotas a los eucariotas 25

 B.
~ D. 1---i E t---t

Didinium es un protozoo carnívoro. Tiene un cuerpo globular, de aproxima- Figura 1-27 Grupo de protlstas,
damente 150 µm de diámetro rodeado por dos hileras de cilios; su extremo frontal ilustrando algunas de las enormes
es aplanado salvo una protrusión parecida a un hocico (Figura 1-28). Didinium se variedades que pueden hallarse entre
desplaza en el agua nadando a gran velocidad mediante el batido sincrónico de esta clase de organismos
unicelulares. Estos dibujos están
sus cilios. Cuando encuentra una presa apropiada, por lo general Paramecium,
realizados a diferente escala, pero en
otro tipo de protozoo, despide desde la región de su hocico un gran número de
cada caso la barra representa 10 µm.
pequeños dardos paralizantes. Luego Didinium se fija a Paramecium y lo devora, Los organismos en (A), (B), (El, {FJ e (1)
invirtiéndose como una pelota hueca y rodeando a la otra célula, que es tan gran- son ciliados; (C) es un euglenoide; {D)
de como él mismo. La mayor parte de este complejo comportamiento - natación, es una ameba; (G) es un dinoflagelado;
paralización y captura de la presa- se genera por estructuras citoesqueléticas. si- (H) es un heliozoo. (De M.A. Sleigh,
tuadas inmediatamente por debajo de la membrana plasmática. En este córtex The Biology of Protozoa. London:
celular se encuentran, por ejemplo, los haces paralelos de rnicrotúbulos que for- Edward Arnold, 1973.)
man la parte central de cada cilio y que le permiten su movimiento de "remar".
Comportamientos depredadores de este tipo y el conjunto de características
de las que depende - tamaño grande, capacidad de fagocitosis y habilidad para
moverse en persecución de la presa- son típicas de los eucariotas. De hecho es
probable que estas características aparecieran en un estadio temprano de la
evolución, haciendo posible Ja captura de bacterias para su domesticación como
mitocondrias y cloroplastos.

En las células eucariotas el material genético

está empaquetado de forma compleja
Las células eucariotas cont~enen una gran cantidad de DNA. Como hemos dicho
anteriormente, las células humanas contienen unas mil veces más DNA que una
bacteria típica. La longitud del DNA de las células eucariotas es tan grande que

26 Capítulo 1 : La evolución de la célula

 el peligro de enmaraf'lamiento y rotura resulta muy elevado. Probablemente por
esta razón, aparecieron unas proteínas que sólo se encuentran en los eucariotas, las
hisronas, que se unen al DNA y lo enrollan formando cromosomas, compactos y
manejables (Figura 1-29). El denso empaquetamiento del DNA en los cromosomas
es una parte esencial de los preparativos para la división celular en los eucariotas
(Figura 1-30). Todos los eucariotas (salvo una pequeña excepción) tienen histonas
unidas a su DNA, y la importancia de estas proteínas se refleja en su notable con-
servación a lo largo de la evolución: varias de las histonas de una planta de guisante
son casi exactamente iguales, aminoácido a aminoácido, a las de una vaca.
Las membranas que envuelven el núcleo de las células eucariotas protegen
la estructura del DNA y la delicada maquinaria de control asociada, previenen
que se embrollen con el citoesqueleto móvil y las resguardan de muchos de los
cambios químicos que se producen en el citoplasma. También permiten separar
e independizar dos pasos cruciales de la expresión génica: (1) el copiado de las
secuencias de DNA a secuencias de RNA (transcripción del DNA) y (2) la utiliza-
ción de estas secuencias de RNA para dirigir la síntesis de proteínas específicas
(traducción del RNA). En las células procariotas no existe Ja división de estos
procesos en compartimientos - la traducción de las secue ncias de RNA a proteí-
nas empieza en cuanto estas secuencias se transcriben, incluso antes de que su
síntesis haya terminado. Pero en los eucariotas (salvo en las mitocondrias y en
los cloroplastos que en este aspecto, como en otros, se parecen más a las bacte-
rias), los dos pasos que conducen desde el gen hasta la proteína están estricta-
mente separados: la transcripción ocurre en el núcleo, la traducción en el cito-
plasma. El RNA ha de abandonar el núcleo antes de poder ser utilizado para
guiar la sCntesis proteica. Mientras se halla en el núcleo sufre una serie de com-
plicadas transformaciones, durante las cuales se eliminan unas zonas determi-
nadas de la molécula de RNA y otras se modifican (procesamiento del RNA).
Debido a estas complejidades, el material genético de una célula eucariota
ofrece muchas más oportunidades de control que las existentes en las bacterias.
100µm

Resumen Figura 1-28 lJn protozoo devorando

a otro. Los ciliados son animales
Las células vivas actuales se clasifican eri procariotas (bacterias y organismos afi- unicelulares que presentan una
nes) y eucariotas. Aunque presentan estructuras relativamente sencillas, las células inmensa diversidad de formas y
procariotas pueden ser bioqufmlcamente versátiles y muy diferentes: por ejemplo, en comportamientos. La fotografía
.las bacterias pueden encontrarse todas las vías metabólicas principales, incluidos superior muestra Didinium, un
los tres procesos energéticos fundamentales, o sea la glucolisis, la respiración y la fo- protozoo ciliado con posee dos bandas
tos En.tesis. Las células eucariotas son mayores y más complejas que las células proca- de cilios móviles y una protuberancia a
riotas, y contienen más DNA, ademds de otros componentes que permiten que este modo de hocico en su extremo
anterior, con la que captura sus presas.
DNA sea modifica.do de manera compleja. El DNA de la célula eucariota está situado
En la micrografía inferior Didinium
en un núcleo rodeado por una doble membrana, mientras que el citoplasma contie-
está devorando otro protozoo,
ne muchos otros orgánulos también delimitados por una doble membrana, entre los Paramecium. (Por cortesía de D.
que se cuentan las mitocondrias, que realizan la oxidación de las moléculas del ali- Barlow.)
mento, y en las células vegetales, los cloroplastos, que realizan la fotos!ntesis. Diver-
sos tipos de pruebas sugieren que las mitocondrias y los cloroplastos son descendien-
tes de células procariotas primitivas que se establecieron como simbiontes dentro de
una gran célula anaeróbica. lAs células eucariotas presentan también la caracterís-
tica de poseer 1m citoesqueleto de filamentos proteicos que ayuda a organizar el cito-
plasma y proporciona la maquinaria para el movimiento.

/
De las células simples a los organismos
pluricelulares 18
Los organismos unicelulares, tales como las bacterias y los protozoos, han teni-
do tanto éxito al adaptarse a una gran variedad de ambientes distintos, que
constituyen más de la mitad de la biomasa total de la Tierra. A diferencia de los

De las céluJas simples a los organismos pluricelulares 27

organismos superiores, muchos de estos organismos unicelulares pueden sinte- DNA
tizar a partir de unos cuantos nutrientes simples todas las sustancias que necesi-
tan y algunos de ellos se dividen más de una vez cada hora. ¿Cuál fue entonces la
ventaja selectiva que condujo a la evolución de los organismos pluricelulares?
La respuesta más sencilla es que los organismos pluricelulares pueden ex-
plotar recursos que ninguna célula aislada podría utilizar tan bien. Este princi-
pio, aplicado por primera vez a una simple asociación de células, ha llegado allí-
mjte en los organismos pluricelulares que conocemos. La pluricelularidad, por
ejemplo, permite que una planta llegue a ser físicamente grande; que tenga raí-
ces en el suelo, donde un grupo de células pueden absorber agua y nutrientes; y
que tenga hojas en el aire, donde otro grupo de células puede captar eficazmen-
te energía radiante del sol. En el tronco de la planta ex:isten células especializa-
das que forman conductos para el transporte del agua y de los nutrientes entre
las raíces y las hojas. Otro grupo de células especializadas forma una capa de
corteza que impide la pérdida de agua y hace posible un ambiente interno pro-
tegido (véase el Panel 1-2, págs. 30-31). La planta en conjunto no compite direc-
tamente con los organismos unicelulares por su nicho ecológico; ha encontrado
una manera radicalmente diferente de sobrevivir y multiplicarse.
Figura 1-29 Dibujo esquemático que
A medida que aparecieron los diferentes tipos de animales y plantas, alte- ilustra como las proteínas
raron el medio ambiente en el que se produjo La evolución posterior. La super- denominadas histonas, de carga
vivencia en una jungla exige características diferentes a las requeridas para so- positiva, favorecen el plegado del
brevivir en mar abierto. Las innovaciones en el movimiento, la percepción ONA en los cromosomas.
sensorial, la comunicación, la organización social -todo ello permitió a los orga-
nismos eucariotas competir, propagarse y sobrevivir de manera cada vez más
compleja.

Las células se pueden asociar formando colonias

Parece probable que uno de los primeros pasos en la evolución de los organis-
mos pluricelulares fuera la asociación de organismos unicelulares formando co-
lonias. La manera más sencilla de conseguirlo consiste en que las células hijas
permanezcan asociadas después de cada división celular. Algunas células proca-
riotas muestran incluso un comportamiento social semejante, aunque de una
manera primitiva. Las rnixobacterias, por ejemplo, viven en el suelo y se alimen-
tan de moléculas orgánicas insolubles que degradan mediante las enzimas de-
cromosoma
gradantes que segregan. Se mantienen unidas en colonias laxas, en las que las
enzimas digestivas segregadas por las distintas células se ponen en común, con
lo que aumenta la eficiencia de la alimentación (el efecto ''flotilla"). Estas células
representan de hecho una sofisticación máxima entre los procariotas, ya que
cuando el alimento disponible se agota, las células forman agregados más den-
sos y constituyen un cuerpo fructífero pluricelular (Figura 1-31), dentro del cual
las bacterias se diferencian a esporas que pueden sobrevivir incluso en condicio-
nes extremadamente hostiles. Cuando las condiciones vuelven a ser más favora-
bles, las esporas del cuerpo fructífero germinan y producen un nuevo enjambre
de bacterias.
Las algas verdes(que no deben ser confundidas con las "algas azules" proca-
riotas o cianobacterias) son eucariotas que existen en formas urucelulares, for- Figura 1-30 Dibujo esquemático de
mas coloniales y formas pluricelulares (Figura 1-32). Las diferentes especies de células eucariotas en mitosis. A la
algas verdes se pueden estudiar en orden de complejidad, ilustrándose así el izquierda se muestra una célula
tipo de progresión que ocurrió probablemente durante la evolución .de los ani- animal y a la derecha una célula
vegetal. La envoltura nuclear se ba
males y plantas superiores. Las algas verdes unicelulares, como por ejemplo Ch/,a-
roto, y el DNA, una vez replicado, se ha
mydomonas, se parecen a protozoos flagelados, salvo en que presentan cloro-
plastos que les permiten realizar la fotosíntesis. En géneros estrechamente em-
condensado en dos dotaciones
completas de cromosomas. Cada una
'
e
parentados, grupos de células flageladas viven en colonias, unidas por una ma- de las dos células en formación recibe e
triz de moléculas extracelulares segregadas por Las propias células. Las especies una dotación de cromosomas, los e
más sencillas (las del género Gonium) presentan la forma de un disco cóncavo cuales son desplazados por el huso d
formado por 4, 8, 16 o 32 células. Sus flagelos se mueven de manera indepen- m.itótico que está compuesto d
diente, pero puesto que todos están orientados en la misma dirección pueden mayoritariamente por microtúbulos. e:

28 Capítulo 1 : La evolución de la célula D,

 Figura 1-31 Micrografía electrónica
de barrido, de los cuerpos fructíferos
formados por un myxobacterium
(Chondromyces crocanis). Cada
cuerpo fructífero, empaquetado con
esporas, está formado por la
agregación y diferenciación de
aproximadamente un millón de
mixobacterias. (De P.L. Grillo ne y J.
Pangborn,J. Bacteria/. 124:1558-1565,
1975.)

0,1 mm

propulsar a la colonia por el agua. Todas las células son equivalentes entre sí, y
cada una de ellas se puede dividir dando lugar a una nueva colonia. En otros gé-
neros se encuentran colonias mayores, siendo las más espectaculares las del gé-
nero Volvox, algunas de cuyas especies viven en colonias de 50 000 o más células
unidas formando una esfera hueca. En Volvox, las distintas células que forman
una colonia están conectadas mediante finos puentes citoplasmáticos, de modo
que el batido de sus flagelos está coordinado para propulsar a toda la colonia
como tui.a pelota (Figura 1-32). Dentro de la colonia de Volvox existe un cierto
reparto del trabajo entre las células; un reducido número de ellas se ha especiali-
zado en la reproducción, sirviendo de precursoras de nuevas colonias. Las otras
células son tan dependientes unas de otras que no pueden vivir aisladas, y el or-
ganismo muere si se destruye la colonia.

Las células de un organismo superior se especializan y cooperan

En algunos aspectos, Volvox es más parecido a un organismo pluricelular que a
una simple colonia. Todos sus flagelos se mueven sincrónicamente cuando la
colonia se desplaza en el agua, de forma que la colonia está estructural y funcio-
nalmente polarizada y puede nadar hacia una fuente lejana de luz. Las células
reproductoras suelen estar confinadas en un extremo de la colonia, donde se di-
viden formando nuevas colonias en miniatura que inicialmente permanecen
dentro de la esfera madre. Así, y aunque de una manera primitiva, Volvox mues-
tra los dos rasgos esenciales de todos los organismos pluricelulares: sus células
se especializan y cooperan. Medfante la especialización y la cooperación las célu-
las se combinan formando un único organismo coordinado, con capacidades
mayores que las de cualquiera de las partes que lo componen.
Los esquemas organizados de diferenciación celular se presentan incluso en
algunos procariotas. Por ejemplo, muchos tipos de cianobacterias permanecen
agrupados después de la división celular, formando cadenas filamentosas que
pueden alcanzar hasta un metro de longitud. A lo largo del filamento, y a inter- La llave equivale en cada caso a 50 µm
valos regulares, las distintas células adquieren un carácter distintivo y se vuelven
Figura l -32 Cuatro géneros de algas
capaces de incorporar nitrógeno atmosférico en moléculas orgánicas. Estas es- verdes, estrechamente
casas células especializadas realizan la fijación del nitrógeno para las células ve- emparentados, mostrando una
cinas y comparten con ellas los productos. Pero las células eucariotas han llega- progresión desde una organización
do mucho más lejos en este tipo de distribución organizada del trabajo; ellas, a unicelular hasta una organización
diferencia de las células procariotas, son las unidades vivas a partir de las cuales colonial y multicelular. (Por cortesía
están construidos todos los organismos pluricelulares más complejos. de David Kirk.)

De las células simples a los organismos pluricelulares 29

 LA PLANTA la planta joven con flores que se presenta a la izquierda está
constituida por tres tipos de órganos: hojas, tallos y raíces.
meristemo apical del brote A su vez, cada órgano vegetal está formado por tres
/, sistemas histológicos: el básico, el dérmico y el vascular.
En último término, los tres sistemas histológicos derivan
de la actividad proliferativa de una célula de los meristemos
apicales del brote y de la raíz, y cada uno de ellos contiene
un número relativamente reducido de tipos celulares
especializados. En este Panel se describen estos tres sistemas
histológicos comunes, y las células que los forman.

LOS TRES SISTEMAS HISTOLÓGICOS

La división celular, el crecimiento y la diferenciación dan

lugar a sistemas histológicos confunciones especializadas.
TEJIDO EPIDÉRMICO(- ): Se trata del recubrimiento
externo protector de la planta que está en contacto con
planta joven el medio. Facilita la captación de agua y de iones en las
con flores haz vascular epidermis raíces y regula el intercambio gaseoso en las hojas y en
(dicotiledónea)
los tallos.
TEJIDO VASCULAR: El floema (IF/l.2/ll) y el xilema (- )
forman conjuntamente un sistema vascular continuo a
través de la planta. Este tejido conduce agua y solutos
entre los órganos y también proporciona soporte
RAÍZ
mecánico.
TEJIDO BÁSICO (c:::J): Este tejido de empaquetamiento y
de soporte ocupa la mayor parte del volumen de la planta
,:\.:
joven. También interviene en la fabricación y
endodermis periciclo
' •·.,·.·. \ /. .... /~d•.•i:-:··I f almacenamiento de alimento.
meristemos apicales e a ra z

El sistema histológico básico contiene El colénquima está formado por células vivas similares a las células
tres tipos celulares principales llamados parenquimáticas excepto en que tienen
parénquima, colénquima y esclerénquima. paredes celulares muy gruesas y en que
Las células parenquimáticas se encuentran en todos los sistemas habitualmente son alargadas y están
histológicos. Son células vivas, generalmente capaces de dividirse empaquetadas en fibras a modo de cuerdas.
posteriormente, y que presentan una pared celular primaria delgada. Son capaces de alargarse y de proporcionar
Estas células tienen varias funciones. Las células meristemáticas soporte mecánico al sistema histológico
apical y lateral de los brotes y de las raíces suministran nuevas células básico de las regiones de la planta en
necesarias para el crecimiento. La producción de alimento y de crecimiento. Las células colenquimatosas
almacén tiene lugar en las células fotosintéticas de la hoja (denominadas son especialmente abundantes en las
células del mesófilo) y del tallo; el parénquima de reserva forma el regiones subepidérmicas de los tallos.
volumen de muchos frutos y verduras. A causa de su capacidad
proliferativa, las células parenquimáticas actúan como células madre localizaciones típicas
cicatrizando las heridas e interviniendo en la regeneración.
de grupos de soporte ~
de células en un tallo f ~v
fibras

~
esclerenquimáticas .,
cloroplasto
haz vascular I Q
~
colénquima

células meristemáticas El esclerénquima, como el colénquima, tiene funciones de

de la raíz refuerzo y de soporte. Sin embargo,
núcleos haz de fibras normalmente está formado por células
muertas, con gruesas paredes celulares
50µm secundarias lignificadas incapaces de
células del alargarse cuando la planta crece. Los dos
mesófilo de tipos comunes son las fibras, que a menudo
la hoja forman largos haces, y las esclereidas, que son
Una célula de transferencia, una forma células más cortas y ramificadas existentes en
especializada de célula parenquimática, las cubiertas de la semilla y en el fruto.
se identifica fácilmente gracias a unas
complejas invaginaciones de la pared
celular primaria. El incremento del área de esclereida
la membrana plasmática bajo estas paredes
facilita el rápido transporte de solutos hacia
y desde las células del sistema vascular.
 Estomas células guarda Los pelos (o tricomas) son apéndices derivados
TEJIDO DÉRMICO
de las células epidérmicas. Existe una gran
La epidermis es la cubierta primaria protectora variedad de formas; normalmente se
externa del cuerpo de la planta. Las células de la encuentran en todas las partes de la planta.
epidermis también están modificadas formando Los pelos intervienen en la protección,

§ '"
los estomas y varios tipos de pelos. absorción y secreción; ejemplos:
L___J
Epidermis op;oo,mo , pm

le= ~-;: :~
capa de cera

J cutícula los estomas son aberturas de la epidermis,

principalmente en la cara inferior de la hoja
(envés), que regulan el intercambio gaseoso
en la planta. Están formados por dos células pelos unicelulares jóvenes de la
l~< -,r· ,r epidérmicas especializadas llamadas células
guarde, las cuales regulan el diámetro del
epidermis de la semilla del algodón.
Cuando éstos crecen, las paredes se
engruesan secundariamente con
La epidermis (normalmente de una sola poro. En cada epidermis, los estomas están
capa de células de grosor) cubre distribuidos siguiendo diferentes ordenaciones celulosa formando las fibras de algodón.
completamente el tallo, la hoja y la rafz específicas de la especie.
de la planta joven. las células están vivas,
tienen gruesas paredes celulares primarias,
y están recubiertas apicalmente por una Haces vasculares
cutícula especial con una capa externa de
cera. las células están íntimamente unidas Normalmente en las raíces hay un solo
siguiendo diferentes ordenaciones. haz vascular, pero en los tallos hay
varios haces. En las dicotiledóneas
estos haces están ordenados siguiendo
una estricta simetría radial, pero en
las monocotiledóneas están dispersos
de forma más irregular.
L.._J un pelo pluricelular los pelos radiculares
soµm
vaina de glandular de una desempeñan una
esclerénquima hoja de geranio importante función
en la captación de
epidermis del haz epidermis agua e iones
de una hoja de un tallo

parénquima

TEJIDO VASCULAR L.._J

Xilema
SOµm
El floema y el xilema forman conjuntamente El xilema transporta por la planta agua e Iones
un haz vascular tlpico de un tallo
un sistema vascular continuo por toda la joven de un ranúnculo.
disueltos. las principales células conductoras
planta. En plantas jóvenes normalmente son los elementos del vaso mostradas aquí,
están asociadas a varios tipos celulares que en la madurez son células muertas que han
distintos en los haces vasculares. El floema perdido la membrana plasmática. La pared
y el xilema son tejidos complejos. Sus celular se ha engrosado secundariamente y
elementos conductores están asociados con células se ha lignificado
parenquimáticas que mantienen e intercambian materiales fuertemente. Como se ve
con ellos. Además, varios grupos de células colenquimátlcas en la figura, gran parte de
y esclerenquimáticas proporcionan soporte mecánico. las paredes terminales se
han eliminado, lo cual
pequel'lo permite la formación de
Floema placa cri~osa poro elemento tubos continuos muy
.,i;"" cr,iboso de vaso en
el extremo
largos.
º" "111 membrana

célula
•
• • SOµm
plasmática
radicular

área
cribosa •• 1
••
......
visión externa de un "'~"'~
elemento de tubo
criboso en sección
elemento de tubo criboso
Los elementos del vaso están
El floema participa en el transporte de los solutos orgánicos de la íntimamente asociadoss con células
planta. Las células conductoras principales (elementos) están
parenquimáticas del xilema que
alineadas formando tubos llamados tubos cribosos. Los elementos transportan activamente solutos
de los tubos cribosos maduros son células vivas, interconectadas seleccionados hacia dentro y hacia
por perforaciones en sus paredes terminales que son plasmodesmos fuera de los elementos a través de
ampliados y modificados (placas cribosas). Estas células mantienen
su membrana plasmática.
su membrana plasmática pero han perdido sus núcleos y gran parte
de su citoplasma; por lo tanto, para su mantenimiento necesitan el
concurso de células acompañantes asociadas. Estas células células parenquimátlcas del xilema
acompañantes tienen la función adicional de activar el transporte de
moléculas alimenticias solubles hacia dentro y hacia fuera de los
elementos del tubo criboso a través de las áreas cribosas de la pared.
 ..::>"-'- ►

La organización pluricelular depende de la cohesión

entre las células
Para formar un organismo pluricelular las células han de estar unidas entre sí de
alguna manera y los eucariotas han desarrollado diversos sistemas para satisfa-
cer esta necesidad. Como ya hemos dicho las células de Volvox no se separan
por completo después de la división celular sino que permanecen conectadas
mediante puentes citoplasmáticos. En las plantas superiores, las células no sólo
pennanecen conectadas por puentes cito plasmáticos (denominados plasmodes-
mos), sino que además quedan encerra~as en un rígido conjunto de cámaras
con paredes celulósicas que han segregado las propias células (paredes celula-
res).
Las células de la mayoría de los animales carecen de paredes rígidas y los Figura 1-33 Organización corporal
puentes citoplasmáticos son poco frecuentes. En lugar de ello, las células se ha- de Hydra. (A) Hydra oligactis en su
llan unidas por una red relativamente laxa de grandes moléculas orgánicas ex- entorno natural; en estas especies de
Hydra los tentáculos se retraen para
tracelulares (denominada matriz extracelular) y por las adherencias entre sus
capturar las presas. Las proyecciones
membranas plasmáticas. Muy a menudo las uniones lado-a-lado entre células que se producen por gemación del
las mantienen unidas formando una capa pluricelular o epitelio. cuerpo son hijos que se separarán del
padre. (B) Diagrama de la arquitectura
Las capas de células epiteliales envuelven celular del cuerpo de una Hydra típica.
La capa externa de células (ectodermo)
un medio interno protegido
es esencialmente protectora,
De todos los sistemas a través de los que las células animales están relacionadas predadora y sensorial, mientras que las
formando los tejidos pluricelulares, quizás la disposición epitelial es la que tiene células de la capa interna (endodermo)
una importancia más fundamental. La capa epitelial tiene para la evolución de desempeñan fundamentalmente
los organismos pluricelulares complejos un significado muy parecido al que la funciones digestivas. Ambas capas
epiteliales tienen también una función
l. membrana celular tiene para la evolución de las células aisladas complejas.
La importancia de las capas epiteliales está bien ilustrada en otro grupo in- contráctil o muscular que pernlite al
animal moverse. Los movimientos
ferior de animales, el de los celentéreos. Este grupo incluye las anémonas de mar,
están coordinados por células
las medusas y los corales, así como el pequeño organismo de agua dulce I-Iydra. nerviosas que ocupan una posición
Los celentéreos están constituidos por dos capas de epitelio, una capa externa, o protejida en el interior de cada
ectodermo, y una capa interna o endodermo. La capa endodérmica rodea una ca- epitelio, formando una malla
vidad, el celenterón, en donde se digiere el alimento (Figura 1-33). Entre las célu- interconectada. (A, por cortesía de
las endodérmicas existen algunas que segregan enzimas digestivas al celenterón, Richard Manuel.)

célula
digestiva
urticante

capa muscular \ capa muscular

transversal longitudinal
(A) (B) matriz extracelular (mesog lea)

32 Capítulo 1 : La evolución de la célula

 Flgura 1-34 Hydra alimentándose.
llydra puede realizar una amplia gama
de actividades bastante complejas.
Aquí se ha folografiado un organismo
solitario capturando con sus
tentáculos pequefias pulgas de agua;
en el último panel se halla
introduciendo estas p resas en su
celenterón para su digestión. (Cortesía
de Arnata Hornbruch.)

mientras que otras absorben, con tinuando la digestión de las moléculas de nu-
trientes que aquellas enzimas habían transformado. Al formar una capa epiteLial
densa y coherente que impide que todas estas moléculas se pierdan hacia el ex-
terior, las células endodérmicas crean por sí mismas un medio ambiente en el
celenterón que es apropiado para sus propias tareas digestivas. Las células ecto-
dérmicas, orientadas hacia el exterior permanecen especializadas para el con-
tacto con el mundo exterior. En el ectodermo, por ejemplo, se hallan células que
contienen una cápsula venenosa con un dardo enrollado que puede ser dispara-
do para matar los pequefios animales de los que se alimenta Hydra. La mayoría
de las demás células ectodérmicas o endodérmicas tienen propiedades pareci-
das a las musculares, permitiendo el movimiento de Hydra, tal como debe ha-
cerlo un predador.
Entre la doble capa de ectodermo y endodermo, se encuentra o tro compar-
timiento separado tanto del celenterón como del medio exterior. Aquí, se hallan
las células nerviosas, ocupando estrechos espacios entre las células epiteliales,
por debajo de la superficie externa donde Jas uniones celulares ("cell junctions")
especializadas entre las células epiteliales forman una barrera impermeable. El
animal puede cambiar su forma y moverse por medio de contracciones de célu-
las del epitelio semejantes a las de las células musculares, y las células nerviosas
transmiten seliales eléctricas controlando y coordinando estas contracciones
(Figuras 1-33, 1-34 y 1-35). Como veremos más adelante, las concentraciones de
iones orgánicos simples en el medio que rodea a una célula nerviosa son crucia-
les para su funcionamiento. La mayoría de células nerviosas - incluidas las nues-
tras- están diseñadas para trabajar cuando se haUan en un medio que tenga una
composición iónica similar a la del agua de mar. Este hecho probablemente re-
fleja las condiciones en las que evolucionaron las primeras células nerviosas. La
mayoría de celentéreos, aunque no todos, todavía viven en el mar. Hydra, con-
cretamente, vive en el agua dulce. Es evidente que ha sido capaz de colonizar
este nuevo hábitat, sobre todo, gracias a que sus células nerviosas se hallan con-
tenidas en un espacio aislado del exterior mediante capas de células epiteliales
que mantienen el ambiente interno necesario para el funcionamiento de las cé-
lulas nerviosas.

La comunicación célula-célula controla el esquema espacial

de los organismos pluricelulares 19
Las células de Jfydra no están únicamente agrupadas mecánicamente y conecta- Figura 1-35 Hydra nadando. Hydra
das mediante uniones que afslan el interior del ambiente exterior; también están puede nadar, deslizarse sobre su base
comunicadas entre sí a lo largo de todo el cuerpo. Si se secciona un extremo de o, como muestra el dibujo, desplazarse
una Hydra, las células restantes reaccionan ante la ausencia de la parte amputa- dando volteretas.

De las células simples a los organismos pluricelulares 33

da adaptando sus características y reordenándose regenerando un animal com-
pleto. Es evidente que ciertas sefiales pasan de una parte del organismo a otra,
gobernando el desarrollo de su esquema corporal -que presenta tentáculos y
una boca en un extremo y un pie en el otro. Además, estas señales son indepen-
dientes del sistema nervioso. Si una Hydra en desarrollo se trata con una droga
que impide la formación de células nerviosas, el animal resulta incapaz de mo-
verse, de atrapar las presas o de alimentarse. Sin embargo, su sistema digestivo
funciona aún con normalidad por lo que el animal puede ser mantenido vivo
por cualquiera que tenga la paciencia de introducirle su alimento normal en la
boca. En estos animales alimentados artificialmente se mantiene el patrón cor-
poral normal de modo que las zonas perdidas son regeneradas, tal como ocurre
en los animales que tienen el sistema nervioso intacto.
Los animales superiores más complejos han evolucionado a partir de unos
humildes antepasados parecidos a los celentéreos. Estos animales superiores
deben su complejidad a un aprovechamiento más sofisticado de los mismos
principios básicos de cooperación celular en los que se basa la construcción de
Hydra. Las capas de células epiteliales, revisten todas las superficies externas e
internas del cuerpo, creando compartimientos resguardados y ambientes inter-
nos controlados en los que las células diferenciadas realizan funciones especiali-
zadas. Las células especializadas interaccionan y se comunican entre sí estable-
ciendo señales que determinan el carácter de cada célula de acuerdo con su
situación en el conjunto de la estructura. Pero para mostrar cómo es posible ge-
nerar organismos pluricelulares con un tamaño, una complejidad y una preci-
sión como las existentes en un árbol, una mosca o un mamífero, es necesario
estudiar con mayor detalJe la secuencia de procesos que tienen lugar durante el
desarrollo.

La memoria celular permite el desarrollo de patrones complejos

Las células de casi todos los organismos pluricelulares proceden de la división
repetida de una única célula precursora; estas células constituyen un clon. A me-
dida que continúa la proliferación y el clon crece, algunas de las células, como
ya hemos visto, se diferencian de las otras en respuesta a los datos que les pro-
porcionan las células vecinas, adoptando normalmente una estructura diferen-
te, unas características químicas diferentes y una función diferente. Es notable
que las células eucariotas y su progenie persistan en sus estados especializados
incluso después de que las influencias que dirigieron originariamente su dife-
renciación hayan desaparecido -en otras palabras, estas células tienen una me-
moria. Por consiguiente, su carácter final no está determinado simplemente por
su ambiente final, sino más bien por toda la secuencia de influencias a las que
han estado sometidas en el transcurso del desarrollo. Así, a medida que el cuer-
po crece y madura quedan especificados detalJes progresivamente más finos del
esquema corporal adulto, creando un organismo de complejidad creciente cuya
forma última es la expresión de una larga historia de desarrollo que es recordada
por las células.

Los programas básicos de desarrollo tienden a ser

conservados en la evoluci6n2º
La estructura final de un animal refleja su historia evolutiva la cual, como el de-
sarrollo, presenta una crónica de progreso desde lo simple hasta lo complejo.
¿Cuál es entonces la conexión entre estas dos perspectivas, la de la evolución por
un lado y la del desarrollo por otro?
Durante la evolución muchos de los dispositivos de desarrollo que surgieron
en los organismos pluricelulares más sencillos se han conservado como princi-
pios básicos para la construcción de sus descendientes más complejos. Ya he-
mos mencionado, por ejemplo, la organización de las células en epitelios. Algu-
nos de los tipos celulares especializados, como por ejemplo las células nerviosas,

34 Capítulo I : La evolución de la célula

se encuentran a nivel de casi todo el reino animal, desde Hydra hasta el hombre. Figura l-36 Comparación del
Estudios moleculares, que discutiremos más adelante en este libro, revelan un desarrollo embrionario de un pez, de
sorprendentemente elevado número de parecidos de desarrollo a un nivel gené- un anfibio, de un reptil, de un pájaro
tico fundamental, incluso entre especies tan remotamente relacionadas como y de una selección de mamíferos. Los
estadios tempranos (arriba) son muy
los mamíferos y los insectos. Además, en términos anatómicos las primeras fases
similares pero los últimos estadios
del desarrollo de animales cuyas formas adultas son radicalmente diferentes son
(abajo) son más divergentes. Los
a menudo sorprendentemente similares; se necesita experiencia para distinguir, estadios tempranos están dibujados
por ejemplo, un embrión temprano de pollo de un embrión temprano humano más o menos a escala y los últimos
(Figura 1-36). estadios no. (De E. Haeckel,
Observaciones de este tipo no son diñciles de comprender. Consideremos el Anthropogenie, oder
proceso mediante el cual, en el transcurso de la evolución, aparece un nuevo Entwickelungsgeschichte des
rasgo anatómico -por ejemplo, un pico alargado. Se produce una mutación ale- Menschen. Leipzig: Engelrnann, 1874.
atoria que modifica la secuencia de aminoácidos de una proteína y, por lo tanto, Pór cortesía de the Bodleian Library,
su actividad biológica. Esta alteración puede afectar por casualidad a las células Oxford.)
responsables de la formación del pico, de tal manera que produzcan un pico
más largo. Pero la mutación ha de ser también compatible con el desarrollo del
resto del organismo: sólo entonces será propagada por la selección natural. La
formación de un pico más largo tendría poca ventaja selectiva si, en el proceso,
se perdiera la lengua o no llegaran a desarrollarse los oídos. Una catástrofe de
este tipo es mucho más probable si la mutación afecta a acontecimientos que se
producen en las primeras fases del desarrollo que si afecta a los que ocurren cer-
ca del final. Las primeras células de un embrión son como los naipes de la base
de un castillo de naipes - casi todo depende de ellas: una pequeña alteración de
sus propiedades, probablemente dará como resultado un desastre. Los pasos

De las .células simples a los organismos pluricelulares 35

fundamentales han sido "congelados" en procesos de desarrollo, del mismo
modo que el código genético o los mecanismos de smtesis proteica han quedado
congelados en la organización bioquímica básica de la célula. En cambio, las cé-
lulas producidas hacia el final del desarrollo (o producidas tempranamente pero
que forman estructuras accesorias como la placenta, que no se incorporan aJ
cuerpo adulto) tienen más libertad para cambiar. Probablemente ésta es la ra-
zón de que los embriones de las diferentes especies se parezcan a menudo entre
sí en las primeras fases y de que, a medida que se desarrollan, repitan los pasos
de la evolución.

Las células somáticas del cuerpo de los vertebrados muestran

más de 200 tipos diferentes de especialización
La riqueza de especializaciones diferentes que se encuentra en las células de un
animal superior es incomparablemente mayor a la que puede presentar cual-
quier procariota. En un vertebrado se pueden distinguir fácilmente más de 200
tipos celulares diferentes y es probable que muchos de estos tipos de células in-
cluyan, bajo un mismo nombre, a un elevado número de variedades con dife-
rencias sutiles. El Panel 1-3 (págs. 38-39) muestra una pequeña selección de
ellos. En esta profusión de comportamientos especializados se puede observar,
en un mismo organismo, la asombrosa versatilidad de la célula eucariota. Gran
parte de los conocimientos actuales sobre las propiedades generales de las célu-
soma de
las eucariotas procede del estudio de estos tipos especializados de células que la célula
muestran individualmente, hasta un grado excepcional, aspectos que son bási- nerviosa
cos para todas las células. Cada rasgo y cada orgánulo de cada prototipo celular
que hemos esbozado en el Panel 1-1 (págs. 18-19) está desarrollado hasta un
grado extraordinario o revelado con especial claridad en algún tipo celular. Para
tomar un ejemplo arbitrario, consideremos la unión neuromuscular, en la que
prolongación
intervienen sólo tres tipos de células: una célula muscular, una célula nerviosa y de la célula
una célula de Schwann. Cada una de ellas desempeña un papel muy distinto (Fi- nerviosa (axón)
gura 1-37). célula de Schwann
generando la vaina
de m ielina
l. La célula muscular se ha especializado en la contracción. Su citoplasma
está lleno de filamentos proteicos, incluido un elevado número de fila-
mentos de actina, dispuestos organizadarnente. Existen también nume-
rosas mitocondrias distribuidas entre los filamentos proteicos, que sumi-
nistran ATP como combustible para el aparato contráctil.
2. La célula nerviosa estimula al músculo a contraerse; transmite al múscu-
lo una señal excitadora procedente del cerebro o de la médula espinal.
Por consiguiente, la célula nerviosa es extraordinariamente alargada: su
cuerpo principal, que contiene el núcleo, puede haUarse a más de un me-
tro de la unión con el músculo. El citoesqueleto está desarroUado de for-
ma correspondiente manteniendo esta forma poco habitual de la célula y
transportando eficazmente los materiales desde un extremo al otro de la
célula de
misma. Pero la especialización más crucial de la célula nerviosa radica en Schwann
terminal
su membrana plasmática, la cual contiene proteínas que actúan como de la célula
bombas de iones y como canales iónicos, provocando un movimiento de
iones que equivale a un flujo de electricidad. Aunque todas las células
contienen estos canales y bombas en sus membranas plasmáticas, la cé-
lula nerviosa los ha aprovechado de tal manera que un pulso de electrici-
dad se puede propagar en una fracción de segundo desde un extremo al
otro de la célula, transmitiendo así una señal.
Figura 1-37 Esquema de una célula
3. Finalmente, las células de Schwann están especializadas en la produc- nerviosa, con sus células de Scbwann
ción masiva de membrana plasmática, que disponen alrededor de la por- asociadas, entrando en contacto con
ción alargada de la célula nerviosa, depositando una tras otra sucesivas una célula muscular a través de una
capas de membrana, como si fuera un rollo de cinta, formando una vaina unión neuromuscular. Diagrama
de mielina que actúa de aislante. esquemático.

36 Capítulo 1 : La evolución de la célula

Los genes pueden ser activados y desactivados
Diversos tipos celulares especializados de un mismo animal o planta superior a
menudo aparecen tan radicalmente distintos como pueden serlo dos células.
Esto puede parecer paradójico ya que todas las células de un organismo plurice-
lular están estrechamente relacionadas al haberse formado recientemente a par-
tir de una misma célula precursora -el óvulo fecundado. Un linaje común impli-
ca genes similares; icómo aparecen entonces las diferencias? En algunos casos
la especialización celular implica la pérdida de material genético. Un ejemplo
extremo lo constituyen los eritrocitos de los mamíferos, que en el transcurso de
la diferenciación pierden por completo el núcleo. Pero la inmensa mayoría de las
células de la mayor parte de especies animales y vegetales conservan toda la in-
formación genética contenida en el óvulo fecundado. La especialización depen-
de de alteraciones de la expresión génica y no de la p~rdida o adquisición de ge-
nes.
Incluso las bacterias no producen simultáneamente todos sus tipos de pro-
teínas, sino que son capaces de ajustar el nivel de síntesis a las condiciones ex-
ternas. Las proteínas específicamente necesarias para el metabolismo de la lac-
tosa, por ejemplo, son producidas por algunas bacterias sólo cuando pueden
disponer de este azúcar. Otras bacterias detienen la mayor parte de los procesos
metabólicos normales; cuando las condiciones son desfavorables para la prolife-
ración celular, algunas bacterias detienen la mayor parte de los procesos meta-
bólicos normales y forman esporas que presentan una pared externa, resistente,
impermeable y un citoplasma de composición alterada.
Las células eucariotas han desarrollado mecanismos mucho más complejos
para controlar la expresión génica, y estos mecanismos afectan a sistemas ente-
ros de productos génicos interactivos. Los grupos de genes son activados o inhi-
bidos en respuesta a sefiales tanto externas como internas. La composición de
las membranas, el citoesqueleto, los productos secretores, incluso el metabolis-
mo y otros muchos rasgos, deben variar de manera coordinada cuando las célu-
las se diferencian. Los controles que hacen posible estos cambios ban evolucio-
nado en Los eucariotas hasta un grado no alcanzado por Los procariotas,
definiendo las complejas reglas del comportamiento celular que pueden generar
un organismo pluricelular organizado a partir de un simple huevo.

Comparaciones entre secuencias revelan centenares

de familias de genes homólogos12• 21
A parte de las apariencias, la evolución ha transformado el universo de las COSfl.S
vivientes hasta un grado que no tiene parangón. Un ser humano, una mosca,
una margarita, un hongo, una bacteria... parecen tan diferentes entre sí que difí-
cilmente tiene sentido compararlos. Todos ellos son descendientes de un ances-
tro común y a medida que vamos estudiando su interior, encontramos más y
más evidencias de sus orígenes comunes. Ahora conocemos que la maquinaria
molecular básica de la vida se ha conservado hasta un grado tal que probable-
mente habría sorprendido a los padres de la teoría de la evolución. Como hemos
visto, todas las formas de vida tienen esencialmente la misma química, basada
en aminoácidos, azúcares, ácidos grasos y nucleótidos; todas sintetizan estos
costituyentes químicos de una manera esencialmente similar; todas almacenan
la información genética en el DNA y la expresan a través del RNA y de las proteí-
nas. El grado de conservación de la evolución es todavía más sorprendente
cuando e.x aminamos en detalle las secuencias de nucleótidos de determinados
genes y de aminoácidos en determinadas proteínas. La suerte es que las enzimas
bacterianas que catalizan cualquier reacción en particular, como la rotura de un
azúcar de seis carbonos en dos azúcares de tres carbonos a través de la glucoli-
sís, tienen una secuencia de aminoácidos (y una estructura tridimensional) in-
equívocamente similar a la de las enzimas que catalizan la misma reacción en
los seres humanos. Ambas enzimas - y de forma equivalente los genes que las es-

De las células simples a los organismos pluricelulares 37

TIPOS EPITELIOS
CELULARES
Las células epiteliales forman capas celulares coherentes
Existen más de 200 denominadas epitelios, que revisten las caras internas y externas
tipos diferentes de del cuerpo. Existen muchos tipos especializados de epitelios.
células en el cuerpo Las células absorbentes (enterocitos) tienen Células ciliadas: tienen Células secretoras: se hallan
humano. Se hallan muchos microvilli que se proyectan a la cilios en su superficie libre en la mayoría de las capas
formando diversos superficie libre aumentando el área de que baten sincrónicamente epiteliales. Estas células
tipos de tejidos absorción. para desplazar sustancias especializadas segregan
como (p.ej., mucosidades) por sustancias hacia la
mlcrovilll encima de la capa epitelial. superficie de la capa celular.
epitelios
tejido conjuntivo
músculo
tejido nervioso

La mayoría de tejidos
están formados por
-~a:!7ª\
Las células epiteliales adyacentes están
unidas mediante uniones que confieren
a la capa celular su fuerza mecánica y
que la hacen también impermeable a
cilios

combinaciones de las moléculas pequeñas. La capa

descansa sobre una lámina basal.

TEJIDO CONJUNTIVO
Los espacios entre órganos y tejidos del cuerpo El hueso está producido por células denominadas
están ocupados por tejido conjuntivo, formado osteoblastos, que segregan una matriz Las sales de calcio
principalmente por una red de fibras proteicas extracelular en la que más tarde se depositarán se depositan en la
resistentes inmersas en un gel polisacárido. cristales de fosfato cálcico. matriz extracelular.
Esta matriz extracelular está segregada
principalmente por los fibroblastos.

Dos tipos fundamentales

de fibra proteica extracelular
son la colágena
y la elastina. osteoblastos unidos
por prolongaciones matriz
celulares extracelular
Las células adiposas son unas de las
mayores del cuerpo. Estas células
1
~T..
son responsables de la producción
y almacenamiento de grasa. El
núcleo y el citoplasma están
desplazados hacia la periferia de la
célula por una gran gota de lípido.
~==:...:11~

TEJIDO NERVIOSO
SALIDAS

El axón conduce las señales

eléctricas procedentes del soma celular.
LLEGADAS Estas señales son producidas por un flujo de
iones a través de la membrana de la .célula nerviosa.

cuerpo o
soma celular

La sinapsis es el lugar en el que

la neurona forma una unión
Las células nerviosas, o neuronas, están especializada con otra neurona
especializadas en la comunicación. El cerebro Unas células especializadas, denominadas (o con una célula muscular). En la
y la médula espinal, por ejemplo, están células de Schwann u oligodendrocitos, se sinapsis, las señales pasan de una
compuestos de una red de neuronas con disponen alrededor del axón formando neurona a otra ·(o de una neurona
células gliales de sostén. una vaina multilaminar. a una célula muscular).
 A menudo las células epiteliales MÚSCULO
secretoras están agrupadas
formando una glándula que se Mediante su contracción, las células musculares generan fuerza
especializa en la secreción de mecánica. En los vertebrados existen tres tipos principales:
una sustancia particular. Tal
como se ilustra, las glándulas
músculo esquelético: mueve las articulaciones
exocrinas segregan
por medio de su contracción potente y rápida.
determinados productos
Cada músculo está formado por un haz de
(como lágrimas, mucosidades
fibras musculares, cada una de las cuales
y jugos gástricos) al interior
es una enorme célula plurinucleada.
de conductos. Las glándulas
endocrinas segregan
hormonas a la conducto
sangre. de la
glándula núcleo

célula múscular
con estriaciones
transversales
células secretoras de la glándula

músculo liso: se halla en las paredes del tracto

digestivo, la vejiga, las arterias y las venas;
SANGRE está compuesto por finas células alargadas

-
Los eritrocitos (glóbulos rojos) son células muy pequeñas, (no estriadas), cada una con un solo núcleo.
normalmente sin núcleo ni membranas internas, y
t
contienen hemoglobina, proteína que se une al oxígeno.
t#fSi-± +e
:X- )izz
- :::m----
~
músculo cardíaco: de carácter intermedio entre
el músculo esquelético y el músculo liso.
Produce el latido cardíaco. Las células adyacentes
1 cm3 de sangre contiene su forma normal es la están asociadas por uniones eléctricamente
5000 millones de eritrocitos de un disco bicóncavo conductoras, que hacen que las células se
contraigan sincrónicamente
Los glóbulos blancos (leucocitos) protegen de las infecciones.
La sangre contiene aproximadamente un leucocito por cada
100 glóbulos rojos. Aunque viajan por sangre, pueden pasar
a través de las paredes de los vasos sanguíneos para rea lizar
su función en los tejidos vecinos. Existen varios tipos CÉLULAS SENSORIALES
distintos, entre ellos:
Entre las células más complejas del
linfocitos: responsables de las respuestas inmunitarias, cuerpo de los vertebrados se encuentran los estereoci lios son
tales como la producción de anticuerpos. las que detectan los estímulos externos. muy rígidos porque
macrófagos y neutrófilos: se desplazan hacia los focos de Las células ciliadas del oído interno son están empaquetados
infección, donde ingieren bacterias y residuos. las detectoras primarias del sonido. con filame"ntos de
Se trata de células epiteliales modificadas, actina
con microvilli especiales (estereocilios)
en su superficie. El movimiento de
estos estereocilios en respuesta a
infección bacteriana en las vibraciones sonoras provoca
el tejido conjuntivo • una señal eléctrica que pasa al
•• •
- cerebro.

==
=
--
==
CÉLULAS GERMINALES
Tanto los espermatozoides como
-
==·
los óvulos son haploides, es decir,
que contienen una sola dotación de
cromosomas. Un espermatozoide
del macho se une a un óvulo de la
hembra, formando, por sucesivas
-
E Los bastones de la retina del ojo son células
especializadas en la respuesta a la luz. La
región fotosensible contiene una gran
cantidad de discos membranosos (en rojo)
divisiones, un nuevo organismo en cuyas membranas se encuentra el
diploide. pigmento sensible a la luz, la rodopsina.
La luz actúa como una señal eléctrica
(flecha verde), que se transmite a células
nerviosas del ojo, las cuales canalizan la
señal hasta el cerebro.
 Angiospermas Vertebrados
Ascobolus
zanahoria Neurospora hombre
guisante Xenopus
judía rana
tabaco ratón
lino Urocordados
lirio pollo
Arabidopsis ascidla codorniz
/Styela/ t ritón Insectos
rata mosca del
vaca vinagre (Drosophi/a/
meclán cucaracha
Cordados ballena chinche /Oncopeltus/
Equinodermos
erizo de mar
estrella de mar
holoturia Crustáceos
(Thyone/ Cyclops

Musgos Artropódos
Hepáticas
Moluscos
calamar
Algas pardas caracol {Aplysia)
Fucus

Celenterados
Hydra
Algas verdes anémonas de mar
Nitella
Acetabu/aria
Volvox
Mohos del limo

Tetrahymena
(/) Paramecium
o
2 Ameba
5
ce
CL Euglenoideos
Tripanosomas
cloroplastos
1 Microsporidios
I I Diplomonadlnos
I I Giardia
__ ,,, I
Cianobacterias (algas azu les) - - - - - - - - - - ,
mitocondrias
.,..,
Paracoccus - - - - -
Bacterias púrpura Escherichia coli
- [Selmonella

Arquebacterias
Halobacterium
Gram positivas Bacillus subtilis

~--...;:::----- Eu bacterias

PROCARIOTA ANCESTRAL

Figura 1-38 Relaciones evolutivas

entre algunos de los organismos
mencionados en este libro. Las ramas
del á[bol muestran vías de
descendencia común, pero su longirud

L
no indica el paso del tiempo. (Téngase
en cuenta así mismo que el eje vertical
del cüagrama muestra categorías
principales de orgamsmos, pero no
tiempo.)

40
pecifican- no sólo tienen una función similar sino también casi con seguridad
un origen evolutivo común. Se pueden utilizar estas relaciones para dibujar los
caminos evolutivos más antiguos; comparando secuencias de genes y recono-
ciendo homologías se descubren paralelismos ocultos y similitudes entre orga-
nismos diferentes.
A menudo también se encuentran parecidos familiares entre genes que co-
difican proteínas que realizan funciones relacionadas en un mismo organismo.
Estos genes también están relacionados evolutivamente y su existencia revela
una estrategia básica a través de la cual se ha originado la complejidad creciente
de los organismos: los genes y zonas de genes se duplican y las nuevas copias di-
vergen de la original mediante mutación y recombinación, para realizar nuevas
funciones adicionales. De esta manera, partiendo de un número relativamente
pequeño de genes en las células primitivas, la forma de vida más compleja ha
llegado a desarrollar más de 50 000 genes, como se cree que presenta un animal
o una planta superiores. A partir del estudio de un gen o de una proteína, avan-
zamos en el conocimiento de toda una familia de genes o proteínas homólogos a
ella. Así la biología molecular subraya la unidad del mundo viviente y nos pro-
porciona herramientas para descubrir los mecanismos generales que están en la
base de su infinita variedad de invenciones.
En el próximo capítulo empezaremos la discusión de estos mecanismos con
el estudio del componente mas básico del kit de construcción biológica - las mo-
léculas pequeñas a partir de las que se sintetizan todos los componentes mayo-
res de las células vivas.

Resumen
La evolución de los granf:ies organismos pluricelulares dependió de la capacidad de
las células eucariotas para expresar su información hereditaria de muchas maneras
diferentes y para actuar de forma cooperativa como un colectivo único. En los ani-
males uno de los primeros desarrollos fue probablemente la formación de capas de
células epiteliales que separaron del ambiente exterior el espacio interior del cuerpo.
Además de estas células epiteliales también se desarrollaron célullas nerviosas, célu-
las musculares y células del tejido conjuntivo, todas las cuales se hallan actualmen-
te en los animales más sencillos. La evolución de los animales y de las plantas supe-
riores (Figura 1-38) dependió de la producción de un número cada vez mayor de
tipos celulares especializados y de métodos mas sofisticados de coordinación entre
ellos, reflejando un número cada vez mayor de elaborados sistemas de control de la
expresión de los genes en los distintos tipos celulares.

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42 Capítulo 1 : La evolución de la célula

·Pequeñas Inoléculas,
energía y biosíntesis

• El alimentoy•~
obtención
de la e~celular
• La biosmtesls y la ueackSn
deorden
• Coordinación entre
catabolismo y blosíntetls

"Debo anunciarles que puedo preparar urea sin necesidad de ningún rifión ni de
ningún animal, ya sea un hombre o un perro." Esta frase, escrita hace 165 años
por el joven químico alemán Wohler, significó el final de la creencia en una fuer-
za vital especial existente en los organismos vivos que da lugar a sus propieda-
des y productos característicos. Pero lo que en la época de Wohler fue una reve-
lación, actualmente es de común conocimiento -las criaturas vivas están hechas
de compuestos químicos. En la visión contemporánea de la vida no hay lugar
para el vitalismo -o para cualquier cosa que quede fuera de las leyes de la quími-
ca y de la física. Esto no quiere decir que en biología ya no existan misterios:
existen muchas áreas de ignorancia, tal como se pondrá de manifiesto en capí-
tulos posteriores. Pero deberíamos empezar a subrayar la gran cantidad de fenó-
menos que se conocen.
Actualmente, disponemos de información detallada sobre las moléculas
esenciales de la célula - no sólo de un reducido número de moléculas, sino de
miles de ellas. En muchos casos conocemos sus estructuras químicas exactas y
sabemos con exactitud cómo son producidas y degradadas. En términos gene-
rales, conocemos cómo la energía química impulsa las reacciones biosintéticas
de la célula, cómo actúan en las células los principios de la termodinámica ge-
nerando un orden molecular, y también cómo son controladas y coordinadas
las miríadas de cambios químicos que se producen continuamente e - ~
células. ,,.,_';\t-. BE ~~,~
En este capítulo y en el siguiente resumimos brevement f}~ uímica de 1~ ·.
célula viva. Aquí nos ocuparemos de los procesos en los que i~rvifc.,1?-~!11,~~; ~ o- .::,:,_ ..,
léculas pequefias: de aque~os mecanismos a través ?e los cual ~ a célH:\, A~~{eti- ;:''
za sus componentes q uím1cos fundamentales y obtiene su en . -EJ...Ga.~ffi!ffi 3 ;:: ·
describe las moléculas gigantes de la célula, que son polímeros ~as molécuiaé'
pequeñas y cuyas propiedades son las responsables de la espe a~e ''
procesos biológicos y de la transferencia de la información biológica. - -

Los componentes químicos de una célula

La química celular se basa en los compuestos de carbono 1
Una célula viva está compuesta por un restringido conjunto de elementos, cua-
tro de los cuales (C, H, N y O) constituyen aproximadamente el 99 % de su peso.
Esta composición difiere notablemente de la de la corteza terrestre y pone de re-
 Figura 2-1 Abundancia relativa de los
elementos quúnicos encontrados en
la corteza terrestre (el mundo
40 Inanimado), comparada con la
.;
encontrada en los tejidos blandos de
:,
e: los organismos vivos. La abundancia
~o relativa se expresa como el porcentaje
c. 30 del número total de átom6s presentes.
"'>
·.::
Así, por ejemplo, aproximadamente
"' cerca del 50 % de los átomos de los
e organismos vivos son átomos de
"'e
·¡;
IO 20 hidrógeno.
'O
e
:,
.,
.o

H c o N Ca
y
Na
y
p Si Otros
Mg K

lieve un tipo característico de química (Figura 2-1). ¿Cuál es esta química espe-
cial y cómo surgió?
La substancia más abundante de la célula viva es el agua. Constituye aproxi-
madamente el 70 % del peso de las células. La mayoría de reacciones intracelula-
res ocurren en un medio acuoso. La vida en este planeta empezó en el mar, y las
condiciones que reinaban en aquel ambiente primitivo imprimieron un sello per-
manente en la química de la materia viva. Todos los organismos han sido diseña-
dos en base a las propiedades características del agua, tales corno su carácter po-
lar, su habilidad para formar enlaces de hidrógeno y su alta tensión superficial.
Por ejemplo, el agua rodea completamente a las moléculas polares mientras que
tiende a reunir las moléculas no polares, formando grandes agregados. En el Pa-
nel 2-1 (págs. 50-51) se resumen algunas propiedades importantes del agua.
Aparte del agua, la gran mayoría de las otras moléculas de una célula son
compuestos de carbono, centro de atención de la química orgánica. El carbono
destaca entre todos los elementos de la Tierra por su capacidad de formar gran-
des moléculas; en este aspecto le sigue el silicio, muy por debajo de él. Debido a
su reducido tamaño y a los cuatro electrones de la capa externa el átomo de car-
bono puede formar cuatro enlaces covalentes fuertes con otros átomos. Y, lo que
es más importante, se puede unir a otros átomos de carbono formando cadenas
y anillos, generando así moléculas grandes y complejas cuyo tamafio no tiene un
límjte superior obvio. Los otros átomos abundantes en ]a célula (H, N y O) tam-
bién son pequeños y capaces de formar enlaces covalentes muy fuertes (Panel 2-
2, págs. 52-53).
Un enlace covalente típico de una molécula biológica tiene una energía de
entre 15 y 170 kcal/mol, en función de los átomos que estén implicados. Como
por término medio la energía térmica a la temperatura corporal solamente es de
0,6 kcal/mol, incluso una colisión energética con otra molécula, muy poco pro-
bable, no será capaz de romper un enlace covalente. Sin embargo, catalizadores
específicos pueden romper o reorganizar rápidamente los enlaces covalentes. La
Biología es posible gracias a la combinación de estabilidad de los enlaces cova-
lentes en condiciones fisiológicas y la capacidad de los catalizadores biológicos
(denominados enzimas) de romper y reorganizar estos enlaces de una manera
controlada y en determinadas moléculas.
En principio, las simples reglas del enlace covalente entre el carbono y otros
elementos permiten un número infinitamente elevado de compuestos. Aunque el
número de compuestos diferentes de carbono de una célula es muy grande, única-

44 Capítulo 2 : Pequeñas moléculas, energía y biosfutesis

mente representa una dimin uta fracción de los que son teóricamente posibles. En
algunos casos podemos encontrar una buena razón para explicar que este o aquel
compuesto realiza una función biológica determinada; pero con mayor frecuencia
parece que el compuesto "elegido'" fue una alternativa entre otras muchas razona-
bles.,.algo así como un accidente (Figura 2-2). Ciertos patrones y elementos de reac-
ción, una vez establecidos en las células más antiguas, fueron preservados con al-
gunas variaciones a Jo largo de la evolución. Aparentemente, el desarrollo de
nuevas clases de compuestos fue necesario o útil en muy contadas ocasiones.

Las células utilizan cu a tro t ipos básicos de m oléculas pequeñas2

Ciertas combinaciones simples de átomos - tales como los grupos metilo (- CH3),
hidroxilo (-OH), carbox:ilo (-COOH) y amino (- NH2) - se presentan repetidamen-
te en las moléculas biológicas. Cada uno de estos grupos tiene propiedades quí-
micas y físicas distintas que influyen sobre el comportamiento de cualquier mo-
lécula en que se presente el grupo. El Panel 2-2 (págs. 52-53) resume los tipos
principales de grupos químicos y algunas de sus propiedades sobresalientes.
Los pesos atómicos de H, C, N y O son 1, 12, 14 y 16 respectivamente. Las
moléculas orgánicas pequeñas de la célula tienen pesos moleculares q ue osci-
lan entre 100 y 1000 y contienen hasta unos 30 átomos de carbono. Normalmen-
te se hallan li bres en solución, donde algunas de ellas forman un acervo de inter-
mediarios a partir de los cuales se construyen largos polímeros, denominados
macromoléculas. También existen intermediarios esenciales en las reacciones
químicas que transforman la energía derivada de los alimentos en formas útiles
de energía (lo cual se discute más adelante).
Las moléculas pequeñas representan una décima parte del total de materia
orgánica de una célula y (a grandes rasgos) sólo existen del orden de un millar de
tipos diferentes de ellas (Tabla 2- 1). Todas las moléculas biológicas se sintetizan a
partir de los mismos compuestos simples y se degradan a estos mismos com-
puestos, ocurriendo la síntesis y la degradación a través de secuencias de cambios
químicos de alcance limitado y siguiendo reglas precisas. Por consiguiente, los
compuestos de una célula pueden ser clasificados en un reducido número de fa- Figura 2-2 Los organismos vivos
milias distintas. Dado que las macromoléculas de una célula, que constituyen el únicamente sintetizan un reducido
número de las moléculas orgánicas,
tema del Capítulo 3 de este libro, están formadas a partir de estas mismas molé-
que en principio podrían produc.lr.
culas pequeñas, pertenecen a sus mismas familias.
De los seis aminoácidos que se
A grandes rasgos, podemos decir que las células poseen cuatro grandes fami- muestran en la figura, únicamente el
lias de moléculas orgánicas pequeñas: los azúcares simples, los ácidos grasos, los de la parte superior (el triptófano} es
aminoácidos y los nucleótidos. Cada una de estas famiHas contiene muchos sintetizado por las células.
miembros diferentes, que presentan rasgos químicos comunes. Aunque algunos
compuestos celulares no pueden clasificarse en estas categorías, las cuatro fami-
lias, junto con las macromoléculas formadas a partir de ellas, constituyen un por-
centaje sorprendentemente elevado de la masa celular total (Tabla 2-1).

Tabla 2-1 Composición química aproximada de una célula bacte riana

Porcentaje del Número de

peso celular tipos de cada
to tal mo lécula

Agua 70 l
Jones inorgánicos 1 20
Azúcares y precursores 1 250
Aminoácidos y precusores 0,4 100
Nucleótidos y precursores 0,4 100
Ácidos grasos y precursores l 50
Otras moléculas pequeñas 0,2 - 300
Macromoléculas (proteínas, ácidos 26,0 - 3000
nucleicos y polisacáridos)

Los componentes químicos de una célula 45

 Figura 2-3 La estructura del
monosacárldo glucosa, una hexosa
simple. (A) Forma de cadena abiena
del azúcar, que está en equilibrio con
la forma cíclica o de anillo, más
estable, que se muestra en (BJ. (CJ y
(D) son modelos de espacio lleno y de
bolas y varillas, respectivamente, de
(A) 1B) esta forma cíclica (P-o-glucosa). La
forma de silla (El es una
representación alternativa que se
utiliza frecuentemente debido a que
refleja de una forma más exacta la
estructura del azúcar. En (AJ, (8) y (El
las O de color rojo indican el átomo de
OH oxígeno del grupo aldehído. Para una
revisión de las estructuras y de las
propiedades químicas de los azúcares,
IE) véase el Panel 2-3, págs. 54-55.

Los azúcares son las moléculas alimenticias de la célula3

Los azúcares más sencillos -los monosacáridos- presentan la fórmula general
(CHP)n, donde n es un número entero comprendido entre 3 y 7. La glucosa, por
ejemplo, tiene la fórmula C6H 120 6 (Figura 2-3). Como se muestra en la FigUia 2-3,
los azúcares pueden presentarse tanto en forma de anillo como en forma de ca-
dena abierta. En esta forma de cadena abierta, los azúcares presentan un núme-
ro variable de grupos hidroxilo y un grupo aldehído Ctt) C=O) o un grupo cetona
C C=O). El grupo aldehído o cetona desempeña un papel especial. En primer
lugar, pueden reaccionar con un grupo hidroxilo de la misma molécula convir-
tiendo la molécula en un anillo; en esta forma de anillo, puede reconocerse el
carbono del aldehído o de la cetona originales ya que es el único que está unido
a dos átomos de oxígeno. En segundo lugar, una vez formado el anillo, este car-
bono puede unirse a uno de los carbonos con un grupo hidroxilo de otro azúcar,
generando un disacárido (Panel 2-3, págs. 54-55). De esta misma forma la adi-
ción de más monosacáridos da lugar a oligosacáridos de longitud creciente (tri-
sacáridos, tetrasacáridos, y así sucesivamente), hasta llegar a las grandes molé-
culas de polisacáridos con miles de unidades de rponosacáridos. Puesto que
cada monosacárido tiene varios grupos hidroxilo libres que pueden formar un
enlace con otro monosacárido (o con algún otro compuesto), el número de es-
tructuras posibles de polisacáridos es enormemente elevado. Incluso un disacá-
rido simple, formado por dos residuos de glucosa, puede existir en 11 variedades
diferentes (Figura 2-4), mientras que tres hexosas diferentes (C6H¡20 6) se pueden
unir formando varios miles de trisacáridos diferentes. Por esta razón resulta muy
difícil determinar la estructUia de un polisacárido determinado, ya que es nece-
sario conocer los lugares de unión de cada azúcar a sus vecinos. Con los méto-
dos actuales, por ejemplo, se tarda más tiempo en determinar la disposición de
media docena de azúcares unidos (por ejemplo, los de una glucoproteína), que
en determinar la secuencia de nucleótidos de una molécula de DNA que conten-
ga muchos miles de nucleótidos en la que cada unidad se une a la siguiente
exactamente de la misma forma).
La glucosa es el principal compuesto alimenticio de muchas células. Una se-
rie de reacciones oxidativas (véase pág. 65) conducen desde esta hexosa hasta
varios derivados más pequeños y, finalmente, hasta C02 y Hp. El resultado neto
se puede indicar así:
C6HtPs + 602 ➔ 6C02 + 6H20 + energía
En el transcurso de la degradación de la glucosa se genera energía y "poder re-
ductor", ambos esenciales para las reacciones de biosíntesis, que son captados y

46 Capítulo 2 : Pequefias moléculas, energía y biosíntesis

 qrºG Qvº~ p1- 6 a1-a1
Figura 2-4 Once disacáridos
formados por dos unidades de
o-g]ucosa. Aunque se diferencian
únicamente en el tipo de enlace entre
las dos unidades de glucosa, son

G'~ p1-4
Q-O
Q a l- 2
quimicamente diferentes. Puesto que
los oligosacáridos asociados a las
proteínas y a los lfpidos pueden tener
más de seis tipos diferentes de

~~ ~ ol$
azúcares unidos, a través de enlaces
p1-3
como los ilustrados aquí, en
a1- 3
disposiciones lineales y ramificadas, el
número de tipos distintos posibles de

~~ ~º~
oligosacáridos de que puede disponer
la célula es extremadamente elevado.
p1-2 al-4

l$-º-e; ~ /G p1- ~1 a1- 6

q-~ p1-a1

transportados fundamentalmente por dos moléculas cruciales, denominadas

ATP y NADH, respectivamente. Más adelante, en este mismo capítulo discuti-
mos la estructura y las funciones de estas dos moléculas cruciales.
Los polisacáridos simples, compuestos sólo por residuos de glucosa - princi-
palmente el glucógeno en las células animales y el almidón en las células vegeta-
les- son utilizados para almacenar energía que se utilizará en el futuro. Pero los
azúcares no se utilizan exclusivamente para la producción y el almacenamiento
de energía. Importantes compuestos estructurales extracelulares (tales como la
celulosa) están formados por polisacáridos sencillos, y a menudo secuencias no o o-
'¾- /
repetitivas de cadenas de moléculas de azúcares, más pequeñas pero más com- e
1
plejas, están unidas covalentemente a proteínas, formando glucoprotefnas, o a rH2
lfpidos, formando glucolfpidos. rH2
yH2
Los ácidos grasos son componentes de las membranas celulares 4 yH2
rH2
Una molécula de ácido graso, como por ejemplo el ácido palmftico (Figura 2-5) yH2
presenta dos regiones características: una larga cadena hidrocarbonada hidrofó- rH2
bica (insoluble en agua) y químicamente no muy reactiva, y un grupo de ácido rH2
carbox.ílico, ionizado en solución (COO-), extremadamente hidrofflico (soluble yH2
en agua) y que fácilmente reacciona con un grupo hidroxilo o un grupo amino rH2
de otra molécula formando ésteres y amidas. De hecho casi todas las moléculas (j=H2
de ácido graso de una célula están unidas covalentemente a otras moléculas, (j=H2
mediante su grupo ácido carboxílico. El gran número de ácidos grasos ctistintos rH2
que se encuentran en las células difieren en características quúnicas tales como yH2
la longitud de la cadena hidrocarbonada y en el número y la posición de los do- CH3
bles enlaces carbono-carbono que contienen (Panel 2-4, págs. 56-57).
Figura 2-5 Ácido palm{tico. El grupo
Los ácidos grasos son una importante fuente de alimento ya que pueden ser
ácido carboxílico (en rojo) está
degradados produciendo por unidad de peso más del doble de energía útil que representado en forma ionizada. En el
produce la glucosa. Se almacenan en el citoplasma en forma de triacilglicéridos, centro se presenta un modelo de bolas
compuestos de tres cadenas de ácidos grasos unidas a una molécula de glicerol y varillas y a la derecha un modelo
(Panel 2-4, págs. 56-57); Estas moléculas constituyen las grasas animales que nos tridimensional de espacio lleno.

Los componentes quúnicos de una célula 47

grupo grupo Figura 2-6 El aminoácido alanina.
amino carboxilo En la célula, en la que el pH es cercano

\ a 7, el aminoácido se halla en fonna

\ H
1
H 2 N-C - COOH -
1
I pH 7
+
H
1
H3N-C- COO
1
-
ionizada. Sin embargo, al ser
incorporado a una cadena
polipepúdica las cargas de los grupos
amino y carboxilo del aminoácido libre
CH3 CH3 desaparecen. A la derecha de las
forma no forma fórmulas estructurales se muestran
ionizada ionizada modelos de bolas y varillas y de
espacio lleno. En el caso de la alanina,
la cadena lateral es un grupo - CH3 •

son familiares en nuestra experiencia diaria. Cuando es necesario obtener ener-

gía, las cadenas de ácido graso pueden ser liberadas de los triacilglicéridos y ser
degradadas hasta unidades de dos carbonos. A continuación, estas unidades de
dos carbonos, que constituyen el grupo acetilo de una molécula hidrosoluble
denominada acetil CoA, son degradadas a través de varias reacciones que liberan
energía y que describiremos más adelante.
Pero la función más importante de los ácidos grasos reside en la construc-
ción de las membranas de la célula. Estas finas capas semipermeables que limi-
tan a todas las células y envuelven sus orgánul.os internos están compuestas fun-
damentalmente de fosfolípidos, pequeñas moléculas que se parecen a los
triaciglicéridos en que están construidas en su mayor parte a partir de ácidos
grasos y glicerol. En los fosfolípidos, sin embargo, el glicerol está unido a dos ca-
denas de ácido graso y no a tres. El lugar restante del glicerol está acoplado a w1
grupo fosfato, que a su vez está unido a otro pequeño compuesto hidrofílico
como la etanolamina, la colina o la serina.
Cada molécula de fosfolípido tiene una cola hidrofóbica -compuesta por las extremo amino
dos cadenas de ácido graso- y una cabeza polar hidrofílica en la que se encuen- de la cadena
tra el fosfato. Si se coloca una pequeña cantidad de fosfolípido en agua, se exten-
derá sobre la superficie formando una monocapa de moléculas de fosfolfpido; T N-H
en esta lámina las colas de las moléculas quedan densamente empaquetadas
unas con otras y dirigidas hacia el aire y las cabezas se hallan en contacto con el
Phe H-t1 -CH2
O=C
-0'
1
agua (Panel 2-4, págs. 56-57). Dos de estas láminas se pueden combinar, cola N-H
1
contra cola, formando un "sandwich"' de fosfolípidos, o bicapa lipídica, una es- Ser H-C-CH2- 0H
1
tructura extraordinariamente importante que es la base estructural de todas las O=C1 .
membranas celulares (como se discute en el Capítulo 10). ~- H qO
'Glu H-c~CH,-CHz-~
Los aminoácidos son las subunidades de las proteínas5
O=◊ - '0-
1
~- H /H
Los aminoácidos comunes son químicamente variados, pero todos ellos contie- Lys H- C - CH 2-CH 2- CH2-CH2-N- W
nen un grupo de ácido carboxílico y un grupo amino, ambos unidos al mismo ' ' H
O=T
átomo de carbono (Figura 2-6). Se utilizan como subunidades en la síntesis de
las proteínas, que son largos polímeros lineales de aminoácidos unidos cabeza- ~
extremo carboxi lo
cola mediante un enlace peptídico entre el grupo carboxílico de un aminoácido y de la cadena
el grupo amino del aminoácido siguiente (Figura 2-7). Aunque existen muchos
aminoácidos posibles, en las protemas sólo hay 20 aminoácidos comunes, cada Figura 2-7 Pequeña parte de una
uno de ellos con una cadena lateral diferente unida al átomo de carbono a (Pa- molécula proteica, mostrando cuatro
aminoácidos. Cada aminoácido está
nel 2-5, págs. 58-59). Estos mismos 20 aminoácidos se presentan una y otra vez
unido al siguiente mediante un enlace
en todas las protemas, incluidas las producidas por las bacterias, las plantas y los
covalente que recibe el nombre de
animales. Aunque la selección de estos 20 aminoácidos probablemente sea un enlace peptfdico. Uno de estos enlaces
ejemplo de un accidente evolutivo, la versatilidad química que proporcionan es peptidicos se destaca sombreado de
de una importancia vital. Por ejemplo, 5 de los 20 aminoácidos presentan cade- amarillo. Por lo tanto, las proteínas se
nas laterales que pueden transportar una carga (Figura 2-8) mientras que los denominan a veces polipéptidos. Las
otros no están cargados pero son reactivos de formas diferentes (Panel 2-5, págs. cadenas laterales de los aminoácidos
58-59). Como veremos, Jas propiedades de las cadenas laterales de los aminoáci- se representan en rojo y los átomos de
dos determinan las propiedades de las proteínas y constituyen la base de las dis- un aminoácido (el ácido glutámico) se
tintas y sofisticadas funciones desempeñadas por ellas. destacan mediante el sombreado gris.

48 Capítulo 2 : Pequefias moléculas, energía y biosmtesis

 Figura 2-8 La carga de las cadenas
la terales de los aminoácidos depende
del pH. En solución acuosa los ácidos
carboxHicos pierden fácilmente un H♦•
formando un ion de carga negativa
que se nombra mediante el sufijo
"-ato'", como por ejemplo aspartato o
glutamato. Con las aminas se produce
una situación parecida ya que en
solución acuosa toman H• formando
un ion de carga positiva (que no recibe
ningún nombre especial). Estas
reacciones son rápidamente
reversibles, y la cantidad presente de
las dos formas, con carga y sin carga,
depende del pH de la solución. A un
pH elevado, los ácidos carboxílicos
tienden a estar cargados y las aminas
pH sin carga; a un pH bajo sucede lo
contrario -los ácidos carboxfiicos
carecen de carga y las aminas están
cargadas. El pH en el que están
cargados exactamente la mitad de los
residuos de ácido carboxilico o amina,
recibe el nombre de pK del
aminoácido en cuestión.
En la célula, el pH es próximo a 7,
y casi todos los ácidos carboxílicos y
las aminas se encuentran en forma
cargada.

ácido ácido histidina lisina arginina

aspártico glutámico
pK-4,7 pK-4,7 pK-6,5 pK- 10,2 pK-12

Los nucleótidos son las subunidades del DNA y del RNA6

En Los nucleótidos, uno de los diversos compuestos cíclicos que contienen nitró-
geno (denominados a menudo bases porque en soluciones ácidas pueden com-
Figura 2-9 Estructura química del
binarse con H+) está unido a un azúcar de cinco carbonos Cribosa o desoxirribosa)
adenosín trifosfato (ATP}. Se muestra
que también contiene un grupo fosfato. Existe un claro parecido entre los dife- un modelo de espacios llenos (Al, w1
rentes anillos nitrogenados de los nucleótidos. La citosina (C), La timina (T) y el modelo de bolas y varillas (B) y la
uracilo (U) reciben el nombre de pirimidinas puesto que todos ellos derivan de fórmula estructural {C). Nótese la
un anillo de pirimidina hexagonal; la guanina (G) y la adenina (A) son purinas, presencia de cargas negativas en cada
compuestas por un segundo anillo pentarnérico u nido al anillo hexamérico. uno de los tres fosfatos.

trifosfato ribosa adenlna

II
adenosina
(A) (B) (C)

Los componentes químicos de una célula 49

 ENLACES DE HIDRÓGENO
Debido a que están polarizadas, dos longit udes de enlace
moléculas de agua adyacentes
pueden formar una unión conocida enlace de hidrógeno
como enlace de hidrógeno. Los enlaces
de hidrógeno tienen una fuerza de
" ~ ·· H 0,28 nm

alrededor de 1/20 la de un enlace

covalente.
llllllrlll 6

H
"
/
O 1111111111111111111 H - 0 -
L____J
0,104 nm
enlace de hidrógeno enlace covalente
Los enlaces de hidrógenQ son más
fuertes cuando los 3 átomos se ·
encuentran en línea recta.

EL AGUA ESTRUCTURA DEL AGUA

Dos átomos, conectados por un enlace covalente, pueden ejercer atracciones Las moléculas de agua se unen entre sí
diferentes sobre IÓs electrones del enlace. En estos casos el enlace es dipolar, transitoriamente formando una red a través de
con un extremo cargado ligeramente negativo (o-) y otro cargado ligeramente enlaces de hidrógeno. Incluso a 37ºC, un 15% de
positivo (o+). Los enlaces en los que los dos átomos son iguales o ejercen las moléculas de agua están unidas cada una a
atracciones iguales sobre los electrones se denominan no polares. a otras 4, en un ensamblaje de vida corta conocido
como "agrupación oscilante".

región
electropositiva

6'

región
electronegativa

Aunque una molécula de agua tiene una carga neta total neutra (por tener el
mismo número de protones que de electrones), sus electrones están distribuidos
de forma asimétrica, lo cual hace que la molécula sea polar. El núcleo de oxígeno
desplaza a los electrones de los núcleos de hidrógeno, dejándolo a estos núcleos La naturaleza cohesiva del agua es responsable
con una pequeña carga neta positiva. El exceso de densidad electrónica sobre el de muchas de sus propiedades extraordinarias,
átomo de oxígeno genera regiones débilmente negativas cerca del átomo de tales como la elevada tensión superficial, el alto
oxígeno en los otros dos vértices de un tetraedro imaginario. calor específico y el elevado calor de vaporización.

MOLÉCULAS HIDROFfLICAS E HIDROFÓBICAS Las moléculas no polares interrumpen la estructura

del agua formada por enlaces de H, sin formar
Debido a su naturaleza polar, las moléculas de agua se agrupan interacciones favorables con moléculas de agua.
alrededor de los iones y de otras moléculas polares. Por lo tanto son hidrofóbicas y casi insolubles
en agua.
O-H
/
H H lj H
/ \ s /
H-0 0-H "<))IIIIII H - 0
~
----'- C H
\ /
H- 0 O- H O -H1911110
\ / l!- \
H H H H
\
0 - H
H
Las moléculas que pueden acomodarse en estructuras de este 1
tipo, formadas por moléculas de agua unidas por enlaces de o, H
hidrógeno, son hidrofílicas y relativamente solubles en agua.

50 Panel2•l Prqpiedades qu.(mJcas del agua y su influencia sobre el colJ)portalitiento de las moléculas biológicas.
MOLÉCULAS HIDROFÓBICAS Y ESTRUCTURAS ACUOSAS

Las moléculas que son no polares y no pueden

formar enlaces de hidrógeno ~orno los
hidrocarbonos- sólo tienen una solubilidad
en agua limitada, y se denominan hidrofóbicas.
Cuando estas moléculas se encuentran en agua,
se forman a su alrededor estructuras ordenadas
de moléculas de agua. Estas cajas semejantes
a hielo son relativamente más ordenadas que
el agua libre y generan una disminución de
entropía del medio. En la figura se muestra
parte de una de estas estructuras (en rojo)
alrededor de un hidrocarbono (en negro).
En la estructura intacta cada átomo de oxígeno
(cfrculos rojos) puede estar coordinado
tetraédricamente con otros cuatro.

El agua, por sí misma, tiene _una ligera tendencia a

ÁCIDOS Y BASES
ionizarse, actuando tanto como ácído débil y como
Un ácido es una molécula que, en solución, cede base débil. Cuando actúa como ácido libera un protón,
un ion H+ (protón). Por ejemplo, generando un ion hidroxilo. Cuando actúa como base
acepta un protón formando un ion hidronio. En solución
o o acuosa la mayoría de protones están como iones
// //
CH -
3
C
\
~
~
CH-C
3 \
+ hidronio.
H
OH o- /
0-HIIIIIIIIIO
ácido base protón / \

Una base es una molécula que, en solución, acepta

un ion H+ (protón). Por ejemplo,
H Jí H

H
/
o0 + H-O
/ 0 \
base protón ácido H H
ion hidroxilo ion hidronio

pH ÓSMOSIS
cene. Si 2 soluciones acuosas están separadas por una membrana que
únicamente permite el paso de las moléculas de agua, ésta

.. .. .
de H• en pH
moles/litro pasará hacia la solución que contiene la mayor concentración
La acidez de una solución
de moléculas solubles, un proceso denominado ósmosis.

±±
se define como la 10 1
concentración de iones H+ 10 2 2
.. . . . .... . ..... .. .... .. . . . . . . . .
.
que posee. Por comodidad, oCl 10 3 3

...•
u
utilizamos la escala de
.• . . .· •. .·· ·. . . ·•· 1· . · ·. . . . . • .· ·

~~
;
10-4

.. . .
·<I'. 4
pH en la que 10-s •
♦
: •. .: . •. •: .•. . .•. .• 1·. . . . . . . • . .
5 . . . . . . .• • .• : • • • • • . .. • • •

10-6

........
6
7
• • .•. . .• . • . •.• .. • .• .: .· 1 . .
. . : ·.·.·· .· ..
. ........ . • •.• .. .•. ..
..

JI tt ..
8
10 9 9
Para el agua pura 10- 10 10
,o- 11 Este movimiento del agua desde una solución hipotónica a una
11
[H+J = 10- 7 moles/litro -:1. - 12 solución hipertónica, puede provocar un aumento de la presión
10 12
,o- 13
hidrostática en el compartimiento hipertónico. Dos soluciones
13 que tengan concentraciones idénticas de solutos, es decir, que
10 14 14 sean osmóticamente equilibradas,.se dice que son isotónicas.
 ESQU ELETOS CA RBONADOS
El papel característico del carbono en la célula se debe
a su capacidad. de formar enlaces covalentes con otros o estructuras ramificadas o anillos
átomos de carbono. Así, los átomos de carbono se
pueden unir formando cadenas.

\/ \/ \/ \/
/c~c/c~c/c~c/c~c/
/\ /\ /\ /\

representado \ / \ / \ / \
también como V V V \
representado
también como
>-< representado
también como
co
ENLACES COVALENTES HIDROCARBUROS
Un enlace covalente se forma cuando dos átomos se acercan
suficientemente y comparten uno o más de sus electrones. En un
enlace sencillo se comparte un electrón de cada uno de los dos El carbono y el hidrógeno forman
átomos; en un enlace doble se comparten un total de cuatro electrones. juntos unos compuestos estables
Cada átomo forma un número determinado de enlaces covalentes, denominados hidrocarburos. Son
siguiendo una distribución espacial definida. Por ej emplo, el carbono no polares, no forman enlaces de
forma cuat ro enlaces sencillos dist ribuidos hacia los vértices de un hidrógeno y, por lo general, son
tetraedro mientras que el nitrógeno forma tres enlaces sencillos y el insolubles en agua.
oxígeno forma dos enlaces sencillos, distribuidos com o se muestra
en este panel.
Dos átomos unidos por dos

+
Los dobles enlaces tienen una distribución espacial diferente.
o más enlaces covalentes
no pueden rotar libremente
alrededor del eje del enlace.
Esta restricción constituye
el factor lim itante principal
sobre la distribución
H-C-H
H
1

1
H
H-C-
H
1

[
H

y t
t ridimensional de muchas
macromoléculas.
metano grupo metilo

RESONANCIA Y AROMATICIDAD
La cadena de carbonos pueden incluir dobles Cuando se produce resonancia en
enlaces. Si éstos se encuentran en átomos de un compuesto cíclico, se genera un
carbonos alternos, los electrones de enlace anillo aromático.
se mueven dentro de la molécula,
estabilizando la estructura en un fenómeno
conocido como resonancia.

\ C=C/ \ C=C/ C
H H H

¿ \:=! \:=!
/ t \ / \ H H H
la estructura verdadera

/'
se halla entre estas dos H H

\ e- e \ e- e/ e representado Q
V
I \_/ \_/ a menudo como
parte de la cadena
de un ácido graso

/ \ / \

52 Panel 2-2 Enlaces y grupos quúnioos frecuentes en las moléculas biológica.a.

 COMPUESTOS C- O COMPUESTOS C- N
Muchos compuestos biológicos contienen un carbono unido a Las aminas y amidas son dos importantes ejemplos de
un oxígeno. Por ejemplo: compuestos que contienen un carbono unido a un nitrógeno.

alcohol H En agua, las aminas se combinan con un ion H+ y quedan

1 El --OH recibe el nombre cargadas positivamente.
- e - OH
de grupo hidroxilo.
1
H
aldehído o
¡
-e
\
)
Por consiguiente, son básicas.
El C=O recibe el nombre
de grupo carbonilo. Las amidas se forman por la combinación de un ácido y una
cetona e\ amina. Son más estables que los ésteres. A diferencia de las
e= o aminas, en solución acuosa no poseen carga. Un ejemplo lo
el constituye el enlace peptfdico.
o
ácido carboxfl ico o
¡ El -COOH recibe el nombre
de grupo carboxilo. En el
- el +
-e
agua pierde un ión W y se \OH
\OH
convierte en - coa-.

ésteres Los ésteres están formados por la combinación El nitrógeno se presenta también en diversos compuestos
de un ácido y un alcohol: cíclicos: purinas y pirimidinas

NH 2

-e-e
1

+
;º
1 ~ -
1

e-e
;º
1 +H 2o N
A e
/ H
1 \ OH HO- e - 1 'a-e- 1
.-,:::C...__
11
,,,e...___
citosina (una pirimidina)
7
1 1 0 N H
ácido alcohol éster 1
H

FOSFATOS
El fosfato inorgánico es un ion estable formado Se pueden formar ésteres fosfato entre un fosfato y
a partir del ácido fosfórico, H3 P04 • A menudo se un grupo hidroxilo libre.
representa como P1•

o también
11
-o-P-0~ - e-
1 ?
OH+ HO-P-0- -
1 ~
C -O-P-0-
representado
como
1
1
OH 1 b- 1 b- -e-o -®
1

La combinación de un fosfato y un grupo carboxilo, o de dos o más grupos fosfato, da lugar a un anhídrido ácido.

¡
o o también representado
11 1º como
-e
----
~
+ HO- P-0- -e o + H20
o
\OH 1
o- \
O-P-0-
11
-e//\
1
o- o-®

o o o o también representado
11 11 11 11 como
- 0-P-OH
o- 1
+ HO-P -0-
1
o- ----
~
- O-P-O-P-0-
1
o- 1
o-
+ H20
-o-®-®
 ENLACES a Y 13 DERIVADOS DE LOS AZÚCARES
El grupo hidroxilo del carbono que presente el Los grupos hidroxilo de un monosacárido simple pueden ser sustituidos
aldehído o la cetona puede pasar rápidamente de por otros grupos. Por ejemplo:
una posición a otra. Estas dos posiciones reciben
el nombre de ex y p.
o
OH
'-.... hidroxilo 13
o-glucosamina

~ ~
;\ / hidroxilo a
ácido o-glucuró~: D
~

OH
OH HO
H
1
En cuanto un azúcar se une a otro, se congela la c1 =o
forma a o p.
CH3

6
DISACÁRIDOS
a-o-glucosaKt>CH20H 13-o-fructosa
El carbono que lleva el grupo aldehído o cetona
puede reaccionar con cualquier grupo hidroxilo de
otra molécula, formando un enlace glucosídico.
4 1
+
Tres disacáridos frecuentes son la maltosa HO OH
(glucosa a1 ,4 glucosa}, la lactosa
(galactosa p1,4 glucosa) y la sacarosa OH
(glucosa a1,2 fructosa). La sacarosa se muestra
en la figura.

HOt y Q ~

H
0
_____) H
OH
t H20H

sacarosa (glucosa cx1 ,2 fructosa)

OLIGOSACÁRIDOS Y POLISACÁRIDOS
Con unidades simples repetitivas se pueden formar grandes moléculas lineales y ramificadas.
Las cadenas cortas reciben el nombre de oligosacáridos, mientras que las cadenas largas se
denominan polisacáridos. El glucógeno, por ejemplo, es un polisacárido formado enteramente
por unidades de glucosa.

se producen enlaces
cxl,6 en los puntos
de ramificación

OLIGOSACÁRIDOS COMPLEJOS

En muchos casos, una secuencia

de azúcares es no repetitiva. Son
posibles muchas moléculas
diferentes. Tales oligosacáridos
complejos suelen estar unidos NH NH
a proteínas o a lfpidos.
1
1
c=o
CH3
kº~ un oligosacárido
de grupo sanguíneo
1
C=O
1
CH 3

H~
OH
 AGREGADOS LIPÍDICOS POLIISOPRENOIDES

Los ácidos grasos tienen una cabeza ---f

hidrofílica y una cola hidrofóbica. - - ;
largos polímeros lineales
de isopreno

~ o-
En el agua pueden formar una
película superficial o pequeñas
micelas.
v. 1
o
1
O=P - o -

Sus derivados pueden formar grandes agregados unidos por fuerzas hidrofóbicas:

Los triacilglicéridos forman grandes Los fosfofípidos y glucolfpidos forman bicapas

.
gotas esféricas en el citoplasma celular. lipídicas que se cierran sobre sí mismas y constituyen
la base de todas las membranas celulares.

t -=~~ •
200nm
o más 7: .
_j_

Los lfpidos se definen como compuestos

OTROS lÍPIDOS
solubles en disolventes orgánicos. Otros dos
tipos frecuentes de lípidos son los esteroides
y los poliisoprenoides. Ambos están
formados por unidades de isopreno.

ESTEROi DES Los esteroides tienen una estructura común formada

por múltiples anillos.

GLUCOlÍPIDOS
Al igual que los fosfolfpidos, estos compuestos están formados por una
región hidrofóbica, que contiene dos largas colas hidrocarbonadas,
y una reglón polar, que contiene en este caso uno o más
residuos de azúcar, pero no fosfato.
H OH 1
1 [ H I

í
C.., _,C, 1 _,CH2 residuo de
dolicol fosfato-utilizado para

~~
azúcar
transportar los azúcares
activados durante la síntesis
asociada a membrana de las
C-NH un glucolfpido glucoproteínas y de algunos
11 simple polisacáridos.
región hidrofóbica
o

57
 EL AMINOÁCIDO El átomo de carbono u es asimétrico, por lo
ISÓMEROS ÓPTICOS
que existen dos isómeros especulares
La fórmula general de un aminoácido es (o estereoisómeros), o y L.
H átomo de carbono ex

grupo
amino grupo carboxilo
R --------grupo de cadena later
Habitualmente Res una cadena lateral de entre 20
posibles. A pH 7 el grupo amino y el grupo carboxilo
están ionizados.

Las proteínas constan exclusivamente de aminoácidos L.

ENLACES PEPTÍDICOS
Habitualmente, los aminoácidos están unidos por un enlace enlace peptídico: los cuatro átomos de cada recuadro gris
amida denominado enlace peptídico. forman una unidad plana rígida. No existe libertad de rotación
alre_
d edor del enlace C-N.

H
"
H
1
N-C-C ,
O

+
H '-
R
1
N-C-C
,o H
,
H
1
O
U
R
1 ,
O

N- C-C-N-c-c
H/ 1
R "
OH H
/
H
1 "
OH H/ R
1 \ . H1
H
"oH
SH
extremo amino o . 1 extremo carboxilo o
Las proteínas son largos polímeros N-terminal fO H
CH2 H H e-terminal
de aminoácidos unidos por enlaces
peptídicos y siempre se escriben "" + H 3N-t ---il-Nrvl c-~-d-coo- /
con el externo N-terminal hacia
1 1 u 1
CH2 kl O CH
la izquierda. La secuencia de este 1 / ~
tripéptido es His Cys Val. C CH3 CH3
/-m;,..
HN; ,::?CH
t · ./] Estos dos enlaces sencillos, a cada lado de la unidad peptídica
rígida, tienen un alto grado de libertad de rotación.
HC~W

FAMILIAS DE CADENAS LATERALES BÁSICAS

AMINOÁCIDOS
,
li!iina f'rglnina ' bistidina'
(Lys o K)
"
Los aminoácidos comunes (Argo R) (His o H)
se clasifican según si sus
cadenas laterales son H O H O H O
1 11 1 11 1 11
ácidas
- N-C-C- -N-C-C- -N-C -C-
1 1 1 1 1 1
básicas H CH 2 H CH 2 H CH2
polares no cargadas 1 1 1
no polares CH CH1
1 ! ,(~
1
CH, Este grupo es muy CH2 H~; CH
Estos 20 aminoácidos se 1 • básico, ya que su 1
pueden abreviar de dos CH 2 /He~~+
carga positiva NH
formas: por medio de Estos nitrógenos tienen una afinidad
1 está estabilizad1 1
tres letras y por medio de NH3 .
por resonancia. ,f'e ~ relativamente débil por el W y sólo
una sola letra. + son parcialmente positivos a pH
+H2 N NH2
neutro.
Así: alanina = Ala= A

58 PanelZ-5 Los 20 aminoácidos que Intervienen en la smtesis de las proteínas.

 CADENAS LATERALES ÁCIDAS CADENAS LATERALES NO POLARES

ácido aspártico ~cido glutámico H O

1 11 gJicina 0
(Aspo D) (Glu o E) - N- C- C-
1 1 (Glyo G)
H O HO H H
1 11 1 11
-N-C-C- -N- C-C-
1 1 1 1 v¡1Jina
H CH 2 H CH2 (Ala o A} (Val o V)
1 1
e CH1
o~ o- " 1
e
H
1
O
11
H
1
O
11

o~ "o- -N- C- C-
1 1
-N-C-C-
1 ·1
H CH 3 H CH
CH
/3 CH 3 "
Los aminoácidos cuyas cadenas laterales no polares no isoleuotna "~
cargadas son relativamente hidrofflicos y normalmente
se sitúan en el exterior de las protelnas, mientras que las (Leu o L) (lleu o 1)
cadenas laterales de aminoácidos no polares tienden a
agregarse en el interior de las proteínas. Los aminoácidos H O H O
con cadenas laterales ácidas son muy polares y casi 1 11 1 11
siempre se hallan en la superficie de las moléculas proteicas. - N-C-C- - N-C-C-
1 1 1 1
El código de una letra, en orden alfabético: H CH 2 H CH

G =Gly M= Met S = Ser

1
CH CH/ 3 "CH 2
A= Ala
C= Cys
D=Asp
H = His
. 1 = lleu
N= Asn
P = Pro
T =Thr
V= Val
/
CH3 "CH3 1
CH 3

E= Glu K = Lys C =Gln W= Trp

F= Phe L = Leu R =Arg Y= Tyr ,erolina fénilalanina
(Pro o P) (Phe o F)

H O H O
1 11 1 11
CADENAS LATERALES POLARES NO CARGADAS
"
-N-C-C- - N-C-C-

Ji'
, 1 1
nparaglna
(Asno N) (Gin o Q)
-
g luti,.min,a
. (en realidad
CH
/ 2
'°"cH(
es un iminoácido)
CH 2
H

H O H O
1 11 1 11
'/. .
-N-C-C- -N- C-C- t,netionina
1 1 1 1 (Meto M} (Trp o W)
H CH 2 H CH2
1 1 H O H O
~C CH2 1 11 11

LPH,
1

O '--NH I -N-C - C - - N- C-C-

~r
1 1 1 1
H CH1
1
CH1
1
Aunque la amida N no está cargada 5-CH 3
a un pH neutro, es polar. N
H
serina treonina tirosina
(Ser o S) (Thr o T) (Tyro Y) H O
1 11
H O H O H O -N-C-C- cisteína
1 11 1 11 1 11 1 1
-N-C-C- - N-C-C - - N-C-C- H CH2 (Cys o C)
1 1 1 1 1 1 1
H CH 2 3 SH
1
OH
\ H/
__:_t_H--C-H---H
-~, Las cisteínas apareadas permiten que se formen enlaces disulfuro
en las proteínas.
El grupo -OH es polar.
OH
 BASES o
11
e
HC ✓' "-,.NH
NH2
j[ U J uracilo
Las bases son compuestos cíclicos con N,
1 HC ✓C~ ya sean purinas o pirimidinas.
e N ~O
HC/ ~N H
¡e l
¡ citosina
HC ¼ /e~
N "O O
H H C 11
3 '---- /\e .-d.
~ T IH ?"
H C<.____ ,.,...,-e~ PIRIMIDINÁ
timina ~ O . = ........» '

FOSFATOS NUCLEÓTIDOS EN LACE

BASE-AZÚCAR
Normalmente los fosfatos están unidos al Un nucleótido consiste en una base nitrogenada,
hidroxilo es de la ribosa o de la un azúcar de 5 carbonos y uno o varios grupos

8
desoxirribosa. Son frecuentes los fosfato.
monofosfatos, difosfatos y trifosfatos. enlace

o N~l,c~
11 como en
-o- P- 0 - H
elAMP
o- 1

FOSFATO
5 ~ N
o o o o
11 11 como en 11
-o- P- O - P- O - H - o-P-O- CH
elADP 1 2
4
1 1
o- o- o-
o o o
11 11 11
- o - P- O - P- O - P- 0 - H Son las subunidades La base está unida al

6- 6- 6- 1 de los ácidos
nucleicos.
OH mismo carbono (C1)
utilizado en los
El fosfato hace que un nucleótido esté enlaces azúcar-azúcar.
cargado negativamente.

AZÚCARES
HONH
vQ,~ se utilizan dos tipos
~"H"~
OH OH
~-o-RIBOSA
utilizada en el ácido ribonucleico

un azúcar de
~
5 carbonos

HONH ~-o-2-DESOXIARIBOSA
Cada uno de los carbonos numerados de un azúcar
se escribe con una "prima"; así hablamos de
"carbono 5-prima", etc.
~"H"~
OH H
utilizada en el ácido
desoxirribonucleico

60 :Panel 2-6 Resumen de los principales tipos de nucleótldos y sus derivados exl.$tentes en las células.
 NOMENCLATURA Los nombres pueden inducir a confusión, pero las abreviaturas son claras.

8
BASE

adenina

guanina
NUCLEÓSlDO

adenosina

guanosina
ABREV.

G
Los nucleótídos se abrevian
con tres letras mayúsculas,
de la siguiente manera:

AMP • adenosina monofosfato

e
BASE + AZÚCAR = NUCLEÓ~IDO

dAMP .. desoxiadenosina monofosfato

citosina citidina e UDP • uridina difosfato
ATP • adenosina trifosfato
uracilo uridina u
timina timidina T
BASE+ AZÚCAR+ FOSFATO • NUCLEÓTlDO

ÁCIDOS NUCLEICOS LOS NUCLEÓTIDOS TIENEN OTRAS MUCHAS FUNCIONES

Los nucleótidos están unidos mediante
un enlace fosfodiéster entre los carbonos
5' y 3', formando ácidos nucleicos. La Transportan energía en sus enlaces ácido-anhídrido, que son fácilmente
secuencia lineal de los nucleótidos de una hidrolizables.
cadena de ácido nucleico se suele abreviar
mediante un código de una letra,
A-G-C-T-T-A-C-A, con el extremo
5' de la cadena a la izquierda. o o o
11 11 11
- o-P-O-P-O-P-0 - CH2
o 1 1
o- 1
o- o-
11
- o-P - 0 -CH
! 2
o-
ejemplo: ATP (o fDI) OH OH

+
N;:,~
Se combinan con otros grupos formando coenzimas.
o
11
- o - P-0-
1
o- H H O H H O H ~H , H O O ~NJLN

Hs-t -t-N - ! - t - t -N-! -t -c -t -o - ~ - o - ~ - o - c2 ~

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 o
OH H H H H H H HO CH3 H o- o-
l
externo 5' de ejemplo: coenzima A (CoA) OH OH
O la cadena
11 5'
- o - P- 0 -
J En la célula son utilizados como moléculas señalizadoras especificas.
o-

3' O
enlace 1
fosfodiéster - o-P=O
1
ejemplo:

5'
?
CH2
AMP cíclico (cAMP)

ejemplo: DNA
O=P---0 OH
1
3' OH
o-
 extremo s· de la cadena
-
Cada nucleótido se nombra en referencia a la única base que contiene (Panel 2-
6, págs. 60-61).
Los nucleótidos pueden actuar como transportadores de energía química.
Destaca el éster trifosfato de adenina, ATP (Figura 2-9), que participa en la trans-
ferencia de energía en cientos de reacciones celulares distintas. Su fosfato termi-
nal se añade utilizando la energía de la oxidación de los alimentos, y puede ser
fácilmente separado por hidrólisis liberando energía, la cual es utilizada en cual-
quier lugar de la célula en reacciones biosintéticas energéticamente desfavora-
bles. Como discutiremos más adelante, otros derivados de nucleótidos actúan
de transportadores de grupos químicos particulares como átomos de hidrógeno
o residuos de azúcar, desde una molécula a otra. Además, un derivado cíclico de
la adenina que contiene fosfato, el AMP cíclico, se utiliza como molécula univer-
sal de sefialización dentro de las células y controla la velocidad de numerosas re-
acciones intracelulares diferentes.
La importancia especial de los nucleótidos estriba en el almacenamiento de
la información biológica. Los nucleótidos constituyen los elementos de cons-
trucción de los ácidos nucleicos, largos polímeros en los que las subunidades de
nucleótidos están un.idas covalentemente gracias a la formación de un éster fos-
fato entre el grupo hidroxilo 3' del residuo de azúcar de un nucleótido y el grupo
fosfato 5' del nucleótido siguiente (Figura 2-10). Existen dos tipos principales de
ácidos nucleicos que se diferencian en el tipo de azúcar de su esqueleto polimé-
rico. Los que se basan en el azúcar ribosa reciben el nombre de ácidos ribonu-
cleicos, o RNA, y contienen las bases A, U, G y C. Los que se basan en la desoxi-
rribosa (en la que el hidroxilo de la posición 2' de la ribosa está sustituido por un
hidrógeno) se denominan ácidos desoxirribonucleicos, o DNA y contienen las
bases A, T, G y C. La secuencia de las bases de un polímero de DNA o RNA repre-
senta la información genética de la célula viva. La capacidad de las bases de dife-
rentes moléculas de ácido nucleico para reconocerse unas a otras mediante in-
teracciones no covalentes (denominadas apareamiento de bases) -G con C y A
con T (en el DNA) o con U (en el RNA)- constituye, tal como se explicará en el
Capítulo 3, la base de toda la herencia y la evolución.

Resumen
extremo 3' de la cadena
Los organismos vivos son sistemas químicos autónomos, que se autopropagan. Es-
tán fonnados por un conjunto característico pero limitado de pequeñas moléculas Figura 2- 10 Un breve fragmento de
basadas en el carbono que esencialmente son las mismas en todas las especies vi- ácido desoxirribonucleico (DNA) de
vientes. Las principales categorlas son: azúcares, ácidos grasos, aminoácidos y nu- cuatro nucleótidos. Uno de los
cleótidos. Los azúcares constituyen una fuente primaria de energía química para las enlaces fosfodiéster, que une
células y son incorporados a polisacáridos para el almacenamiento de energía. Los nucleótidos adyacentes, se destaca en
ácidos grasos son también importantes para el a lmacenamiento de energía, pero su amarillo y uno de los nucleótidos se
función más significativa estriba en la formación de las membranas de la célula. Los destaca sombreado en gris. El DNA y
polímeros fonnados por aminoácidos constituyen macromoléculas notablemente su pariente próximo el RNA son los
diversas y versátiles conocidas como proteínas. Los nucleótidos desempeñan un pa- ácidos nucleicos de la célula.
pel central en la transferencia de energta y también son las subunidades a partir de
las cuales se construyen las macromoléculas de información, RNA y DNA.

Orden biológico y energía7

Las células han de obedecer las leyes de la física y de la química. Las reglas de la
mecánica y de la transformación de una forma de energía en otra se aplican a
una célula igual que a una máquina de vapor. Sin embargo, es necesario admitir
que una célula tiene unos rasgos asombrosos que, a primera vista, parecen colo-
carla en una categoría especial. Es bien conocido que con el tiempo las cosas
abandonadas a su suerte pasan a quedar desordenadas: los edificios se derrum-
ban, los organismos muertos se descomponen, etc. Esta tendencia general se

62 Capítulo 2 : Pequefias moléculas, energía y biosíntesis

halla expresada en la segunda ley de la termodinámica, que afirma que el grado
de desorden del universo (o de cualquier sistema aislado) sólo puede aumentar.
Lo asombroso es que los organismos vivos mantienen, a todos los niveles,
un alto grado de orden; y como se alimentan, se desarrollan y crecen, parece que
crean este orden a partir de materiales alimenticios que carecen de él. El orden
resulta claramente aparente en grandes estructuras corno el ala de una mariposa
o el ojo de un pulpo, en estructuras intracitoplasmáticas como una mitocondria
o un cilio, o en la forma y disposición de las moléculas a partir de las que están
construidas estas estructuras. Los átomos que las constituyen han sido captura-
dos, en último término, desde su estado relativamente desorganizado del medio
ambiente y unidos formando una estructura determinada. Incluso una célula
que no crezca, requiere para sobrevivir unos procesos constantes de ordena-
ción, puesto que todas sus estructuras organizadas están sujetas a alteraciones y
deben ser reparadas continuamente. ¿Cómo es esto posible desde el punto de
vista termodinámico? Veremos que la respuesta se halla en el hecho de que la
célula emite constantemente calor a su ambiente y, por consiguiente, no es un
sistema aislado en el sentido termoctinámko del término.
entorno célula

El orden biológico resulta posible gracias a la liberación

de energía calorífica por parte de las célulasª
Como acabamos de ver, la segunda ley de la termoctinámica afirma que la canti-
dad de orden del universo (es decir, de la célula más su entorno) siempre debe
ctisminuir. Por consiguiente, el aumento de orden dentro de la célLLla viva ha de ir
acompañado de un aumento aún mayor de desorden en el ambiente de la célula.
El calor es energía en su forma más desordenada -el choque al azar de las mo-
léculas- y la célula cede calor al medio mediante reacciones que ordenan las
moléculas que la célul.a contiene. EJ incremento del movim iento al azar, inclui-
das las distorsiones de los enlaces, de las moléculas del resto de universo genera
un desorden que compensa con creces el incremento de orden en la célula, tal
como requieren las leyes de la termodinámica para los procesos espontáneos.
De esta forma, la liberación de calor de una célula al medio le permite ordenarse
internamente al mismo tiempo que el universo en su conjunto se vuelve más des-
ordenado (Figura 2-11).
Es importante precisar que la céltLla no consigue nada produciendo calor a
menos que las reacciones productoras de calor estén asociadas con los procesos
que generan orden molecular en la célula. Se dice que las reacciones asociadas
de esta forma están acopladas, tal como explicaremos más adelante. Lo que dfa-
tingue el metabolismo de una célula de la combustión ruinosa de un fuego es el
estrecho acoplamiento que existe entre la producción de calor y el incremen-
to de orden.
La generación de orden en el interior de las células se produce a expensas ele
la degradación de combustible energético. Para las plantas la energía deriva ini-
cialmente de la ractiación electromagnética del sol; para los animales deriva de
la energía almacenada en los enlaces covalentes de las moléculas orgánicas que
ingieren. Sin embargo, como estos nutrientes han sido producidos, a su vez, por Figura 2-11 Análisis termodinámico
o rganismos fotosintetizadores como las plantas verdes, de hecho el sol es la s lmple de una célula viva. En el
fuente última de energía para ambos tipos de organismos. esquema superior las moléculas de la
célula y del resto del universo (su
entorno) se han representado en un
Los organismos fotosintetizadores utilizan la luz solar estado relativamente desordenado. En
para sintetizar compuestos orgánicos9 el esquema inferior, la célula (gris) ha
liberado calor por medio de una
La energía solar entra en el mundo vivo (la biosfera) gracias a la fotosíntesis que reacción que ordena las moléculas de
realizan los organismos fotosintetizadores -plantas o bacterias. En la fotosínte- su interior (verde). El calor incrementa
sis, la energía electromagnética se transforma en energía de enlace qu(mico. Al el desorden en el entorno de la célula,
mismo tiempo, una parte de la energía de la luz solar se transforma en energía de forma que aunque la célula crezca y
calorífica, y la liberación de este calor al entorno incrementa el desorden del se divida se cumple el segundo
universo y, por consiguiente, impulsa el proceso fotosintético. principio de la termodinámica.

Orde n biológico y energía 63

 Las reacciones de la fotosíntesis se describen con detalle en el Capítulo 14. En
SOL
términos generales, podemos decir que se pueden distinguir dos etapas distintas.
En la primera etapa Oa de las reacciones activadas por la luz o fa.se luminosa), la ra-

/1\
diación visible captada por una molécula de pigmento impulsa la transferencia de
electrones desde el agua hasta el NADPH, y al mismo tiempo proporciona la ener-
gía necesaria para la síntesis de ATP. En la segunda (la fa.se oscura), el ATP y el
NADPH se utilizan para impulsar una serie de reacciones de "fijación de carbono'",
en las que el C02 del aire se utiliza para formar moléculas de azúcar (Figura 2-12).
El resultado neto de la fotosíntesis, en lo que se refiere a la planta verde, se re;iccione, acti11~d11s
puede resumir en la siguiente ecuación: por la IUz_

energía+ C02 + HzÜ ➔ azúcar+ 0 2

,Esta ecuación simple esconde la compleja naturaleza de las reacciones de la fase
oscura, que abarcan numerosas reacciones consecutivas. Además, y aunque la
fijación inicial del C02 da lugar a azúcares, las reacciones metabólicas subsi-
la mm
\
guientes los convierten rápidamente en otras moleculas, grandes y pequefias,
esenciales para la célula vegetal.

La energía química pasa de las plantas a los animales

Los animales y otros organismos no fotosintetizadores no pueden capturar di-
rectamente la energía de la luz solar y, por ello, han de sobrevivir gracias a la
energía "de segunda mano'" que obtienen al ingerir plantas o a la de "tercera
mano"', obtenida al comer otros animales. Las moléculas orgánicas producidas
por las células vegetales suministran a los organismos que se alimentan de ellas
tanto elementos estructurales para la construcción como combustible. Todos Figura 2-12 La fotosíntesis. Las dos
los tipos de moléculas vegetales pueden servir para este propósito -azúcares, fases de la fotosíntesis en una planta
proteínas, polisacáridos, lípidos y otros muchos compuestos. verde.
No todas las transacciones entre plantas y animales son unidireccionales.
Las plantas, los animales y los microorganismos han existido juntos en este pla-
neta durante tanto tiempo que muchos se han convertido en una parte esencial
del medio ambiente de los otros. Por ejemplo, el oxígeno liberado durante la fo-
tosíntesis se consume en la combustión de las moléculas orgánicas realizada por
casi todos los organismos, y algunas de las moléculas de C02 que hoy se "fijan'"
en moléculas orgánicas mayores en una hoja verde mediante la fotosíntesis, an-
teayer fueron liberadas a la atmósfera por la respiración de un animal. Así, la uti-
lización del carbono es un proceso cíclico que abarca el conjunto de la biosfera y
cruza los límites de los organismos individuales (Figura 2-13). Análogamente, los

Figura 2- 13 El ciclo del carbono. Los

átomos de carbono se incorporan a las
moléculas orgánicas del mundo vivo
gracias a la actividad fotosintetizadora
RESPIRACIÓN de las plantas, las bacterias y las algas
marinas. Pasan luego a los animales,
a los microorganismos y al material
orgánico del suelo y de los océanos, a
través de vías cíclicas. El C02 vuelve
·ala atmósfera cuando las moléculas
orgánicas son oxidadas por las células
o quemadas por el hombre en forma
COMBUSTIÓN de combustibles fósiles.
Y EROSIÓN

64 Capítulo 2 : Pequefias moléculas, energía y biosíntesis

 (A) (B)

FORMACIÓN DE H
UN ENLACE 1
COVALENTE H- C- H
+ 1
H
este
extremo este extremo metano

ÁTOMO 1 ÁTOMO2
tiene una
carga parcial
positiva
MOLÉCULA
tiene una carga
parcial negativa
debido a un
exceso de
l
H
electrones 1
H- C- OH
1
Figura 2-14 Oxidación y reducción. (A) Cuando dos átomos forman H
un enlace covalente, uno de los átomos tiene una mayor cantidad de metanol
electrones de forma que adquiere una carga negativa parcial: se dice
que se ha reducido, mientras que el otro adquiere una carga positiva
parcial y se dice que se ha oxidado. (B) El átomo de carbono del metano H l
puede ser convertido en el del dióxido de carbono mediante la
eliminación sucesiva de sus átomos de hidrógeno. En cada paso los
"/ c=o
electrones son alejados del átomo de carbono, y el átomo de carbono se H
formaldehído
va oxidando progresivamente. Cada una de estas etapas es
energéticamente favorable dentro de la célula.
H l
átomos de nitrógeno, de fósforo y de azufre pueden seguirse, en principio, desde
w1a molécula biológica a otra, a través de unos ciclos similares al del carbono. HO
" C= O
/
ácido fórmico

Las células obtienen energía mediante la oxidación

de moléculas biológicas10 O= C= O
Los átomos de carbono y de hidrógeno de las moléculas que las células toman dióxido de carbono

como alimento pueden utilizarse como combustible porque no se encuentran

en su forma más estable. La atmósfera terrestre contiene una gran cantidad de
oxígeno, y en presencia de oxígeno la forma energéticamente más estable del
carbono es el C02, y la del hidrógeno es el HzÜ. Por consiguiente, una célula
puede obtener energía de ]as moléculas de glucosa o de las de proteína, permi-
tiendo que sus átomos de carbono e hidrógeno se combinen con oxígeno produ-
ciendo C02 y H20, respectivamente. Sin embargo, la célula no oxida las molécu-
las en un solo paso, como ocurre en la combustión. A través de la acción de
catálisis específica mediante enzimas específicas, hace pasar Las moléculas a tra-
vés de un gran número de reacciones que sólo rara vez implican la adición direc-
ta de oxígeno. Antes de estudiar estas reacciones y de poder comprender la fuer-
za impulsora que las mueve, debemos aclarar qué entendemos por un proceso
de oxidación.
En el sentido que antes hemos utilizado, la oxidación no significa única-
mente la adición de átomos de oxígeno: el término se aplica de manera más ge-
neral a cualquier reacción en la que se transfieran electrones de un átomo a otro.
Oxidación, en este sentido, hace referencia a la eliminación de electrones, y re-
ducción - lo contrario de oxidación- significa la adición de electrones. Así, el Fe2+
se oxida si pierde un electrón convitiéndose en Fe3+, y un átomo de cloro se re-
duce si acepta un electrón convirtiéndose en c1-. También se utilizan estos mis-
mos términos cuando sólo se produce un desplazamiento parcial de electrones
entre átomos unidos por un enlace covalente (Figura 2-14A). Por ejemplo, cuan-
do un átomo de carbono forma un enlace covalente con un átomo con una gran
afinidad por los electrones, como el oxígeno, el cloro o el azufre, cede más que
su parte correspondiente de electrones, adquiriendo una carga positiva parcial y
entonces se dice que se ha oxidado. Contrariamente un átomo de carbono en un
enlace C- H tiene una carga de electrones mayor que la que le corresponde y por
ello se dice que está reducido (Figura 2-148).
A menudo, cuando una molécula capta un electrón (e-J también capta un
protón (H+) (en solución acuosa hay una gran cantidad de protones libremente

Orden biológico y energía 65

asequfüles). En este caso el efecto neto es la adición de un átomo de hidrógeno a
la molécula
A+e- +H• ➔ AH

A pesar de que en esta reacción participa un protón y un electrón, (en lugar de

solamente un electrón), las hidrogenaciones de este tipo son reducciones y las
reacciones contrarias , las deshidrogenaciones son oxidaciones.
La combustión de los materiales alimenticios en una célula convierte los
átomos de C y de H de Las moléculas orgánicas (en las que se hallan en un estado
relativamente rico en electrones, o sea, reducido) en CO2 y H2O, compuestos en
los que el C y el H han cedido electrones y, por consiguiente, están altamente
oxidados. El paso de electrones desde el carbono y el hidrógeno hasta el oxígeno proceso de la reacción -

permite a todos estos átomos alcanzar un estado más estable, y por ello la trans- Figura 2-15 mprincipio de la energía
formación es energéticamente favorable. de activación. El compuesto X se halla
en un estado metaestable ya que si se
La degradación de una molécula orgánica se realiza a través de transfonna en el compuesto Y se
liberará energía. Sin embargo, esta
una secuencia de reacciones catalizadas enzimáticamentell
transición no ocurrirá a menos que X
Aunque la forma energéticamente más favorable del carbono es el CO2 y la del pueda adquirir la en.erg(a de activación
hidrógeno es el H2O, un organismo vivo no desaparece transformándose en suficiente de su entorno (mediante
humo por la misma razón que este libro no empieza a arder en cualquier mo- colisiones poco habituales con otras
mento: en ambos casos las moléculas existen en njveles energéticos metaesta- moléculas) para sufrir la reacción.
bles y necesitan una energía de activación (Figura 2-15) para poder transfor-
marse en configuraciones más estables. En el caso del libro, la energía de
activación puede ser suministrada por una cerilla encendida. Para una célula
viva, la combustión se puede obtener de una manera más controlada. El papel
de la cerilla lo realiza una colisión energética poco habitual de un~ molécula con
otra. Además, las únicas moléculas que reaccionan son las que se hallan unidas
a la superficie de las enzimas.
Como se explica en el Capítulo 3, las enzimas son catalizadores proteicos al-
tamente especializados. Como todos los demás tipos de catalizadores, aceleran
las reacciones reduciendo la energía de activación de un ,cambio químico deter-
minado. Las enzimas se unen fuertemente a las moléculas de su substrato y las
mantienen de tal forma que reducen notablemente la energía de activación de
una determinada reacción que reordena algunos enlaces covalentes. Al reducir
selectivamente la energía de activación de una determinada reacción de las que
puede sufrir la molécula unida, las enzimas determinan cuál de las diferentes
vfas alternativas de rotura o formación de enlaces covalentes se producirá (Figu-
ra 2-16). El producto Liberado por la enzima tras la reacción enzimática podrá
unirse a una segunda enzima que catalice otra reacción. De esta manera, cada
una de las muchas moléculas de una célula pasan de una a otra enzima siguien-
do vfas especificas de reacciones, determinando así la química celular. Más ade-
lante discutiremos algunas vías centrales del metabolismo energético.
El éxito de los organismos vivos se puede atribuir a la habilidad de las célu-
las para producir muchos tipos diferentes de enzimas, cada uno con propieda-
des específicas. Cada enzima tiene una forma única y une uri conjunto determi-
nado de moléculas Olamadas substratos), de tal manera que la enzima acelera
una reacción determinada normalmente unas 1014 veces. Como otros cataliza-
dores, las moléculas de la enzima no cambian después de participar en una re-
acción y por lo tanto pueden actuar una y otra vez.

Parte de la energía liberada en las reacciones de oxidación

se acopla a la reacción de formación de ATP 12
Las células obtienen energía útil a partir de la "combustión" de la glucosa, única-
mente porque la queman de una manera muy compleja y controlada.
Mediante vías de reacción dirigidas por enzimas, las reacciones químjcas de sínte-
sis, o reacciones anabólicas, que generan el orden biológico, están estrechamente

66 Capítulo 2: Pequefias moléculas, energía y biosíntesis

 Figura 2-J 6 CatáJisls enzimática.
(A) Un modelo de caja que ilustra de
qué forma las enzimas dirigen a las
moléculas a través de vfas
determinadas. En este modelo, la
pelota verde representa el substrato
potencial de una enzima, (compuesto
X) el cual se desplaza arriba y abajo de
niveles energéticos a causa del
constante bombardeo de las moléculas
de agua que colisionan con ella. Las
cuatro paredes de la caja representan
las barreras de energía de activación
para cuatro reacciones químicas
diferentes energéticamente favorables.
no catalizada catálisis enzimática de la reacción 1
(Al En la caja de la izquierda no se
produce ninguna de estas reacciones,
ya que la energía disponible gracias a
4=:--.. moléculaa con
una energfa muchas moléculas tienen las colisiones es insuficiente para
media una centídad de energia superar ninguna de las barreras
suliciellte para seguir la
t reacción catalizada energéticas. En la caja de la derecha, la
.."'
:5
enzimáticamente catálisis enzimática reduce la energía
de activación únicamente para la
~
o tasi no hay moléculas reacción número l. Así permite que,
.,E que tengan la cantidad
de energía tan
con la energía disponible, se produzca
-o esta reacción de forma que el
.,e elevada necesaria para
seguir la reacción en compuesto X se transforma en el
E ¡¡,usencla de enzima
•::,
e compuesto Y. Entonces, el compuesto
1 Y se puede unir a otra enzima que lo
transforme en el compuesto Z. y así
(8) energfa por molécula - sucesivamente. (B) Distribución de
energías en una población de
moléculas idénticas. Para que se
acopladas a las reacciones de degradación, o catabólicas, que proporcionan la
produzca una reacción química
energía. La diferencia crucial entre una reacción acoplada y una reacción no determinada, la energía de la molécula
acoplada se ilustra mediante una analogía mecánica en la Figura 2-17, en la (en forma de movimientos de
que una reacción química energéticamente favorable se representa por las ro- traslación, vibración y rotación) ha de
cas que caen desde un acantilado. Normalmente la energía cinética de las rocas exceder la energía de activación; en la
que caen se desperdiciaría completamente en forma del calor generado cuan- mayoría de los casos esto nunca ocurre
do chocan contra el suelo (sección A). Pero mediante un cuidadoso dispositivo si no se produce una catálisis
parte de la energía cinética podría ser utilizada para accionar una rueda de pa- enzimática.
las que eleva un cubo de agua (sección B). Puesto que en la sección B las rocas
sólo pueden llegar al suelo accionando la rueda de palas, decirnos que la reac-
ción espontánea de la caída de las rocas ha sido acoplada directamente a la reac-
ción no espontánea de elevación del cubo de agua. Dado que ahora pat1e de la
energía se utiliza para reaJizar un trabajo, las rocas llegan al. suelo con una velo-
cidad menor que en la sección A y se pierde menos energía e n forma de calor.
En las células las enzimas desempeñan el papel de la rueda de palas de
nuestra analogía, y acoplan la combustión espontánea de los alimentos a reac-
ciones que generan el nucleósido trifosfato, ATP. De la misma forma que la
energía acumulada en el cubo de agua elevado de la Figura 2-17 se puede utilizar
poco a poco para impulsar diversas máquinas hidráulicas (sección C), el ATP ac-
túa como dador conveniente y versátil de energía, impulsando muchas reaccio-
nes químicas diferentes necesarias para la célula (Figura 2-18).

La hidrólisis del ATP genera orden en las células 13

¿De qué forma actúa el ATP como transportador de energía química? En las con-
diciones existentes en el citoplasma, la hidrólisis del ATP liberando fosfato inor-
gánico (P1), se produce gracias a la catálisis de una enzima, y libera una gran can-
tidad de energía utilizable. Un grupo químico que se haUe unido mediante un

Orden biológico y energía 67

 (A) (8) (C)

TRABAJO
ÚTIL

la energla cinética se transforma parte de la energía cinética se utiliza elevando la energía potencial almacenada en el
únicamente en energía calorlfica un cubo de agua, por lo que se libera menos cubo de agua elevado se puede utilizar
energfa en forma de calor para impulsar diversas máquinas
hidráulicas.

enlace reactivo de este tipo será transferido a otra molécula; por ello se p uede Figura 2-17 Esquema de un modelo
considerar que el fosfato terminal del ATP se halla en un estado activado. El enla- mecánico que ilustra el principio de
ce que se rompe en esta reacción de hidrólisis recibe, a veces, el nombre de en- acoplamiento de las reacciones
químicas. La reacción espontánea
lace de alta energía. Sin embargo, este enlace no tiene nada de especial. Sim-
mostrada en (Al puede servir como
plemente ocurre que en solución acuosa la hidrólisis del ATP genera dos mo-
analogía de la oxidación directa de la
léculas (ADP y P1) de energía mucho menor. glucosa a CO2 y Hp, que únicamente
Muchas de las reacciones químicas de la célula son energéticarnente desfa- produce calor. En (B), la misma
vorables. Estas reacciones son impulsadas por la energía liberada en la hidrólisis reacción está acoplada a una segunda
del ATP a través de enzimas que acoplan directamente la reacción determinada reacción; esta segunda reacción puede
desfavorable con la reacción favorable de la hidrólisis del ATP. Entre estas reac- servir como analogía de la síntesis de
ciones se encuentran las que intervienen en la síntesis de las moléculas biológi- ATP. La energía producida en una
cas, en el transporte activo de las moléculas a través de las membranas celulares forma más versátil, en (8) puede ser
y en la generación de fuerza y de movimiento. Estos procesos desempeñan un utilizada para impulsar otros procesos
papel vital en el establecimiento del orden biológico. Por ejemplo, las macromo- celulares, como se ve en (C). El ATP es
léculas formadas en las reacciones de biosíntesis transportan información, cata- la forma de energía más versátil de las
células.
lizan reacciones específicas y son ensambladas en estructuras altamente orde-
nadas. Unas bombas situadas en las membranas mantienen la composición
interna especial de las células y permiten que las señales pasen al interior de las

Figura2-18 LamoléculadeATP
energía asequ1ble sirve como transportador de energía
energla de
para trabl!ío en las células. Como se indica, la
catabolismo o celuh¡r y pant
de fotosíntesis
slntesis qu/rnica
formación de ATP desde ADP y fosfato
inorgánico, energéticamente
desfavorable, está acoplada a la
o- o- oxidación de moléculas alimenticias,
1 1
+ HO- P- O-P-0-CH energéticamente favorable (véase la
¿ ¿ 2 Figura 2-l7B). La hidrólisis de este ATP
hasta ADP y fosfato inorgánico
proporciona la energía necesaria para
impulsar muchas reacciones celulares
!ADP] importantes.

68 Capítulo 2 : Pequeñas moléculas, energía y biosíntesis

células y entre ellas. Finalmente, la producción de fuerza y de movimiento per-
mite que el contenido citoplasmático de la célula sea organizado y que las pro-
pias células se desplacen y se ensamblen formando tejidos.

Resumen
Las células vivas están altamente ordenadas y, por consiguiente, han de generar or-
den dentro de ellas mismas para sobrevivir y crecer. Desde el punto de vista termo-
dinámico esto s6lo es posible gracias a una entrada continua de energ{a, parte de la
cual las células ceden a su entorno en forma de calor. La energía procede en último
término de la radiaci6n electromagnética del sol, que impulsa la formaci6n de nw-
léculas orgánicas en los organismos fotosintetizadores como las plantas verdes. Los
animales obtienen su energía ingiriendo estas moléculas orgánicas y oxidándolas
en una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente y acopladas a la formaci6n
de ATP. En todas las células el ATP es un dador general de energía y su hidr6lisis,
energéticamente favorable, está acoplada a otras reacciones, impulsando diversos
procesos energéticamente desfavorables que generan el elevado grado de orden
esencial para la vida.

El alimento y la obtención de la energía celular14

Las moléculas alimenticias son degradadas en tres etapas,
para producir ATP
Las proteínas, los lípidos y los polisacáridos, que constituyen la mayor parte de
los alimentos que comemos, han de ser degradados a moléculas menores antes
de que nuestras células puedan utilizarlos. Se puede considerar que la degrada-
ción enzimática, o catabolismo, de estas moléculas ocurre en tres etapas (Figura
2-19). Haremos un breve esbozo de estas etapas antes de estudiar con mayor de-
talle dos de ellas.
La fase 1, llamada digestión, ocurre principalmente en el intestino. Las
grandes moléculas poliméricas se escinden en sus subunidades monoméricas
-las proteínas en aminoácidos, los polisacáridos en azúcares y las grasas en áci-
dos grasos y glicerol- mediante la acción de enzimas segregadas. La fase 2 ocu-
rre en el citoplasma después de que las pequeñas moléculas resultantes de la
fase 1 penetren en las células, donde sufren una degradación posterior. La ma-
yoría de los átomos de carbono e hidrógeno de los azúcares se transforman en
piruvato, que penetra luego en las mitocondrias, donde se transforma en los
grupos acetilo del componente químicamente reactivo acetil coenzima A (acetil
CoA) (Figura 2-20). También se producen grandes cantidades de acetil CoA me-
diante la oxidación de los ácidos grasos. En la fase 3, el grupo acetilo del acetil
CoA se degrada completamente hasta C02 y H20 en la mitocondria. En esta fase
final se genera la mayor parte del ATP. Mediante una serie de reacciones quími-
cas acopladas, alrededor de la mitad de la energía que teóricamente se puede
obtener de la combustión de los carbohidratos y de las grasas hasta H20 y C02 se
canaliza para impulsar la reacción energéticamente desfavorable P; + ADP ➔
ATP. Puesto que el resto de la energía de combustión se cede por la célula en for-
ma de calor, esta síntesis de ATP crea un desorden neto en el universo, de acuer-
do con la segunda ley de la termodinámica.
A través de la formación de ATP, la energía derivada originariamente de la
combustión de los carbohidratos y de las grasas se redistribuye en una forma de
energía química convenientemente empaquetada. Aproximadamente unas 109
moléculas de ATP se encuentran en solución por todo el espacio intracelular de
una célula típica, donde su hidrólisis a ADP y fosfato es energéticamente favora-
ble y proporciona la energía que impulsará un gran número de diferentes reac-
ciones acopladas que, en sí mismas, son energéticamente desfavorables por lo
que de lo contrario no se producirían.

El alimento y la obtención de la energía celular 69

 Figura 2-19 Diagrama simplificado
de las tres etapas del catabolismo que
conducen desde el alimento hasta los
ETAPA 1: productos residuales. Esta serie de
1raosform11ción de las
grandes moléculas reacciones produce ATP, que Juego es
en subunida.das utilizado para impulsar reacciones de
simples biosíntesis y otros procesos celulares
que requieren energía.
azúpares.s ímples, ácidos grasos
amihoáoidos y glicerol
éomo lá,glucósa

ETAPA2;
dagradiición de las
i;ubunidades simples
hasta aéEltil CoA,
acompañada de la plnsYato
producción d&una
cantidad limitada
deAÍP y de NADH

ecett1CoA

f ciclo d e l \
ácido --------•
c/trico )
\
......__
ETAPA 3:
oxidaci6n completa
lll
poder reductor en
del acetil CoA hasta
forma de NADH
H20 y COz,
acompaflade de la
producción de una
gra11 cimtidad da
ATPydaNAOH fosforilación
oxidativa

La glucolisis puede producir ATP incluso en ausencia de oxígeno

La parte más importante de la fase 2 del catabolismo es una secuencia de reac-
ciones conocida como glucolisis -la lisis (rotura) de la glucosa. La glucolisis pue-
de producir ATP en ausencia de oxígeno, y probablemente apareció pronto en la
histoda de la vida, antes de que las actividades de los organismos fotosintéticos
introdujeran oxígeno en la atmósfera. En la glucolisis una molécula de glucosa,
de seis átomos de carbono, se transforma en dos moléculas de piruvato, de tres
átomos de carbono cada una. Esta conversión se produce a través de una se-
cuencia de nueve etapas enzimáticas que generan intermediarios que contienen
fosfato (Figura 2-21). La célula hidroliza dos moléculas de ATP para impulsar las
pdmeras etapas, pero produce cuatro moléculas de ATP en las etapas finales, de
forma que se produce una ganancia neta de ATP.
Desde un punto de vista lógico, la secuencia de reacciones se puede dividir
en tres partes: (1) en las etapas 1 a 4, la glucosa se transforma en dos moléculas
de tres átomos de carbono cada una, el gliceraldehído 3-fosfato, transformación

70 Capítulo 2 : Pequeñas moléculas, energía y biosmtesis

 grupo acetilo coenzima A Figura 2-20 El acetil coenzima A
(acetll CoA). Este intermediario
metabólico crucial se genera cuando
los grupos acetilo producidos en la
fase 2 del catabolismo se unen
covalentemente al coenzimaA (CoA).

que requiere un aporte de energía en forma de hidrólisis de ATP para suminis-

trar dos fosfatos; (2) en las reacciones 5 y 6, el grupo aldehído del gliceraldehído
3-fosfato se oxida a ácido carboxfüco y la energía de esta reacción se acopla a la
smtesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico; y (3), en las reacciones 7, 8 y
9, las mismas moléculas de fosfato que fueron añadidas a los azúcares en la pri-
mera secuencia de reacciones son transferidas de nuevo al ADP formando ATP,
recuperándose así la inversión original de dos moléculas de ATP hidrolizadas en
la primera secuencia de reacciones (véase Figura 2-21).
Al final de la glucolisis, el balance energético (por molécula de glucosa) es
un beneficio neto de las dos moléculas de ATP que fueron producidas en las re-
acciones 5 y 6. Puesto que estas dos reacciones son las únicas reacciones de la
secuencia en las que se forma un enlace fosfato rico en energía a partir de fosfa-
to inorgánico, constituyen el corazón de la glucolisis. Por otra parte, estas reac-
ciones constituyen un excelente ejemplo de cómo las reacciones de la célula se
pueden acoplar para aprovechar la energía liberada en las oxidaciones (Figura
2-22). El resultado total es que un grupo aldehído de un azúcar se oxida a ácido
carboxílico, que un grupo fosfato inorgánico se transfiere a un enlace de alta
energía del ATP y que una molécula de NAD+ se reduce a NADH, una molécula
que desempeña un papel central en el metabolismo energético, como discutire-
mos más adelante. Este elegante conjunto de reacciones acopladas fue proba-
blemente una de las primeras etapas metabólicas que aparecieron en la célula
durante su evolución.
Para la mayoría de las células animales la glucolisis únicamente es un prelu-
dio de la fase 3 del catabolismo, ya que el ácido pirúvico que se forma penetra
rápidamente en las mitocondrias donde será oxidado completamente a CO2 y
Hp. Sin embargo, en el caso de los organismos anaeróbicos 0os que no utilizan
oxígeno molecular) y para algunos tejidos como el músculo esquelético que
pueden verse sometidos a condiciones anaeróbicas, la glucolisis por sí sola se
puede convertir en la fuente principal de ATP de la célula. Las reacciones pro-
ductoras de energía y anaeróbicas de este tipo, reciben el nombre de fermenta-
ciones. En estos casos las moléculas de piruvato no son degradadas en la mito-
condria sino que permanecen en el citosol y, según el organismo de que se trate,
pueden ser transformadas en etanol y CO2 (en las levaduras) o en lactato (en el
músculo), compuestos que luego son excretados. Estas reacciones posteriores
del piruvato utilizan el potencial reductor producido en la reacción 5 de la glu-
colisis, regenerando así el NAD~ que se requiere para que continúe la glucolisis,
como discutiremos en el Capítulo 14.

El alimento y la obtención de energía celular 71

 gtuposa Figura 2-21 Glucolisls. Cada una de
/
,
las reacciones mostradas aquí está
catalizada por una enzima diferente. En
la serie de reacciones designadas como
paso 4, un azúcar de seis carbonos es
transformado en dos azúcares de tres
carbonos, de modo que a partir de este
fn-1ct91¡,¡1 '6.fosfato- paso el número de moléculas es el
doble. Las reacciones 5 y 6 (en la zona
3 amarilla) son las responsables de la
síntesis neta de moléculas de ATP y de
NADH (véase Figura 2-22).
4

d\hÍdroxíacetona 1osfata

2x gl~ erá)deh/do
,, 3-fi:>sl!lto
2x @ - ----------.J
5 r------- 2ammJ
gliceralJ!ekído
2x 1,3--J;)Jsfosfogltc~rato 3-io.sfato

2x 3-fósfogllcerato
enzima
7
2x - 2-fosfogÍlcerafo

2x tosfoel'loJpiruv.ato

Figura 2-22 Reacciones 5 y 6 de la glucolisis. En estas reacciones la

oxidación de un aldehído a un ácido carboxílico está acoplada a la
formación de ATP y de NADH (véase también Figura 2-21). Como se indica
aquí, la reacción 5 empieza cuando la enzima gliceraldehfdo 3-fosfato
deshidrogenasa (véase Figura 3-42) forma un enlace covalente con el
carbono del grupo aldehído del gliceraldehído 3-fosfato. Después, el
hidrógeno (como ion hidruro - un protón con dos electrones) es eliminado
del grupo aldehído del gliceraldehído 3-fosfato y se transfiere al importante
transportador de hidrógeno NAD• (véase Figura 2-24). Este paso de REACCIÓN
oxidación genera un grupo carbonilo de un azúcar unido a la enzima 6
mediante un enlace de alta energía (mostrado en rojo). Entonces, un ion
fosfato (P1) de la solución rompe este enlace generando en su lugar un
enlace azúcar-fosfato de alta energía (enlace rojo). En estas dos últimas
reacciones la enzima ha acoplado el proceso energéticamente favorable de
oxidación de un aldehído con la formación energéticamente desfavorable
de un enlace fosfato de alta energía, permitiendo que la segnnda reacción
sea dirigida por la primera. Finalmente, en el paso 6 de la glucolisis el
grupo fosfato reactivo recientemente creado es transferido al ADP para
formar ATP, dejando un grupo carboxfiico Libre en el azúcar oxidado.

72 Capítulo 2 : Pequeñas moléculas, energía y biosíntesis

 Figura 2-23 Esquema simplificado de
la etapa 3 del catabolismo. El proceso
,-,-- - - - - ~ - - H 2 0 produce primariamente grandes
FOSFORILACIÓN
OXIDATIVA
cantidades de ATP a partir de ADP y de
,..__ _-"7"':----1rm fosfato inorgánico (P1). El ciclo del
ácido cítrico produce NADH, que
luego es utilizado para dirigir la
producción de ATP a través de la
fosforilación oxidativa. Así pues, el
NADH actúa como intermediario
El NADH es el intermediario central en el catabolismo oxidativo central en la oxidación de grupos
La generación anaeróbica de ATP a partir de glucosa y a través de las reacciones acetilo hasta CO2 y H 2O (también juega
de la glucolisis es relativamente ineficiente. Los productos finales de la glucolisis un papel similar, aunque en menor
cantidad, el FADH2) .
anaeróbica contienen aún una gran cantidad de energía química que puede ser
liberada mediante su oxidación posterior. La evolución del catabolismo oxidati-
vo (respiración celular) sólo resultó posible después de que el oxígeno molecular
se hubiera acumulado en la atmósfera terrestre, como resultado de la fotosínte-
sis realizada por las cianobacterias. Antes de ello, los procesos catabólicos anae-
róbicos habían dominado la vida sobre la Tierra. La adición al proceso catabóli-
co de una fase dependiente de oxígeno (fase 3 de la Figura 2-19) proporcionó a
las células un método mucho más potente y eficaz de extraer energía de las mo-
léculas alimenticias. Esta tercera fase empieza con el ciclo del ácido cítrico (de-
nominado también ciclo de los ácidos tricarboxílicos o también, ciclo de Krebs)
y termina con la fosforilación oxidativa, procesos que se producen tanto en las
bacterias aeróbicas como en las mitocondrias de las células eucariotas.
En la Figura 2-23 se presenta una versión simplificada de los dos procesos
centrales del catabolismo oxidativo. En primer lugar, en el ciclo del ácido cítrico
los grupos acetilo de las moléculas de acetil CoA son oxidados hasta C02 y
NADH. A continuación, en el proceso de fosforilación oxidativa el NADH genera- Figura 2-24 El NAD• y el NADH. Estas
do reacciona con el oxígeno molecular (02) produciendo ATP y Hp, a través de dos moléculas son los transportadores
una complicada serie de etapas que implican un transporte de electrones a tra- de electrones más importantes en las
vés de una membrana. reacciones catabólicas. Sus estructuras
se muestran en (A). NAD• es la abre-
viatura de nicotinamida adenina
(A)
dinucleótido, reflejando el hecho de
que la mitad derecha de la molécula,
tal como se indica en el dibujo, es el
monofosfato de adenosina (AMP). La
H ,/'O
ani11ode
rnic_otinam.lda 6-
N
C
"-NH
2
parte de la molécula del NAD• conocida
como el anillo de nicotina.mida (som-
breada en gris) es capaz de aceptar dos
electrones y un protón (en total un ion
hidruro, H-J, formando NADH. En esta
PO~ forma reducida, el anillo de nicotina-
mida tiene una estabilidad reducida
debido a que ya no está estabilizada
por resonancia. Como consecuencia
de ello, el ion hidruro incorporado
está activado en el sentido de que es
fácilmente transferido a otras
p o p o moléculas.
(B) Ejemplo de una reacción en la
que participan el NAD• y el NADH. En
la oxidación biológica de una molécula
de substrato, como un alcohol, el
substrato pierde dos átomos de
(B) '' '
hidrógeno. Uno de ellos se afi.ade
¡ como ion hidruro al NAD•,
1
H - C - O H + NAO• - C=O + NADH + H ' produciendo NADH, mientras que el
otro se libera a la solución como un
!
1
'' protón (H•J.

El alimento y la obtención de energía celular 73

 El NADH, intermediario central en estos procesos, también lo encontramos
como un producto de la glucolisis (véase Figura 2-22) . Es un imporante trans-
portador de poder reductor en las células. Como se ilustra en la Figura 2-24, está
formado por la adición de un núcleo de hidrógeno y dos electrones (un ion hi-
druro H-) a la adenina nicotinamida dinucleótido (NAD+). Debido a que esta adi-
ción tiene lugar de una forma tal que el ion hidruro queda asociado a través de
una unión rica en energía, el NADH actúa en la célula como una fuente adecua-
da de electrones fácilmente transferibles, de una forma semejante a como el ATP
actúa como una fuente adecuada de grupos fosfato fácilmente transferibles.

El metabolismo está dominado por el ciclo del ácido cítrico15

La función primaria del ciclo del ácido cítrico consiste en oxidar los grupos ace-
tilo que entran en el ciclo en forma de moléculas de acetil CoA. Las reacciones
forman un ciclo porque el grupo acetilo no se oxida directamente, sino después
de haberse unido covalentemente a una molécula mayor, el oxalacetato, que se
regenera al final de cada vuelta del ciclo. Tal como se ilustra en la Figura 2-25, el
ciclo empieza con la reacción que tiene lugar entre el acetil CoA y el oxalacetato,
formando una molécula de un ácido tricarboxilico denominada ácido cítrico (o
citrato). Luego se producen una serie de reacciones en las que dos de los seis
átomos de carbono del citrato se oxidan a C02' formando otra molécula de oxa-
lacetato, que inicia de nuevo el ciclo. (Puesto que los carbonos que entran en
cada ciclo se incorporan en lugares· del citrato diferentes a los que se oxidan a
COv no serán oxidados hasta después de varias vueltas del ciclo.) El C02 produ-
cido en estas reacciones sale de la rnitocondria (o de la bacteria) por difusión y
abandona de la célula.
La energía que se libera cuando se oxidan los enJaces C- H y C-C del citrato
puede ser capturada de varias maneras diferentes en el transcurso del ciclo del

p'iruvato 3C

;; acetíl CoA 2C

o)(alacetáfo 4C *
m:iDI + H• - - - -
INAD• i ___..,
Figura 2-25 El ciclo del ácido cítrico.
En las mitocondrias y en las bacterias
aeróbicas los grupos acetilo
producidos a partir del piruvato se
6C oxidan posteriormente. Los átomos de
carbono de los grupos acetilo se
4C
!NAO•! tr~sfonnan en C0 2, mientras que los
/l'-- m:iDI + H" átomos de hidrógeno se transfieren a
las moléculas transportadoras NAO• y
se FAD. Átomos adicionales de oxigeno e
hidrógeno entran en el ciclo en forma
de agua en los pasos ind icados con un
asterisco (*). El número de carbonos
de cada molécula se indica en el
4C
recuadro blanco. Para más detalles
succinil CoA
véase Figura 14-14.

74 Capítulo 2 : Pequeñas moléculas, energía y biosíntesis

ácido cítrico. En un paso del ciclo (de succinil CoA a succinato) se genera un en-
lace fosfato rico en energía mediante un mecanismo parecido al que se ha des-
crito antes para la glucolisis. El resto de la energía de oxidación que se captura
en el ciclo se canaliza hacia la conversión de moléculas transportadoras de hi-
drógeno - o iones hidruro- en sus formas reducidas; en cada vuelta del ciclo, tres
moléculas de NAD• se convierten en NADH y un flavfn adenín dinucleótido
(FAD) se convierte en FADH2 • La energía transportada por el hidrógeno activado
de estas moléculas transportadoras se utiliza en las reacciones de lafosforilación
o"xidativa (que será considerada con más detalle más adelante), las únicas reac-
ciones descritas aquí que requieren oxígeno molecular de la atmósfera.
Los átomos de oxígeno adicionales necesarios para producir C02 a partir de
los grupos acetilo que entran en el ciclo del ácido cítrico no son suministrados
por el oxígeno molecular, sino por el agua. En cada vuelta del ciclo, tres molécu-
las de agua se rompen y sus átomos de oxígeno se utilizan produciendo C02• Al-
gunos de sus átomos de hidrógeno entran a formar parte de moléculas del sus-
trato y, como los átomos de hidrógeno de los grupos acetilo, finalmente serán
transferidos a moléculas transportadoras como el NADH.
En la célula eucariota, las mitocondrias son el centro donde confluyen todos
los procesos catabólicos, tanto si empiezan desde azúcares, desde grasas o des-
de proteínas. En efecto, además del piruvato, los ácidos grasos y algunos amino-
ácidos también pasan desde el citosol a las mitocondrias, y allí son transforma-
dos a acetil CoA o a alguno de los otros intermediarios del ciclo del ácido cítrico.
La mitocondria también actúa como punto de partida de reacciones de biosfnte-
sis, al producir unos compuestos de carbono vitales, tales como el oxalacetato y
el a -cetoglutarato. Estas sustancias pueden ser transferidas de nuevo desde la
mitocondria al citosol donde actúan como precursoras para la síntesis de molé-
culas esenciales, como por ejemplo algunos aminoácidos.

En la fosforilación oxidativa, la transferencia de electrones

al oxígeno impulsa la formación de ATP1º• 16
La fosforilación oxidativa es el último paso del catabolismo y el proceso en que
se libera la mayor parte de la energía metabólica. En este proceso, las moléculas
de NADH y de FADH2 transfieren al oxígeno molecular (02) los electrones que
han obtenido de la oxidación de las moléculas alimenticias. La reacción, que for-
malmente es equivalente a la combustión del hidrógeno en el aire formando
agua, libera una gran cantidad de energía química. Parte de esta energía se utili-
za para producir la mayor parte del ATP de la célula; el resto se libera en forma
de calor.
Aunque el proceso químico general de la oxidación del NADH y del FADH2
implica una transferencia de hidrógeno hasta el oxígeno, cada átomo de hidró-
geno se transfiere como un electrón y un protón (el núcleo de hidrógeno, H•).
Esto es posible debido a que el átomo de hidrógeno puede ser fácilmente diso-
ciado en el electrón y el protón (H+) que lo constituyen. Entonces, el electrón
puede ser transferido por separado a una molécula que únicamente acepta elec-
trones, mientras que el protón permanece en la solución acuosa. Por el mismo
razonamiento, si se transfiere un electrón a una molécula que tenga una fuerte
afinidad por el hidrógeno, automáticamente se reconstituirá wi átomo de hidró-
geno tomando un protón de la solución. En el transcurso de la fosforilación oxi-
dativa los electrones del NADH y del FADH2 descienden a lo largo de una cadena
de moléculas transportadoras, conocida como cadena de transporte electróni-
co. La presencia o ausencia de átomos de hidrógeno intactos depende de la na-
turaleza del transportador.
En una célula eucariota, esta serie de transferencias electrónicas a lo largo
de la cadena de transporte electrónico ocurre en la membrana mitocondrial in-
terna, en la que se hallan todas las moléculas transportadoras. En cada paso de
la transferencia, los electrones caen a un nivel energético más bajo, basta que al
final son transferidos a las moléculas de oxígeno. Cada molécula de oxígeno (02)

El alimento y la obtención de energía celular 75

toma cuatro electrones de la cadena de transporte de electrones y cuatro proto-
nes de la solución acuosa formando dos moléculas de agua. Las moléculas de
oxígeno tienen una gran afinidad por los electrones, por lo que los electrones
unidos al oxígeno se encuentran en su estado energético más bajo.
La cadena de transporte de electrones es importante para la célula porque la
energía que se libera cuando estos electrones caen a estados energéticos más
bajos se aprovecha de una manera remarcable. Como describimos en el Capítu-
lo 14, transferencias particulares de electrones hacen que se bombeen protones
a través de la membrana, desde el compartimiento mitocondrial interno hacia el
exterior (Figura 2-26). Así, se genera un gradiente electroquímico de protones a
través de la membrana mitocondrial interna. A su vez, este gradiente impulsa un
flujo de protones a través de un complejo enzimático especial de la misma
membrana mitocondrial haciendo que la enzima (ATP sintasa) añada un grupo
fosfato al ADP, generando por consiguiente ATP dentro de la mitocondria. Final-
mente, el ATP recién sintetizado se transfiere desde la mitocondria al resto de la
célula.

Los aminoácidos y los nucleótidos forman parte

del ciclo del nitrógeno
Hasta aquí hemos centrado nuestra discusión fundamentalmente en el metabo-
lismo de los carbohidratos. No hemos hablado aún del metabolismo del nitróge-
no o del azufre. Estos dos elementos son constituyentes de las proteínas y de los
ácidos nucleicos, los cuales son las dos clases de macromoléculas más impor-
tantes en la célula y constituyen aproximadamente las dos terceras partes de su
peso seco. Los átomos de nitrógeno y de azufre pasan desde un compuesto has- Figura 2-26 Generación de un
ta otro y entre los organismos y su ambiente a través de una serie de ciclos rever- gradiente de H• a través de una
sibles. membrana, mediante reacciones de
Aunque el nitrógeno molecular es abundante en la atmósfera terrestre, en transporte electrónico. Un electrón
forma de gas es no reactivo químicamente. Únicamente algunas especies vivien- de alta energía (por ejemplo, derivado
tes son capaces de incorporarlo a moléculas orgánicas, proceso denominado fi- de la oxidación de un metabolito)
jación del nitrógeno. La fijación del nitrógeno ocurre en ciertos microorganis- recorre secuencialmente los
mos y en algunos procesos geofísicos, como por ejemplo en la descarga de un transportadores A, By C hasta un
rayo. Es esencial para toda la biosfera, pues sin esta fijación no existiría la vida estado energético inferior. En este
en este planeta. Pero únicamente una pequeña parte de los compuestos nitroge- esquema el transportador B está
dispuesto en la membrana de tal
nados de los organismos actuales representa productos frescos de fijación del
manera que mientras pasa el electrón
nitrógeno atmosférico. La mayor parte del nitrógeno orgánico ha estado en cir-
toma el H• de un lado de la membrana
culación durante mucho tiempo, pasando de un organismo vivo a otro. Por con- y lo libera al otro lado. El gradiente
siguiente, se puede decir que las reacciones de fijación del nitrógeno realizan la resultante de H• corresponde a una
función de mantener llena al máximo la reserva total de nitrógeno. forma de energía almacenada,
Los vertebrados reciben prácticamente todo su nitrógeno a través de la in- utilizada por otras proteínas de
gesta de proteínas y de ácidos nucleicos. En el cuerpo estas macromoléculas se membrana de la mitocondria para
descomponen en sus componentes, aminoácidos y nucleótidos, los cuales luego favorecer la formación de ATP, como
son repolimerizados generando nuevas proteínas y ácidos nucleicos o son utili- se discute en el Capítulo 14.
zados para sintetizar otras moléculas. Aproximadamente la mitad de los 20 ami-
noácidos existentes en las proteínas son aminoácidos esenciales (Figura 2-27)
para los vertebrados: no pueden ser sintetizados a partir de otros ingredientes de
la dieta. Los otros aminoácidos sí que pueden ser sintetizados, utilizando una
enorme diversidad de materiales, incluyendo intermediarios del ciclo del ácido
cítrico. Los aminoácidos esenciales son producidos en otros organismos, gene-
ralmente a través de rutas largas y energéticamente costosas que en el transcur-
so de la evolución de los vertebrados se han ido perdiendo.
Los nucleótidos necesarios para producir RNA y DNA pueden ser sintetiza-
dos utilizando vías biosintéticas especializadas: no existen "nucleótidos esencia-
les"' que deban ser proporcionados por la dieta. Todos los nitrógenos de las ba-
ses púricas i pirirnidfnicas (y también algunos de los carbonos) derivan de los
abundantes aminoácidos glutamina, ácido aspártico y glicina, mientras que
los azúcares ribosa y desoxirribosa derivan de la glucosa.

76 Capítulo 2 : Pequeñas moléculas, energía y biosíntesis

 Los aminoácidos que no son utilizados en procesos de biosíntesis pueden LOS AMINOÁCIDOS ESENCfALES
ser oxidados generando energía metabólica. Muchos de sus átomos de carbono
y de hidrógeno formarán C02 o HP mientras que sus átomos de hidrógeno se- TREONINA
1
rán transportados a través de varias formas y aparecerán como urea, que es ex- METIONINA

-
cretada. Cada aminoácido es procesado de forma diferente y existe una conste- 4ffL
LISINA
lación entera de reacciones enzimáticas para su catabolismo.
VALINA

LEUCINA
Resumen
ISOLEUCINA
Las células animales obtienen la energ(a a partir del alimento, siguiendo tres fases. R
En la fase 1 las protefnas, los polisacáridos y las grasas son transformados a molé- HISTIDINA
.,
culas pequeñas mediante reacciones extracelulares. En la fase 2, estas moléculas FENILALANINA
pequeñas son degradadas dentro de las células, produciendo acetil CoA y una pe- 9 -
TRIPTÓFANO
queña cantidad de ATP y de NADH. Éstas son las únicas reacciones que pueden pro- •
porcionar energ(a en ausencia de oxigeno. En la fase 3, las moléculas de acetil CoA
son degradadas en las mitocondrias, produciendo C02 y átomos de hidrógeno que
Figura 2-27 Los nueve aminoácidos
se unen a nwléculas transportadoras, como por ejemplo el NADH. Los electrones de
esenciales. Estos aminoácidos no
los átomos de hidrógeno pasan a través de una compleja cadena de transportado- pueden ser sintetizados por las células
res, que conduce finalmente a la reducción del oxígeno molecular formando agua. humanas y por lo tanto deben ser
Impulsados por la energ(a liberada en estos pasos de transferencia de electrones, suministrados en la dieta.
los protones (H•J son transportados al exterior de la mitocondria. El gradiente elec-
troquímico de protones resultante a través de la membrana mitocondrial interna
se utiliza para impulsar la s{ntesis de la mayor parte del ATP celular.

La biosíntesis y la creación de orden17

En un momento cualquiera en una célula se producen miles de reacciones quúni-
cas diferentes. Las reacciones están asociadas formando cadenas y redes, en las
que el producto de una reacción se convierte en el substrato de la reacción siguien-
te. La mayoría de las reacciones químicas celulares pueden clasificarse de manera
aproximada, según pertenezcan al catabolismo o a la biosíntesis (anabolismo). Ya
hemos discutido las reacciones catabólicas, por lo que ahora vamos a estudiar las
reacciones de biosíntesis. Estos procesos empiezan en los compuestos intermedfa-
rios de la glucolisis y del ciclo del ácido cítrico (y en otros compuestos relacionados
con éstos) y generan las mayores y más complejas moléculas de la célula.

El cambio de energía libre de una reacción determina

si ésta puede producirse o no18
A pesar de que las enzimas aceleran las reacciones energéticamente favorables,
no pueden forzar que las reacciones energéticamente desfavorables tengan lu-
gar. En una analogía con el agua, las enzimas por sí solas no pueden hacer que el
agua fluya cuesta arriba. Sin embargo las células han de hacerlo para poder cre-
cer y dividirse; han de formar moléculas altamente ordenadas y ricas en energía
a partir de moléculas pequeñas y sencillas. Hemos visto que, de una manera ge-
neral, esto se realiza mediante enzimas q ue acoplan reacciones energéticamente
favorables que consumen energía (derivada fundamentalmente del sol) y que
producen cal.or, a reacciones energéticamente desfavorables que producen or-
den. Vamos a examinar en detalle cómo se realiza este acoplamiento.
En primer lugar debemos considerar más cuidadosamente el término "ener-
géticamente favorable", que hemos estado utilizando con bastante ligereza sin
definirlo. Como se explica al principio, para que una reacción química tenga lu-
gar espontáneamente únicamente ha de producir un incremento neto de desor-
den en el universo. El desorden se incrementa cuando la energía útil (enegía que
puede ser derivada para producir trabajo) se disipa en forma de calor; el criterio
de incremento de desorden puede expresarse de forma cuantitativa con la ener-
gía libre, G. Ésta se define de manera que los cambios de su valor, indicados por

La biosíntesis y la creación de orden 77

áG, miden la cantidad de desorden creado en el universo cuando tienen lugar
una reacción. Las reacciones energéticamente favorables son, por definición,
aquellas que liberan una gran cantidad de energía libre, o en otras palabras, las
que tienen un valor negativo de AG elevado y por tanto crean mucho desorden.
Un ejemplo familiar a escala macroscópica puede ser la "reacción" por la que un
muelle comprimido se relaja hasta su estado expandido, liberando al medio
en forma de calor la energía elástica que almacenaba. Las reacciones energética-
mente favorables, con un tlG < O, presentan una elevada tendencia a ocurrir es-
pontáneamente, aunque su velocidad dependerá de otros factores, tales como la
existencia de enzimas específicas (véase más adelante). En cambio, las reacciones
energéticamente desfavorables, con un valor positivo de AG, como aquellas en las
que dos aminoácidos se unen entre sí formando un enlace peptfdico, generan or-
den en el universo y por lo tanto no se pueden producir espontáneamente. Reac-
ciones energética.mente desfavorables como éstas sólo se producirán si están
acopladas a una segunda reacción que tenga un valor de t:.G suficientemente ne-
gativo como para que el tlG del proceso completo también resulte negativo.
El curso de la mayoría de las reacciones puede predecirse cuantitativamen-
te. Se han recogido una gran cantidad de datos termodinámicos que hacen posi-
ble calcular los cambios de energía libre para la mayoría de las reacciones más
importantes de la célula. Entonces, el cambio global de energía libre para una
vía es la simple suma de los cambios de energía libre de cada una de las reaccio-
nes que la componen. Consideremos por ejemplo dos reacciones:
X ➔ YyC ➔ D

con valores de liG de +1 y - 13 kca.1/ mol respectivamente. (Hay que recordar que
un mol son 6 x 1023 moléculas de la substancia.) Si estas dos reacciones pueden
ser acopladas, el tlG de la reacción acoplada será de - 12 kcal/ mol. Así, la reac-
ción desfavorable X ➔ Y, que no ocurrirá espontáneamente, puede ser impulsa-
da por la reacción favorable C ➔ D, siempre que exista un mecanismo mediante
el cual las dos reacciones puedan ser acopladas.

A menudo las reacciones de biosíntesis están acopladas

directamente a la hidrólisis del ATP
Consideremos una reacción típica de biosíntesis en la que dos monómeros, A y
B, han de unirse a través de una reacción de deshidratación (denominada tam-
bién de condensación) en la que se libera agua:
A-H + B-OH ➔ A-B + Hp
De forma casi invariable, la reacción inversa (denominada hldrólisis), en la que
el agua rompe el compuesto formado por el enlace cava.lente A-B, será la reac-
ción energética.mente favorable. Por ejemplo, éste es el caso de la hidrólisis a sus
subunidades de las proteínas, los ácidos nucleicos y los polisacáridos.
La estrategia general que permite a la célula producir A-B a partir de A-H y 8-
0H, implica una secuencia de reacciones a través de las cuales la síntesis energéti-
ca.mente desfavorable del compuesto deseado se acopla a una reacción energética-
mente más favorable (véase Figura 2-17). Como se explica en la Figura 2-28 la
hidrólisis del ATP tiene un !iG muy negativo y es la fuente habitual de energía libre
que se utiliza para impulsar las reacciones biosintéticas de la célula. En la vía aco-
plada desde A-H y B-OH basta A-B, la energía de hidrólisis del ATP transforma pri-
mero B-OH en un compuesto intermedio de mayor energía, que luego reacciona
directamente con A-H dando A-B. El mecanismo más simple consiste en la transfe-
rencia de un fosfato desde el ATP hastaB-OH formando B-OP03 (o sea, B-0-®), en
cuyo caso la vía de reacciones únicamente estará formada por dos pasos:
l. B-OH +ATP ➔ B-0 -®+ ADP

2. A-H + B-0-® ➔ A-B + P1

78 Capítulo 2 : Pequeñas moléculas, energía y biosíntesis

 adenosi na trifosfato Figura 2-28 Hidrólisis delATP. La

?- T
-o-p-o-P-o- -o-CH2
11 11 1
r- hidrólisis del fosfato terminal de!ATP
lib-era, dependiendo de las condiciones
intracelulares, entre 11 y 13 kcal/mol
o o o de energía utilizable. Esta reacción
tiene un AG muy negativo debido a
varios factores. La liberación del grupo
fosfato terminal elimina una repulsión
desfavorable entre cargas negativas
adyacentes. Además, el ion fosfato
inorgánico (P;) liberado está
estabilizado por resonancia y por la
fosfato formación favorable de un enJace de
hidrógeno con el agua.

ADP

adenosina difosfato

Puesto que el intermediario B-0-® se forma sólo transitoriamente, las reaccio-

nes globales que se producen son:
A-H+B-OH ➔ A-B y ATP ➔ ADP+P 1

La primera reacción, de por sí energéticamente desfavorable, es impulsada a

producirse acoplándola düectamente a la segunda reacción energéticamente fa-
~ m~ iario de arta energí:H
vorable (la hjdrólisis del ATP). Un ejemplo de reacción biosinrética acoplada de
este tipo es la síntesis del arrunoácido glutamina, mostrada en la Figura 2-29.
El élG de la hidrólisis del ATP a ADP y fosfato inorgánico (P1) depende de las
mili'-( amoníaco
3

concentraciones de los tres reactantes, y en las condiciones habituales de una

O OH
célula es entre -ll y-13 kcal/ mol. En principio, esta reacción de hidrólisis pue- ~ / (n\
de utilizarse para impulsar una reacción desfavorable con un élG de, quizás, e '-.!'.Y
1
+10 kcal/mol, siempre que exista una vía de reacciones adecuada. Para algunas CH2
reacciones de biosíntesis, sin embargo, -13 kcal/mol puede ser insuficiente. En 1

CH2
estos casos, la reacción de hidrólisis del ATP puede ser alterada de manera que 1
inicialmente produzca AMP y pirofosfato (PP¡). El pirofosfato será hidrolizado en H2 N-CH-COOH
segundo paso (Figura 2-30). En su conjunto el proceso produce un cambio de ácido glutámico
energía libre total disponible de aproximadamente-26 kcal/mol.
¿Cómo se acopla la energía de hidrólisis del pirofosfato a una reacción bio-
sintética? Se puede ilustrar una de las vías considerando de nuevo la síntesis del
glutamina
compuesto A-B a partir de A-H y B-OH. Mediante una enzima apropiada, B-OH
puede ser convertido a través de su reacción con el ATP en un intermediario de Figura 2-29 Ejemplo de reacción
alta energía B-0-®-®· La reacción completa consta al1ora de tres pasos: bioslntétlca de deshidratación
Impulsada por la hidrólisis del ATP.
l. B-OH + ATP ➔ B-0-®-® + AMP En primer lugar, el ácido glutámico es
2. A-H + B-0-®-® ➔ A-B + PP1 transformado en un intermediario
fosforilado de alta energía (que
3. PP1+ H 20 ➔ 2P; corresponde al compuesto B-0-®
descrito en el texto), el cual reacciona
Y las reacciones globales son
con el amonio formando glutamina.
A-H+B-OH ➔ A-B y ATP+HzÜ ➔ AMP+2P 1 En este ejemplo, ambos pasos tienen
lugar en la superficie de la misma
Dado que una enzima acelera por igual las direcciones hacia adelante y hacia enzima, la glutamina sintasa.
atrás de la reacción que cataliza, el compuesto A-B puede ser destruido por re- Obsérvese que, para mayor claridad,
combinación con pirofosfato (el inverso del paso 2). Pero la reacción energética- estas moléculas se muestran en sus
mente favorable de la hidrólisis del pirofosfato (paso 3) estabiliza el compuesto formas no cargadas.

La biosíntesis y la creación de orden 79

 o o- Figura 2-32 Transferencia de un
~ / grupo carboxilo mediante la
biotina e
coenzima biotina. La biotina
carboxilada
~ (mostrada en verde) actúa como
)=o molécula transportadora del grupo
N carboxilo (en rojo). En la secuencia de
H
CH3 reacciones mostradas aquí, la biotina
1 está unida covalentemente a la enzima
C=O piruvato carboxilasa. Un grupo
1
+ e carboxilo activado, derivado de un ion
o# " o- bicarbonato (HCO3) se acopla a la
piruvato
biotina a través de una reacción que
requiere un aporte de energía
procedente de la hidrólisis de una
o o molécula de ATP. A continuación este
~ / grupo carboxilo se transfiere al grupo
e
1
metilo del piruvato formando
CH 2 oxalacetato.
1
C=O
1
e
o# " o-
oxalacetato
piruvato carboxilasa

zimas actuales, como el ATP, el acetil CoA y el NADH. De acuerdo con este pun-
to de vista, estas moléculas debieron evolucionar con un nucleótido unido cova-
lentemente debido a la utilidad que suponía este nucleótido para la unión de la
coenzima en un mundo de RNA. 7-OEHIOROCOLESTEROL

La biosíntesis necesita poder reductor

Hemos visto como en las células se producen continuamente reacciones de oxi-
dación y de reducción. La energía química de las moléculas alimenticias se libe-
ra mediante reacciones de oxidación, mientras que para producir moléculas
biológicas la célula necesita -entre otras cosas- llevar a cabo una serie de reac-
HO
ciones de reducción que requieren un aporte de energía química. Aplicando el
principio de las reacciones acopladas que hemos descrito en páginas anteriores,
las células canalizan directamente la energía química derivada del catabolismo
hacia la síntesis del NADH (por ejemplo, véase Figura 2-22). El enlace de alta
energía que se forma entre el hidrógeno y el anillo de nicotinamida, dando lugar
al NADH proporciona energía para reacciones enzimáticas desfavorables, trans-
firiendo el hidrógeno (como ion hidruro) a otra molécula. Por ello se dice que el
NADH, y también el NADPH (estrechamente relacionado con él y en el que se
puede convertir con facilidad) son transportadores de "poder reductor". Ambos
se utilizan como coenzimas en numerosos tipos de reacciones de reducción.
Para saber cómo ocurre la transferencia de hidrógeno en la práctica, consi-
deremos un solo paso de biosfntesis: la última reacción de la vía de síntesis de la
molécula lipídica colesterol. En esta reacción, dos átomos de hidrógeno se afia- HO
den al anillo esteroide policíclico, reduciendo un doble enlace carbono-carbono. COLESTEROL
Como en la mayoría de reacciones de biosíntesis, los constituyentes de los dos
átomos de hidrógeno que son necesarios en esta reacción son suministrados en Figura 2-33 Fase final de una de las
forma de ion hidruro del NADPH más un protón (H•) de la solución (H- + H+ = rutas de blosíntesis que conducen a la
2H) (Figura 2-33). Como en el NADH, el ion hidruro del NADPH que debe ser formación del colesterol. La
reducción del enlace C:::C se consigue
transferido forma parte de un anillo de nicotinarnida y se separa fácilmente
mediante la transferencia de un ion
debido a que el anillo puede adoptar un estado aromático más estable si pierde hidJ:uro procedente de la molécula
el ion hidruro (véase Figura 2-24). Por consiguiente, tanto el NADH como el transportadora NADPH, más un
NADPH mantienen este ion hidnuo a través de un enlace de alta energía y, a protón (H+) de la solución.

82 Capítulo 2 : Pequefias moléculas, energía y biosíntesis

 Figura 2-34 La estructura del NADPH. Se diferencia de la del NADH
(véase Figura 2-24) únicamente por la presencia de un grupo fosfato
adicional, el cual permite que el NADPH sea reconocido selectivamente
anillo de
nrcotJnamida
X-c~O
l._) "-NH
por enzimas implicadas en la biosíntesis. N 2

PO~

partir de él, pueden transferirlo a otra molécuJa siempre que exista la enzima
adecuada para catalizar la transferencia.
La diferencia entre el NADH y el NADPH es trivial desde el punto de vista
químico: el NADPH tiene un grupo fosfato más, en una zona de la molécula ale-
jada de la región activa (Figura 2-34). Este grupo fosfato extra carece de impor-
tancia para la reacción de transferencia del ion hidrw-o, pero sirve de asa para p o
unir el NADPH como coenzima. Por regla general, el NADH se une a enzimas
que catalizan reacciones catabólicas, mientras que el NADPH actúa con enzimas que o
catalizan reacciones de biosíntesis. Al tener las dos coenzimas que actúan en pro-
cesos diferentes, La céluJa puede mantener la relación NADPH:NADP• alta para ®
aportar el poder reductor necesario para los procesos de biosfntesis mientras
que, simuJtáneamente, puede mantener la relación NADH:NAD+ baja para tener
NAD• disponible para aceptar electrones durante el catabolismo.

POLISACÁÁÍDOS
'
glucosa glucógeno .''' i
'
'
2
CH 0H ~C
20HH ~
2
0H o o
o o

~
1

~
I,

OH OH
HO ~ O O········
OH OH OH

energía de la hidrólisis O OH o OH
del nucleósido trifosfato 1 1
O=P-o- o = r - o-
1 1
ANA 0 o

glucógeno
~ Q \•1 OH
energía de la hidrólisls
w
.O= P-O-
O
1
OH

del nucleósido trifosfato

1
PROIEÍN,Áf¡_
lOl o

~
1
proteína aminoácido O=P-o-

tHA'f
1
o
N- C - C
7 ~º nucleótido

~
H/ 1
R " OH OH OH
ANA

H20 1
] energía de la hidrólisis
del nucleósido trifosfato OH OH

Figura 2-35 Síntesis de macromoléculas. Esbozo de las reacciones de polimerización

H Ó . RO H o
mediante Las cuales se sintetizan tres clases de polímeros biológicos, mostrando que en
1 11 1 11 1 ~ cada caso la síntesis implica la pérdida de agua (deshidratación). En la figura no se
- ----.C - C.,-N-C- 'C - N- C - C
1 J 1 1 1 "-oH muestra el consumo de nucleósidos trifosfato altamente energéticos, necesaria para
R H H H R activar cada monómero antes de su adición. Por el contrario, la reaccion inversa- la
proteína degradación de los tres tipos de polímeros-se produce mediante la simple adición de
agua (hidrólisis).

La biosfntesis y la creación de orden 83

 POLIMERIZACIÓN POR LA CABEZA (p. ej., PROTEINAS, ÁCIDOS GRASOS) POLIMERIZACIÓN POR LA COLA (p. ej., DNA, RNA, POLISACÁRIDOS)

- -"v© + ■"v0 0"\.■■■■■■ + 0 ~

/ I
~;p:op~
cada monómero transporta un enlace cada monómero transporta
rico en energía que será utiliwdo para un enlace rico en energía
© la adición del monómero siguiente 0

--'Vi> + ■\©
Los polímeros biológicos se sintetizan mediante la repetición Figura 2-36 Intermediarios activados
de reacciones elementales de deshidratación en reacciones de polimerización. Se
compara el crecimiento de polímeros
Las principales macromoléculas sintetizadas por las células son los polinucleóti- por la cabeza y por la cola.
dos (DNA y RNA), los polisacáridos y las proteínas. Son extraordinariamente di-
versos en cuanto a estructura, e incluyen las moléculas más complejas conoci-
das. A pesar de ello, se sintetizan a partir de un número relativamente reducido
de pequeñas moléculas (denominadas monómeros o subunidades), a través de
una restringida gama de reacciones químicas.
En la Figura 2-35 se muestra un esbozo sobresimplificado del mecanismo de
adición de monómeros a las proteínas, a los polinucleótidos y a los polisacári-
dos. A pesar de que en las reacciones de síntesis de cada polímero participan di-
ferentes tipos de enlaces covalentes, diferentes enzimas y diferentes coenzimas,
existen similitudes básicas entre eUas. Como se indica por el sombreado en rojo,
en cada caso la adición de subunidades se produce por una reacción de deshi-
dratación que supone la eliminación de una molécula de agua de las dos molé-
culas que reaccionan.
Como en el caso general que hemos estudiado en la página 79, la formación
de estos polúneros requiere el aporte de energía química, la cual se consigue
mediante la estrategia estándar de acoplar la reacción de biosíntesis a la hidróli-
sis energéticamente favorable de un nucleósido trifosfato. En los tres tipos de
macromoléculas se degrada por lo menos un nucleósido trifosfato generando pi-
rofosfato, que se hidroliza inmediatamente aumentando la fuerza impulsora de
la reacción. En la Figura 2-31 ilustramos el mecanismo utilizado para la síntesis
de polinucleótidos.
Los intermediarios activos de las reacciones de polimerización pueden origi-
narse de dos maneras distintas, produciéndose la polimerización por la cabeza o
por la cola de Los monómeros. En la polimerización por la cabeza, el enlace activo
está presente en el extremo del polímero en crecimiento, y por lo tanto debe ser
regenerado cada vez que se añade un monómero. En este caso, cada monómero Figura 2-37 (página opuesta) Algunas
contiene el grupo activo que será utilizado para reaccionar con el siguiente mo- de las reacciones químicas que se
nómero de la serie (Figura 2-36). En la polimerización por la cola, el enlace activo producen en la célula. (A) El esquema
transportado por cada monómero se utiliza para la adición del propio monóme- muestra unas 500 reacciones
ro. Para la síntesis de macromoléculas biológicas se utilizan ambos tipos de poli- metabólicas comunes, representando
merización. La síntesis de polinucleótidos y de algunos polisacáridos simples, por cada especie química con un círculo.
ejemplo, se produce mediante la polimerización por la cola, mientras que la sín- En rojo se presentan las reacciones
tesis de las proteínas ocurre por el sistema de polimerización por la cabeza. centrales de la glucolisis y del ciclo del
ácido cítrico. Una célula de mamífero
típica sintetiza más de 10 000
Resumen proteínas diferentes, la mayor parte de
las cuales son enzimas. En el segmento
Normalmerite la hidrólisis del ATP se acopla a reacciones e1iergéticamente desfavorar escogido de forma arbitraria en este
bles, como la biosíntesis de macromoléculas, mediante la transferencia de grupos fosfato laberinto metabólico (sombreado en
formando intennediarios fosforilados reactivos. Como ahora la reacción energética- amarillo), se sintetiza colesterol a
rnent.e desfavorable se ha vuelto energética1nent.efavorable, se dice que elATP impulsa la partir del acetil CoA. A la derecha y por
reacción. Las moléculas poliméricas como las proteínas, los ácidos nucleicos y los polisa- debajo del laberinto, este segmento
cáridos, se ensamblari a J1tlrtir de pequeñas moléculas precursoras activad.m mediant.e escogido se muestra con mayor
reacciones repetidas de deshidratación impulsadas de esta forma. Otras moléculas reac- detalle (B).

84 Capítulo 2: Pequeflas moléculas, energía y biosfntesis

 tres moléculas de acetil CoA

2 CoASH - 1

CH 2coo-0
1 ,9
CH3- <¡:-CH2C.,
OH SCoA
hidroxirnetilglutar.il CoA

2 CoASH --- r----

_ _ _ J - 2 NADPH
2 NADP+
<¡:H2coo-
c H3-<¡:-c H2-cH20H
OH

isopent~nil pi(ofosfató

ISOMERIZ A ~
~
<¡:H3
CH3-C=CHCHzO-®-®
dlmetilálil pírofosfato

<¡:H3 <¡:H3
CH3 -C=CHCH 2CH2 - C=CHCH 2ü -®-®

{¡éranil pirofosfato
isopentenil
(A) pirofosfato

PP;

<¡:H3 yH3 <¡:H3

CH3 - C=CHCH2CH 2 -C=CHCH2 CH2-C=CHCH2 ü -®-®

farnesil piroíosfato

2 pp
' -t=
DOS MOLÉCULAS CONDENSADAS
NADPH
NADP+

HO HO
NADP+ NADPH
+ H+
colestérof 7-deh.ídr9colesterol lanosterol escuafeno

85
tiuas, detwminadas coenzimf-lS, transfieren otros grupos qu{micos en el transcurso de la
bioslntesi.s: el NADPH por ejemplo, tra,isfiere lzldrógeno en forma de un protón y dos
electrones (ion húlruro), múmtras que el acetil CoA tra,isfiere grupos acetilo.

Coordinación entre catabolismo y biosíntesis 19

El metabolismo está organizado y regulado
La Figura 2-37 nos da una idea de lo complicada que resulta una célula cuando
se considera como una máquina química; la figura es un esquema que tan sólo
muestra algunas de las etapas enzimáticas de una célula. Todas estas reacciones
tienen lugar en una célula que tiene menos de 0,1 mm de diámetro, y cada una
de ellas requiere la participación de una enzima, la cual, a su vez, es el producto
de una serie de reacciones de transferencia de información y de síntesis protei-
ca. Para una molécula pequeña típica - por ejemplo, el aminoácido serina- po-
demos encontrar más de media docena de enzimas que pueden modificarlo de
diferentes maneras: uniéndolo al AMP (adenilarlo) preparándolo para la síntesis
de proteínas, degradarlo a glicina, transformarlo en piruvato preparándolo para
su oxidación, acetilarlo mediante acetil CoA o transferirlo a un ácido graso pro-
duciendo fosfatidilserina. Todas estas diferentes vías compiten por la misma
molécula de serina. Al mismo tiempo se está produciendo una lucha similar a
ésta, para miles de pequeñas moléculas. Se podría pensar que todo el sistema
debe estar equilibrado tan finamente que cualquier trastorno menor, tal como
un cambio temporal de la dieta, podría tener resultados desastrosos.
De hecho, la célula es asombrosamente estable. Siempre que es perturbada,
reacciona hasta recuperar su estado inicial. Puede adaptarse y continuar su fun-
ción de una manera coherente durante períodos de ayuno o de enfermedad.
Mutaciones de muchos tipos pueden eliminar una reacción de una determinada
vía, y a pesar de ello -siempre que se cumplan ciertos requisitos mínimos- la cé-
lula sobrevive. Esto es asf porque en las células existe una elaborada red de me-
canismos de control que regulan y coordinan la velocidad de sus reacciones. Al-
gunos de los niveles superiores de control se estudiarán en capítulos posteriores.
Aquí nos limitaremos a describir los mecanismos más simples que regulan el
flujo de pequeñas moléculas a través de las diferentes vías metabólicas.

Las vías metabólicas están reguladas a través de cambios

de la actividad enzimática2º
Las concentraciones de las diversas moléculas pequeñas de una célula están
amortiguadas frente a cambios importantes, mediante un proceso conocido como
regulación por retroalimentación (feedback) que adapta el flujo de metabolitos a
través de una vía determinada mediante un aumento o una disminución tempo-
ral de la actividad de enzimas cruciales. Por ejemplo, la enzima inicial de una se-
rie de reacciones suele estar inhibida por retroalimentación negativa del producto
final de esta vía: si se acumulan grandes cantidades del. producto final, automáti-
camente queda inhibida la entrada de más precursores a la vía (Figura 2-38).
Cuando las vías se ramifican o se cruzan, cosa que sucede a menudo, general-
mente existen varios puntos de control mediante diferentes productos finales. La
complejidad de estos procesos de control por retroalimentación queda ilustrada
en la Figura 2-39, que muestra el esquema de regulación enzimática observado
en un grupo de vías metabólicas de aminoácidos relacionados.
La regulación por retroalimentación puede actuar casi instantáneamente y
es reversible; además, un producto final dado puede activar enzimas conducto-
ras de otras vías e inhibir enzimas que producen su propia síntesis. Se conoce
bien la base molecular de este tipo de control pero debido a que su estudio re-
quiere unos conocimientos determinados sobre la estructura de las proteínas,
no entraremos en él hasta el Capítulo 5.

86 Capítulo 2 : Pequeñas moléculas, energía y biosíntesis

Las reacciones catabólicas pueden revertirse mediante
un aporte de energía21
Regulando unas cuantas enzimas de puntos clave de la red metabólica pueden
conseguirse cambios a gran escala que afecten el metabolismo de toda la célula.
Por ejemplo, un patrón especial de regulación por retroalimentación permite
inhibición por
que una célula pase de la degradación de glucosa a la biosíntesis de glucosa (de- retroalimentación
nominada gluconeogénesis). La necesidad de la gluconeogénesis es especialmen-
te aguda en los períodos de ejercicio violento, cuando la glucosa necesaria para
la contracción muscular debe ser generada por las células hepáticas, y también
en períodos de ayuno, en los que, para sobrevivir, la glucosa debe ser sintetizada
YJ
a partir del glicerol de las grasas y de los aminoácidos.
La degradación normal de la glucosa hasta piruvato, por la glucolisis, está
·Figura 2-38 Inhibición por
catalizada por varias enzimas que actúan en serie. La mayoría de las reacciones
retroalimentación de una vía de
catalizadas por estas enzimas son fácilmente reversibles, pero tres de estas reac- biosíntesis. Cada letra representa una
ciones (los números 1, 3 y 9 en la secuencia de la Figura 2-21) son claramente pequeña molécula diferente, y cada
irreversibles. De hecho, el importante cambio de energía libre que se produce flecha negra simboliza una reacción
en estas reacciones es lo que normalmente impulsa la secuencia de reacciones en catalizada por una enzima diferente.
la dirección de la degradación de la glucosa. Para que las reacciones se produz- El producto final Z inhibe la primera
can en dirección opuesta y se pueda formar glucosa a partir de piruvato, es ne- enzima que es la única que lo sintetiza,
cesario superar cada una de estas tres reacciones. EIJo se consigue mediante tres de forma que Z controla su propio
reacciones alternativas, catalizadas enzimáticamente, que son impulsadas nivel en la célula. Se trata de un
"cuesta arriba" gracias a un aporte de energía quúnica (Figura 2-40). Así, cuando ejemplo de retroalimentación negativa
una molécula de glucosa se degrada a dos moléculas de piruvato, se generan dos (feedback negativo).

Figura 2-39 Inhibición por

aspartato
retroalimentación en la síntesis de los
aminoácidos Jlsina, metlonina,
treontna e isoleucina, en las
bacterias. En este diagrama cada
reacción catalizada por una enzima
está representada por una flecha
negra, mientras que Jas flechas rojas
indican las posiciones en las que los
productos "retroalimentan"
inhibiendo las enzimas. Obsérvese que
tres enzimas diferentes (denominadas
isoenzimas) catalizan la reacción
inicial, y que cada una de ellas está
inhlbida por un producto distinto.

Coordinación entre catabolismo y biosíntesis 87

 Figura 2-40 Comparación entre las
reacciones que producen glucosa
, , - - - Pi
durante la gluconeogénesis y las
reacciones que degradan la glucosa
durante la glucollsls. Las reacciones
de degradación {glucolíticas) son
glucosa 6-fosfato energéticamente favorables (el cambio
de energía libre es inferior a cero),
2 mientras que las reacciones de síntesis
requieren un aporte de energía. Para
fructosa &-fosfát o
sintetizar glucosa se necesitan
diferentes "enzimas de derivación"
P; necesarias para "saltar" las reacciones
3 1, 3 y 9 de la glucolisis. El ílujo total de
ADP'--__,, ' - - - H2 0 compuestos entre la glucosa y el
piruvato está determinado por
fructosa 1,6-bisfosfatp
mecanismos de control por
retroalimentación que actúan
dlhldroxiaéétona fosfato
4 controlando el metabolismo de Las
moléculas que participan en estos
glicer~ldehído 3-fo~fato x2 tres pasos.
Pi - - - . . . 1 ,,-- - P;

NAO•i-----... 5

1.3-bisfosfogllcerato x2

ADP
6

3-fosfoglicecato x2

2-fosfoglicerat9 x2

fosfoenolpiruvato x2

!GDP!
C02

ADP
9 x2

C02

x2

moléculas de ATP pero la reacción inversa de la gluconeogénesis requiere cuatro

molécuJas de ATP y dos moléculas de GTP, lo cual, en total, es equivalente a la
hidrólisis de seis moléculas deATP por cada molécuJa de glucosa sintetizada.
Las reacciones de desvío de la Figura 2-40 deben estar controladas, de ma-
nera que se degrade glucosa rápidamente cuando se necesite energía y se"sinte-
tice glucosa cu ando la célula esté repleta de energía. Si ~as reacciones pudieran
producirse en ambos sentidos sin restricciones, enviarían grandes cantidades de

88 Capítulo 2 : Pequeñas moléculas, energía y biosíntesis

metabolitos hacia adelante y hacia atrás, siguiendo unos ciclos fútiles que con-
sumirían grandes cantidades de ATP sin ningún objetivo concreto.
La elegancia de estos mecanismos de control puede ilustrarse con un ejem-
plo clave. El paso 3 de la glucolisis es una de las reacciones que debe ser supera-
da durante la formación de glucosa (véase Figura 2-40). Normalmente el paso
implica la ádición a la fructosa 6-fosfato de un gmpo fosfato procedente del ATP,
y está catalizado por la enzima fosfofructoquinasa. Esta enzima es activada por
AMP, ADP y fosfato inorgánico e inhibida por ATP, citrato y ácidos grasos. Así
pues, la enzima se activa por la acumulación de los productos de la hidrólisis del
ATP cuando el aporte de energía es bajo y se inactiva cuando la cantidad de
energía (en forma de ATP) o el aporte de alimentos, como pueden ser ácidos gra-
sos o citrato (derivado de los aminoácidos) son abundantes. Lafructosa bisfosfa-
tasa es la enzima que cataliza la reacción inversa (la hidrólisis de frnctosa 1,6
bisfosfato a fructosa 6-fosfato, que conduce hacia la formación de glucosa); esta
enzima está regulada de manera opuesta por el mismo sistema de retroinhibi-
ción, de forma que se estimula cuando la fosfofructoquinasa se inhibe.

Las enzimas pueden activarse e inhibirse mediante

modificaciones covalentes22
Los sistemas de control por retroalimentación que acabamos de describirper-
miten que las velocidades de las secuencias de reacciones estén reguladas de
manera continua y automática, segundo a segundo, en respuesta a fluctuacio-
nes del metabolismo. Las células disponen de varios dispositivos para regular
las enzimas cuando los cambios de su actividad han de ser más prolongados,
del orden de minutos u horas. Estos sistemas implican la modificación covaJen-
te reversible . de las enzimas. Casi siempre estas modificaciones se consiguen
mediante la adición de un grupo fosfato a un residuo determinado de serina, de
treonina o de ti rosina de la enzima. El fosfato procede del ATP y su transferencia
está catalizada por una familia de enzimas conocidas como proteína quinasas.
En el Capítulo 5 describiremos como la fosforilación puede alterar la forma de
una enzima, aumentando o inhibiendo su actividad. La eliminación posterior del
grupo fosfato, que revierte el efecto de la fosforilación, se consigue mediante una
segunda enzima denominada proteína fosfatasa. La modificación covalente de las
enzimas añade otra dimensión al control metabólico, ya que permite que las vías
de reacción específicas sean reguladas por señales (como las hormonas y factores de
crecimiento) que no están relacionadas con los propios inte1mediarios metabólicos.

Las reacciones están compartimentadas, tanto dentro

de las células como dentro de los organismos23
No todas las reacciones metabólicas de una célula se producen dentro del mis-
mo compartimiento citoplasmático. Puesto que diferentes enzimas se hallan en
diferentes compartimientos de la célula, el flujo de los componentes químicos
está canalizado, tanto física como químicamente.

+ 24 moléculas
de piruvato Figura 2-41 Estructura de la
8 trlmeros de + 12 moléculas
lipoamida de dihidrolipoil
descarboxilasa piruvato-desWdrogenasa. Este
reductasa• deshidrogenasa complejo enzimático cataliza la
transacetilasa conversión de piruvato en acetil CoA.
Se trata de un ejemplo de un gran

- complejo multienzimático en el que

los intermediarios de la reacción pasan
directamente de unas enzimas a otras.

Coordinación entre catábolismo y biosfntesis 89

 La forma más simple de esta segregación espacial se produce cuando dos enzi- gl~oosa
mas que catalizan reacciones secuenciales forman un complejo enzimático, y el membrana plasmática
producto de la primera enzima no ha de difundir a través del citosol para encontrar
Ja segunda enzima. En cuanto ha terminado la primera reacción empieza la segun-
da. Algunos grandes agregados enzimáticos realizan toda una serie de reacciones ghicósa 6-losfato
sin perder el contacto con el substrato. Por ejemplo, la transformación del piruvato
en acetiJ CoA ocurre en tres pasos qwmicos que se producen sobre el mismo gran
complejo enzimático (Figura 2-41); en la síntesis de los ácidos grasos, una secuen-
cia de reacciones aún más larga está catalizada por un único conjunto de enzimas.
No resulta sorprendente que algunos de Los mayores complejos enzimáticos estén
destinados a la síntesis de macro moléculas como las proteínas y el DNA.
El siguiente nivel de segregación espacial en las células se refiere al confina-
miento de enzimas relacionadas funcionalmente dentro de la misma membrana o
dentro de los compartimientos acuosos de w.1 orgánulo que está rodeado por una
membrana. El metabolismo oxidativo de la glucosa constituye un buen ejemplo de
ello. Después de la glucolisis, el piruvato se transporta activamente desde el citosol
hasta el compartimiento interno de La mitocondria, el cual contiene todas las enzi-
mas y metabolitos que intervienen en el ciclo del ácido cítrico (Figura 2-42). Además
La propia membrana mitocondriaJ interna contiene todas las enzimas que catalizan
las reacciones siguientes de La fosforilación oxidativa, incluidas las enzimas implica-
das en la transferencia de electrones desde el NADH al 0 2 y Las implicadas en la sín-
tesis del ATP. Por consiguiente, la mitocondria puede ser considerada como una pe-
queña fábrica productora de ATP. Análogamente, otros orgánulos celulares, como el
núcleo, el complejo de Golgi y los lisosomas, pueden ser considerados como com-
partimientos especializados donde se encuentran confinadas enzimas relacionadas
funcionalmente y que realizan tareas específicas. En cierto sentido, La célula viva es
como una ciudad, con muchos servicios especializados concentrados en diferentes
áreas, intensamente interconectadas por diversas vías de comunicación.
La organización espacial de los organismos pluricelulares se extiende más allá
de la célula individual. Los diferentes tejidos del cuerpo tienen diferentes grupos
de enzimas y realizan contribuciones distintas a la qwmica del organismo com-
pleto. Además de las diferencias entre los diferentes tipos de células de un mismo
organismo en cuanto a productos especializados como las hormonas o Los anti-
Figura 2-42 Segregación de los
cuerpos, también existen diferencias considerables en cuanto a las vías metabóli- d.lversos pasos de la degradación de la
cas "habituales". Aunque prácticamente todas las células contienen las enzimas ' glucosa en la célula eucariota. La
de la glucolisis, del ciclo del ácido cítrico, de la síntesis y de la degradación de los gh.icolisis se produce en el citosol,
lfpidos y del metabolismo de los aminoácidos, los niveles de estos procesos en mientras que las reacciones del ciclo
los diferentes tejidos están regulados de forma diferente. Las células nerviosas, que del ácido cítrico y de la fosforilación
probablemente son las células más exigentes del cuerpo, carecen casi totalmente oxidativa ocurren únicamente en las
de reservas de glucógeno y de átidos grasos, dependiendo casi por completo del rnitocondrias.
aporte de glucosa de la sangre. Las células hepáticas proporcionan glucosa a las fi-
bras musculares que se contraen activamente, y reciclan de nuevo a glucosa el áci-
do láctico producido por estas células musculares (Figura 2-43). Todos los tipos de
células tienen sus rasgos metabólicos característicos y cooperan intensamente,
tanto en el estado normal como en la respuesta al ejercicio, al estrés y al hambre.
Figura 2-43 Representación
esquemática de la cooperación
metabólica entre las células hepáticas
y las fibras musculares. El principal
combustible de las fibras musculares
en activa contracción es la glucosa,
gran parte de la cual está suministrada
por las células hepáticas. El ácido
láctico, producto final de la
degradación anaeróbica de la glucosa
por glucolisis en el músculo, se
transforma de nuevo en glucosa en el
hígado mediante el proceso de
gluconeogénesis.

90 Capítulo 2 : Pequeñas moléculas, energía y biosfutesis

Resumen
Los muchos miles de reacciones químicas distintas realizadas simultáneamente
por una célula están estrechamente coordina.das. Diversos mecanismos de control
regulan las actividades de las enzimas clave, en respuesta a las condiciones cam-
biantes de la célula. Una forma muy común de regulación estriba en la inhibición
por retroalimentación, rápidamente reversible, ejercida por el producto final sobre
la primera enzima de una vía. Una forma más prolongada de regulación implica la
modiflcaci-On química de una enzima por otra enzima, a menudo mediante fosfori-
laci-On. Combinaciones de mecanismos reguladores pueden producir cambios im-
portantes y prolongados en el metabolismo de la célula. No todas las reacciones ce-
lulares se producen dentro del mismo compartimiento intracelular, de fonna que
la segregación espacial, mediante membranas internas, pemiite que los orgánulos
se especialicen en tareas bioqutmicas.

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de célulMen cultM
• PQCdo.munleatoct.a. ct1u1as
yanQWade. - . . . _
• S I ~ ell'MÜ"Oy
cuantlfk«n40lu-lu
del Interior de Ju

Las células son pequeñas y complejas. Resulta difícil observar su estructura y

descubrir su composición molecular, pero todavía resulta más difícil dilucidar
cómo funcionan sus componentes. Lo que podemos aprender sobre las células
depende de las herramientas que tengamos a nuestra disposición; de hecho, los
mayores avances de la ciencia son frecuentemente fruto de la introducción de
nuevas técnicas de estudio. Por consiguiente, para entender la biología celular
contemporánea es necesario conocer algo acerca de estos métodos de estudio.
En este capítulo vamos a revisar brevemente algunos de los principales méto-
dos usados para estudiar las células. Empezaremos con las técnicas utilizadas para
examinar las células como un todo y después continuaremos con las técnicas utili-
zadas para analizar sus constituyentes macromoleculares. Nuestro punto de partida
será la microscopia; la biología celular empezó con la microscopia óptica, la cual to-
davía es una herramienta esencial, junto con los imaginativos inventos más recien-
tes basados en haces de electrones y otras formas de radiación. Desde la observa-
ción pasiva, nos desplazaremos hasta la intervención activa: consideraremos cómo
las células de diferentes tipos pueden ser separadas de los tejidos y crecer fuera del
cuerpo, y cómo se pueden romper las células y aislar de forma pura sus orgánulos y
constituyentes macromoleculares. Por último, discutiremos cómo podemos detec-
tar, seguir y cuantificar los tipos individuales de moléculas e iones en el interior de la
célula. La tecnología del DNA recombinante ha revolucionado n uestro conocimien-
to sobre la función celular, pero debido a que se trata de un apartado importante en
sf mismo y depende del conocimiento de los mecanismos genéticos básicos, este
conjunto de poderosos métodos se considera en detaJJe en el Capítulo 7.
A pesar de que los métodos tienen una importancia básica, lo que resulta real-
mente interesante es lo que nos permiten descubrir. Por lo tanto, proponemos
que el presente capítulo se utilice como referencia y se lea en conjunción con los
últimos capítulos del libro, más que como una introducción a ellos.

Observación de la estructura de las células

con el microscopio 1
Una célula animal típica mide entre 19 y 20 µ.m de diámetro, es decir, unas cinco
veces menos que la menor partícula visible a simple vista. Por ello, hasta que no
se dispuso de buenos microscopios ópticos, a principios del siglo xrx, no se des-
cubrió que todos los tejidos vegetales y animales son agregados de células. Este
descubrimiento, propuesto por Schleiden y Schwann en 1838 como la teoría ce-
lular, marca el nacimiento formal de la biología celular.

147
 Las células animales no sólo son diminutas, sino que también son incoloras
y traslúcidas; por ello, el descubrimiento de las principales características inter-
nas de las células dependió del hallazgo, a finales del siglo XIX, de diversos colo-
rantes que proporcionaron el contraste suficiente para hacerlas visibles. A prin-
cipios de los años 1940 se desarrolló el microscopio electrónico, mucho más
poderoso que el óptico. Sin embargo, antes de que su utilización permitiera el
conocimiento detallado de las complejidades de la estructura interna de la célu-
la, se hizo necesario el desarrollo de nuevas técnicas para la preservación y colo-
ración de las células. Hasta ahora la microscopia depende tanto de las técnicas
célula
para la preparación del espécimen como del rendimiento del propio microsco- vegetal
pio. En las secciones que siguen, vamos a discutir tanto los instrumentos como
la preparación de las muestra, y empezaremos por el microscopio óptico. célula
animal
La Figura 4-1 muestra el grado de detalle que puede alcanzarse con la mi-
croscopia óptica moderna en comparación con el de la microscopia electrónica.
En la Tabla 4-1 se resumen algunos de los hitos históricos en el desarrollo de la
microscopia óptica.
bacteria

Tabla 4- 1 Algunos descubrimientos en la historia de la microscopia óptica

1611 Kepler sugirió una manera de construir un microscopio compuesto.

1655 Hooke utilizó un microscopio compuesto para descubrir unas pequeñas
celdillas en cortes de corcho, a las que denominó "células". virus
ribosoma
1674 Leeuwenhoek informó de su descubrimiento de los protozoos. Nueve años
más tarde observó bacterias por primera vez.
1833 Brown publicó sus observaciones microscópicas de las orquídeas y describió
claramente el núcleo celular. proteína
1838 Schleiden y Schwann propusieron la teoría celular, afirmando que la célula globular
nucleada es la unidad estructural y funcional de las plantas y de los animales.
1857 Kolliker describió las mitocondrias de las células musculares.
1876 Abbé analizó los efectos de la difracción en la formación de la imagen en el molécula
pequeña
microscopio y mostró la manera de optimizar el diseño de los microscopios.
1879 Flemming describió con gran claridad el comportamiento de los cromosomas
átomo
durante la mitosis de las células animales.
0,1 nm
1881 Retzius describió muchos tejidos animales con una precisión que todavía no ( 1 Á)
ha sido superada por ningún especialista de microscopia óptica. En las dos
décadas siguientes, tanto él como Cajal y otros histólogos diseñaron métodos Figura 4-1 Poder de resolución.
de tinción y establecieron las bases de la anatomía microscópica. Tamaños de las células y de sus
1882 Koch utilizó colorantes de anilina para teñir microorganismos e identificó las componentes, dibujados sobre una
bacterias que causan la tuberculosis y el cólera. En las dos décadas siguientes escala logarítmica, indicando el
otros bacteriólogos como Klebs y Pasteur identificaron los agentes causantes intervalo de resolución del ojo
de otras muchas enfermedades, examinando al microscopio preparaciones humano y de los microscopios óptico y
teñidas.
electrónico. En microscopia se utilizan
1886 Zeiss construyó una serie de lentes, siguiendo las leyes de Abbé, que normalmente las siguientes unidades
permitieron a los especialistas en microscopia la resolución de estructuras
de longitud:
situadas en los límites teóricos de la resolución de la luz visible.
µm (micrómetro) = lCJ-'l m
1898 Golgi observó y descubrió por primera vez el complejo de Golgi, impregnando
las células con nitrato de plata. nm (nanómetro) = 10-9 m
1924 Lacassagne y colaboradores desarrollaron la primer técnica autorradiográfica
A (unidad Angstri:im) = 10 10 m
para localizar el polonio radiactivo en muestras biológicas.
1930 Lebedeff diseñó y construyó el primer microscopio de contraste interferencia!.
En 1932 Zernicke inventó el microscopio de contraste de fases. Estos
adelantos permitieron observar por primera vez en detalle células vivas no
teñidas.
1941 Coons utilizó anticuerpos acoplados a colorantes fluorescentes para detectar
antígenos celulares.
1952 Nomarski ideó y patentó el sistema de contraste interferencial para el
microscopio óptico, que aún lleva su nombre.
1981 Allen e lnoué perfeccionaron la microscopia óptica de contraste vídeo-
amplificada.
1988 Se generaliza el uso de los microscopios de rastreo confocal.

148 Capítulo 4: Cómo se estudian las células

 2 <;)NDAS EN FASE 2 ONDAS DESFASADAS Figura 4-2 Intederencia entre ondas
luminosas. Cuando dos ondas de luz
se combinan en/ase, la amplitud de la
onda resultante es mayor y la
luminosidad queda incrementada. Dos
ondas de luz desfasadas se anulan
parcialmente una a otra, produciendo
una onda de menor amplitud, y por
consiguiente, de menor intensidad
luminosa.

oscuridad

luz

El microscopio óptico puede resolver detalles

situados a 0,2 µ,m de distancia2
En general, un haz de una radiación de una longitud de onda determinada no
puede utilizarse para examinar detalles estructurales mucho más pequeños que
su propia longitud de onda; esto supone una limitación fundamental de los mi-
croscopios. Así pues, el límite de resolución de un microscopio óptico está de-
terminado por la longitud de onda de la luz visible, que abarca desde 0,4 µm
(para el violeta) hasta 0,7 µm (para el rojo lejano). En la práctica, las bacterias y
las rnitocondrias, que tienen aproximadamente 500 nm (0,5 µrn) de diámetro,
son las estructuras más pequeñas que se pueden observar nítidamente al mi-
croscopio óptico; los detalles más pequeños que estas dimensiones quedan os-
curecidos por los efectos de la naturaleza ondulatoria de la luz. Para compren-
der el porqué de este efecto, hemos de estudiar lo que le sucede a un haz de
ondas luminosas cuando atraviesa las lentes de un microscopio.
Dada su naturaleza ondulatoria, la luz no sigue exactamente la línea recta
idealizada de sus rayos predicha por la óptica geométrica. Por el contrario, cuan-
do las ondas luminosas viajan a través de un sistema óptico lo hacen por una cti-
versidad de rutas ligeramente diferentes, de manera que se interfieren entre
ellas generando efectos ópticos de difracción. Si dos trenes de ondas que alcan-
zan el mismo punto por diferentes caminos están exactamente en fase, con
coincidencia de las crestas y de los senos, se refuerzan el uno al otro aumentan-
do la luminosidad. Por el contrario, si los trenes de ondas están desfasados, in-
terfieren uno con otro y se anulan total o parcialmente (Figura 4-2). La inciden-
cia de la luz sobre un objeto altera las relaciones de fase de las ondas luminosas,
produciendo complejos efectos de interferencia. A gran aumento la sombra de
un borde recto, por ejemplo, iluminado con una luz de longitud de onda unifor-
me, aparece como un conjunto de líneas paral.elas, mientras que la de una man-
cha circular aparece como un conjunto de anillos concéntricos (Figura 4-3). Por
la misma razón, observado a través del microscopio un punto aparece como un
ctisco borroso, mientras que dos objetos puntuales próximos entre sí ofrecen
imágenes superpuestas y pueden llegar a confundirse en una sola imagen. La
perfección de las lentes, por alta que sea, no puede superar esta limitación im-
puesta por la naturaleza ondulatoria de la luz.
La separación límite a la que dos objetos pueden verse separados -conocida
como límite de resolución- depende tanto de la longitud de onda de la luz como
de la apertura numérica de las lentes del sistema utilizado (Figura 4-4). En las me-
jores concticiones posibles: con luz violeta 0ongitud de onda, ). = 0,4 µrn) y una Figura 4-3 Efectos de borde. Efectos
apertura numérica de 1,4, el límite de resolución teórico que se puede obtener con de interferencia observados a gran
el microscopio óptico es tan sólo de 0,2 µm. Esta resolución ya fue alcanzada por aumento cuando la luz pasa por el
los fabricantes de microscopios a finales del siglo XIX y con los microscopios con- borde de un objeto sólido colocado
temporáneos producidos en serie, muy raramente se alcanza. Aunque es posible entre la fuente de luz y el observador.

Observación de la estructura de las células con el microscopio 149

 Figura 4-4 Apertura numérica. Paso
LENTES RESOLUCIÓN: el poder de resolución de un de los rayos luminosos cuando
microscopio depende de la amplitud del cono atraviesan una muestra transparente
de iluminación y, por lo tanto, de las lentes
objetivo y condensador. Se calcula con la en un m icroscopio, ilustrando el
fórmula concepto de apertura numérica y su
relación con el lúnite de resolución.
la lente objetivo resolución = º•61
A-
n sen e
colecta un cono en donde:
de luz generando
una imagen e= mitad de la anchura angular del cono
de rayos colectados por la lente
objetivo desde un punto típico de la
la lente condensador muestra (como la maxlma anchura es
enfoca un cono de de 180°, el valor de seno 8 tiene un
rayos luminosos valor máximo de 1)
en cada uno de los n = índice de refracción del medio
puntos de la (normalmente aire o aceite) que separa
LUZ muestra la muestra de las lentes objetivo y
condensador
A- = longitud de onda de la luz utilizada
(para luz blanca se utiliza normalmente
el valor de 0,53 µm)

APERTURA NUM~RICA en la ecuación anterior, mayor es la resolución y la brillantez de la

el valor n sen 8 se denomina apertura numérica imagen (la brillantez es importante en
de las lentes (AN) y es una función de su microscopia de fluorescencia). Sin embargo,
capacidad de colectar la luz. Para lentes secas esta ventaja se obtiene a expensas de distancias movimiento del brazo
este valor no puede ser mayor de 1 pero para de trabajo muy cortas y de profundidades de del micrótomo
lentes sumergidas en aceite puede llegar a ser campo muy pequeñas.
de 1,4. Cuanto mayor sea la apertura numérica Y muestra incluida en
~ cera o en resina

cuchilla de acero
agrandar una imagen tanto como se desee - p. ej., proyectándola sobre una pan-
"' cinta de cortes
talla- nunca resuJta posible resolver al microscopio óptico dos objetos que estén finos
separados menos de 0,2 µm: dichos objetos aparecerán como uno solo.
Más adelante podremos ver cómo la interferencia y la djfracción pueden ser

l
cinta de cortes sobre
utilizadas para estudiar células vivas sin tefür. En primer lugar vamos a estudiar el portaobjetos,
cómo se pueden hacer preparaciones permanentes de células para su observa- teñidos y montados
con un cubreobjetos
ción al microscopio y cómo se utilizan los colorantes químicos en estas prepara-
ciones para incrementar la visibilidad de las estructuras celulares.

Para la observación microscópica, normalmente

los tejidos son fijados y seccionados
Para hacer preparaciones permanentes que después puedan ser teñidas y visua-
lizadas al microscopio, en primer Jugar las céluJas se han de tratar con un fijador
que las inmovilice, las mate y las preserve. En términos químicos, la fijación
hace a las células permeables a los colorantes y establece puentes cruzados en-
tre sus molécuJas, de modo que éstas queden estabilizadas y bloqueadas en su
posición original. Algunos de los primeros procedimientos de fijación consistían
en una breve inmersión en ácidos o en disolventes orgánicos tales como el alco-
hol. Los procedimientos actuales suelen comprender aldehídos activos, particu-
larmente el formaldehído y el glutaraldehfdo, que forman enlaces covalentes
con los grupos amino libres de las proteínas y por lo tanto forman puentes cru-
zados entre proteínas adyacentes.
La mayoría de las muestras de tejidos son demasiado gruesas para que sus
células sean examinadas directamente a alta resolución. Por consiguiente, des-
pués de la fijación, los tejidos suelen ser cortados en finas rebanadas (seccio-
nes), con un micrótomo, una máquina dotada de una cuchilla de metal muy afi-
lada que funciona de manera parecida a un cortafiambres (Figura 4-5). Las EXAMEN AL MICROSCOPIO ÓPTICO
secciones que se utilizan para ser observadas al microscopio óptico, normal- Figura 4-5 Obtención de secciones de
mente tienen entre 1 y 10 µm de grosor y son extendidas en la superficie de un un tejido. Un tejido incluido se corta
portaobjetos. con un micrótomo, como paso previo
Por lo general los tejidos son muy blandos y frágiles, incluso después de la para su observación al microscopio
fijación, de forma que antes de la obtención de los cortes, es necesario incluirlos óptico.

150 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

en un medio de soporte. Los medios más utilizados son ceras o resinas. En esta-
do líquido, estos medios penetran y rodean todo el tejido; entonces, pueden ser
endurecidos (por enfriamiento o por polimerización) para formar un bloque só-
lido que pueda ser cortado fácilmente con el micrótomo.
Existe el grave peligro de que cualquier tratamiento utilizado para la fijación
pueda alterar de manera no deseada la estructura de la célula o sus constituyen-
tes moleculares. La congelación rápida proporciona un método alternativo que,
de alguna manera, evita este peligro eliminando la necesidad de fijación y de in-
clusión. El tejido congelado puede ser cortado directamente con un criostato
- un micrótomo especial que se mantiene en una cámara fría. Aunque, las sec-
ciones por congelación conseguidas de esta manera tienen la ventaja de evitar
algunos artefactos, pueden presentar otro tipo de complicaciones: la estructura
nativa de algunas moléculas como las proteínas está bien conservada pero nor-
malmente la estructura de las células se rompe por los cristales de hielo.
Habitualmente, el paso siguiente al de obtención de las secciones (por cual-
quier método) es su tinción.

Los diferentes componentes de la célula pueden

ser teñidos selectivamente3
El contenido de la mayoría de las células (de las que el agua representa un 70%
de su peso) no presenta demasiados elementos que impidan el paso de los rayos
de luz. Por ello, casi todas las células en s u estado natural, aunque estén fijadas y
seccionadas, son casi invisibles al microscopio óptico convencional. Una mane-
ra de hacerlas visibles es teñirlas con colorantes orgánicos selectivos.
A principios del siglo XIX la demanda de colorantes para teñir los productos
de la industria t extil condujo a un período fértil para la química orgánica. Se ob-
servó que algunos de los colorantes tefifan los tejidos biológicos y que sorpren-
dentemente, a menudo mostraban una preferencia por determinados compo-
nentes de la célula -el núcleo o las membranas, por ejemplo- haciendo visibles
estas estructuras internas. En la actualidad disponemos de una rica variedad de
colorantes orgánicos, con nombres tan pintorescos como verde de malaquita,
negro Sudán o azul de Coomassie, cada uno de los cuales presenta una afinidad
específica por ciertos compon entes celulares. El colorante hematoxilina, por
ejemplo, tiene afinidad por las moléculas con carga negativa, y por ello revela la
distribución del DNA, del RNA y de las proteínas ácidas de la célula (Figura 4-6).
No obstante, desconocemos la base química de la especificidad de muchos colo-
rantes.

Figura 4-6 Una sección de tejido

teñida. Sección de piel humana,
teñida con una combinación de
colorantes, hematoxilina y eosina, que
se utilizan habitualmente en
histología.

Observaclón de la estructura de las células con el microscopio 151

 Figura 4-7 Sistema óptico de un
moderno microscopio de Ouorescencla.
El juego de filtros consta de dos filtros de
corte (1 y 3) y de un espejo dicroico (de
ocular ranuras ordenadas) (2). En este ejemplo
se muestra un juego de filtros adecuado
para la detección de la fluorescencia de
la fluorescefna. En este tipo de
3 3 segundo filtro de corte: elímina
microscopios es especialmente
las señales de fluorescencia no importante que la lente objetivo tenga
deseadas y deja pasar la una elevada apertura numérica, ya que
fluorescencia verde de emisión,
de 520 a 560 nm para una amplificación dada la brillantez
FUENTE
de la imagen fluorescente es
DE LUZ proporcional a la cuarta potencia de la
2 2 espejo de ranuras ordenadas:
refleja la luz de longitud de onda apertura numérica (véase también
menor de 510 nm pero transmite Figura 4-4).
la luz de longitud de onda
_ ___, superiora 510 nm
1 primer filtro de corte: únicamente
deja pasar la luz azul de una
longitud de onda entre 450 y 490 nm

0o

La relativa falta de especificidad de estos colorantes a nivel molecular ha esti-

mulado el disefio de procedimientos de tinción más racionales y selectivos y ha
permitido en particular el desarrollo de métodos que revelan proteínas específicas
y otras macromoléculas celulares. Existe, sin embargo, el problema de conseguir
una sensibilidad adecuada para estos propósitos. Como una célula cualquiera pre- fluoresceína (verde)
senta pocas copias de cada una de la mayoría de las macromoléculas, a menudo
una o dos moléculas de colorante unidas a cada macromolécula resultan invisi-
bles. Una posibilidad de resolver este problema consiste en incrementar el núme-
ro de moléculas de colorante asociadas a cada macromolécula individual. Así, al-
gunas enzimas pueden ser localizadas en las células mediante su actividad
catalítica: cuando son expuestas a un substrato molecular apropiado, cada molé-
cula de enzima genera muchas moléculas visibles de producto, las cuales pueden
ser localizadas. Un método alternativo al problema de la sensibilidad consiste en
la utilización de compuestos fluorescentes, como explicamos a continuación.

Mediante la microscopia de fluorescencia se pueden localizar

tetrametilrodamina (roía)
moléculas en las células de forma específica4
Figura 4-8 Colorantes fluorescentes.
Las moléculas fluorescentes absorben la luz de una determinada longitud de Estructura de la fluoresceína y de la
onda y emiten luz de otra longitud de onda más larga. Si un componente de este tetrametilrodamina, dos colorantes
tipo es iluminado a su longitud de onda absorbente y visualizado a través de un utilizados habitualmente en microscopia
filtro que sólo permita pasar la luz de longitud de onda igual a la de la luz emitida, de fluorescencia. La fluoresceína emite
el componente aparece brillante sobre un fondo oscuro. La intensidad y el color luz amarillo-verdosa cuando se activa
de la luz es una propiedad característica de Ja molécula fluorescente utilizada. con luz de una longitud de onda.
Los colorantes fluorescentes utilizados para Ja tinción celular son detecta- adecuada, mientras que la rodamina
dos con la ayuda del microscopio de fluorescencia. Este microscopio es similar emite luz roja. Las wnas de las moléculas
al microscopio convencional, a excepción de que la luz incidente, procedente de que se señalan en naranja indican la
posición de un grupo qufmicamente
una potente fuente, atraviesa dos series de filtros - uno para interceptar la luz
reactivo; normalmente, en esta posición
antes de que llegue a la muestra y otro para filtrar la luz obtenida a partir de la
se forma un enlace covalente entre el
muestra. El primer filtro se selecciona de manera que sólo permita el paso de las colorante y una prote.í na (u otra
longitudes de onda que excitan a un determinado colorante fluorescente, mien- molécula). Diferentes versiones
tras que el segundo filtro bloquea esta luz y permite el paso de las longitudes de comerciales de estos colorantes con
onda emitidas cuando el colorante emite fluorescencia (Figura 4-7). diferentes tipos de grupos reactivos
La microscopia de fluorescencia se utmza habitualmente para detectar es- peanite utilizarlos como diana de grupos
pecíficamente proteínas u otras moléculas en células y tejidos. Una técnica muy -SH o de grupos -NH:i de proteínas.

152 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

 tubulina actina DNA Figura 4-9 Microscopia de
fluorescencia. Micrografías de una
zona de la superficie de un embrión
temprano de Drosophila, en el que se
han marcado los microtúbulos con un
anticuerpo acoplado a fluorescefna
(panel de la izquierda) y los filamentos
de actina con un anticuerpo acoplado
a rodamina (panel centraí¡. Además,
los cromosomas se han marcado con
un tercer colorante que únicamente
emite fluorescencia cuando se une a
50 µm
DNA (panel de la derecha). En este
estadio, todos los núcleos del embrión
comparten un mismo citoplasma, y
utilizada y potente consiste en acoplar covalentemente un colorante fluorescen- están en el estadio de metafase de la
te a moléculas de un anticuerpo, el cual se puede utilizar entonces como un re- mitosis. Las tres micrografías fueron
activo muy específico y versátil que se une selectivamente a las macromoléculas tomadas en la misma región de un
que reconoce en las células o en la matriz extracelular. Con esta finalidad, fre- embrión fijado, utilizando tres juegos
cuentemente se utilizan dos colorantes fluorescentes: lafluorescefna, que cuan- de filtros diferentes en el microscopio
do es excitada por luz azul emite una fluorescencia amarillo-verdosa intensa, y la de fluorescencia (véase también Figura
rodamina, que cuando es excitada con una luz verde-amarilla emite una fluo - 4-7). (Por cortesía de Tim Karr.)
rescencia de color rojo intenso (Figura 4-8). Acoplando una molécula a la fluores-
ceína y otra a la rodamina, en la misma célula puede determinarse la distribu-
ción de dos moléculas diferentes; ambas moléculas son detectadas separadamente
en el microscopio cambiando las dos series de filtros, uno especffico para cada
colorante. Como se muestra en la Figura 4-9, de la misma forma se pueden utili-
zar tres colorantes fluorescentes para distinguir tres tipos de moléculas en la
misma célula.
Actualmente se han desarrollado importantes métodos, que explicaremos
posteriormente, que capacitan a la microscopia de fluorescencia para seguir
cambios en la concentración y en la localización de moléculas específicas en el
interior de la célula viva (véase pág. 195).

Las células vivas se pueden observar con nitidez en un

microscopio de contraste de fases o de contraste de
fases interferencial2• 5 Figura 4-10 Dos sistemas para
La posibilidad de que algunos componentes de la célula puedan perderse o dis- incrementar el contraste en el
torsionase durante la preparación de las muestras no ha dejado de preocupar a mkroscoplo óptico. En (A), las zonas
tefiidas de La célula reducen la
los especialistas en microscopia. La única solución a este problema es examinar
amplitud de las ondas luminosas de
una longitud de onda determinada
que pasan a través de ellas. De esta
(A) luz incidente
forma se obtiene una imagen en color
(Bl luz incidente
de la célula, visible mediante la
observación habitual. En (B), la luz que
pasa a través de la célula viva, no
teñida, no sufre ningún cat)'lbio
importante de amplitud y, por
ondas en
fase consiguiente, muchos de sus detalles
no se pueden observar directamente,
aunque se amplifique enormemente la
imagen; sin embargo, se producen
célula sin cambios de fase en las ondas
teñir luminosas cuando éstas pasan través
ondas
desfasadas de la célula, y estas alteraciones
pueden hacerse visibles aprovechando
efectos de interferencia utilizando un
microscopio de contraste de fases o de
contraste de fases interferencia!.

Observación de la estructura de las células con el microscopio 153

.,,

50 µ m

las células mientras aún están vivas, sin ningún tipo de fijación ni de congelación. Figura 4-11 Cuatro tipos de
Para este propósito son útiles microscopios con sistemas ópticos especiales. microscopio óptico. (AJ Imagen de un
Cuando la luz pasa a través de una célula viva, la fase de la onda luminosa fibroblasto en cultivo obtenida
varfa en relación al índice de refracción de la célula: la luz que pasa a través de mediante la transmisión directa de luz
una zona relativamente gruesa o densa de la célula, como por ejemplo el núcleo, a través de la célula, técnica conocida
como microscopia de campo claro.
se retrasa y su fase queda desplazada de forma correspondiente respecto a la de
Las otras imágenes fueron obtenidas
la luz que ha pasado a través de una región adyacente de citoplasma, más fina.
utilizando las técnicas descritas en
El microscopio de contraste de fases y el microscopio de contraste de fases in- el texto: (B) microscopia de contraste
terferencia} aprovechan los efectos de interferencia que se producen cuando se de fases; (C) microscopia de contraste de
combinan estos dos grupos de ondas, creando de esta forma una imagen de la fases interferencia! de Nomarski; y
estructura celular (Figura 4-10). Ambos tipos de microscopios ópticos se utilizan (D) microscopia de campo oscuro. Con
habitualmente para visualizar células vivas. los microscopios más modernos se
Una manera más sencilla de observar algunas de las características de una pueden obtener los cuatro tipos de
célula no teñida consiste en utilizar luz ctispersada por sus diversos componen- imágenes, simplemente cambiando
tes. En el microscopio de campo oscuro, los rayos luminosos del sistema de ilu- algunos de los sistemas ópticos.
minación son dirigidos desde la parte lateral, por lo que sólo penetra en las len-
tes del microscopio la luz dispersada. Por consiguiente, la célula aparece como
un objeto iluminado sobre un fondo negro. La Figura 4-11 muestra imágenes de
una misma célula obtenidas mediante cuatro tipos diferentes de microscopios
ópticos.
Una de las grandes ventajas del microscopio de contraste de fases, del mi-
croscopio de contraste de fases interferencia! y del microscopio de campo oscu-
ro estriba en que los tres permiten observar las células en acción y estudiar los
r-
movimientos implicados en procesos como la mitosis o la migración celular.
Puesto que muchos movimientos son demasiado lentos para ser observados a
tiempo real, normalmente resulta útil hacer películas o vídeos por el sistema de
aceleración de movimiento (microcinematografla). En estos casos, se toman fo-
tografías sucesivas, separadas por breves períodos de tiempo, de modo que ...
cuando la película o el video registrados se proyectan a la velocidad normal los
acontecimientos aparecen muy acelerados.

Mediante técnicas electrónicas las imágenes pueden ser

amplificadas y analizadas6
Recientemente, los sistemas electrónicos de imágenes y la tecnología asociada
de procesamiento de imágenes han tenido un impacto importante en la mi-
croscopia óptica. No sólo han ,permitido superar ciertas limitaciones prácticas
de los microscopios (debidas a limitaciones en el sistema óptico), sino que tam-
bién han superado dos limitaciones fundamentales del ojo humano: el ojo no

154 Capítulo 4: Cómo se estudian las células

puede ver luz extremadamente débil y no puede percibir pequefias diferencias
en intensidad de luz sobre un fondo brillante. El primero de estos problemas
puede solucionarse adaptando a un microscopio una cámara de vídeo altamen-
te sensible a la luz (del tipo de las que se utilizan para vigilancia nocturna). Con
ello es posible observar células durante largos períodos de tiempo y con muy
baja intensidad de luz, evitando de esta manera los efectos dañinos de la luz in-
tensa (y caliente) prolongada. Estos sistemas de intensificación de imágenes son
especialmente importantes para visualizar moléculas fluorescentes en las célu-
las vivas.
Dado que las imágenes producidas por las cámaras de vídeo son de tipo
electrónico, pueden ser digitalizadas, introducidas en un ordenador y procesa-
das de varios modos para extraer información latente en estas imágenes. Este
procesamiento de la imagen hace posible la compensación de los fallos ópticos
de los microscopios, pudiendo alcanzar el límite teórico de resolución del mi-
croscopio óptico. Por otra parte, utilizando sistemas de vídeo acoplados a proce-
sadores de imágenes puede incrementarse el contraste, superándose las limita-
ciones del ojo en la detección de pequefias diferencias. A pesar de que este
procesamiento también incrementa los efectos aleatorios de las irregularidades
del sistema óptico, este "ruido" puede eliminarse electrónicamente restando
una imagen de un área en blanco del campo de observación. De esta manera,
pequefios objetos transparentes que antes eran imposibles de distinguir del fon-
do, pueden ser visibles. 5µm

El alto contraste alcanzable en la microscopia de interferencia asistida por

Figura 4-12 Ampliando los límites de
ordenador hace posible la visualización de pequefios objetos tales corno micro- detección. Imágenes al microscopio
túbulos (Figura 4-12), los cuales tienen un diámetro de 0,025 µm, menor de una electrónico de microtúbulos no
décima parte de la longitud de onda de la luz. Los microtúbulos individuales teñidos, visualizados por microscopia
también pueden ser vistos en un microscopio de fluorescencia si previamente de contraste de fases interferencia)
han sido marcados con fluorescencia (véase Figura 4-62). En ambos casos, sin seguida de un procesamiento
embargo, los inevitables efectos de difracción dan una imagen altamente borrosa, electrónico de imágenes. (A) Imagen
de forma que estos rnicrotúbulos aparecen con un diámetro de al menos 0,2 µrn, original no procesada. (B) Resultado
lo cual hace imposible distinguir un microtúbulo sencillo de un haz de varios final del proceso electrónico que
microtú bulos. incrementa marcadamente el
contraste y reduce el "ruido". A pesar
de que los microtúbulos únicamente
Gracias al microscopio de barrido confocal es posible obtener tienen 0,025 µm de diámetro, aparecen
imágenes de complejos objetos tridimensionales7 como unos filamentos más gruesos
debido a efectos de difracción. (Por
Como hemos visto, para poder observar un tejido al microscopio óptico conven- cortesía de Bruce Schnapp.)
cional, se ha de cortar en ~cciones; cuanto más finas sean las secciones
más definidas serán las imágenes. En el proceso de obtención de las secciones, sin
embargo, se pierde información respecto a la tercera dimensión. ¿Cómo enton-
ces se puede obtener una imagen de la arquitectura tridimensional de una célula
o de un tejido? ¿Cómo se puede ver la estructura tridimensional de una muestra
que por una u otra razón no puede haber sido previamente cortada en seccio-
nes? Si se observa una muestra fina con un microscopio óptico convencional, la
imagen obtenida al enfocar un nivel determinado resulta degradada y borrosa
por la información que queda fuera de foco de las zonas de la muestra situadas
encima y debajo del plano focal. A pesar de que este problema se puede superar
mediante complejos procesadores de imágenes aplicados a las imágenes de los
diferentes planos focales, el método resulta lento y costoso desde el punto de
vista informático. El microscopio de barrido confocal aporta otra solución, más
directa, para conseguir el mismo resultado final: utiliza métodos electrónicos de
imagen que permiten enfocar un plano escogido de una muestra fina eliminan-
do la luz que proviene de las zonas fuera de foco superiores e inferiores a este
plano. Así se obtiene una imagen rútida de una fina sección óptica. A partir de se-
ries de secciones ópticas de este tipo obtenidas a diferentes profundidades, ar-
chivadas en un ordenador, resulta sencillo reconstruir una imagen tridimensio-
nal. El microscopio de barrido confocal es para los microscopistas lo que la TAC
(tomografía axial computadorizada) de barrido fue (por diferentes razones) para

Observación de la estructura de las células con el microscopio 155

(Al (Cl ...o Figura 4-13 El mJcroscopio de
1,

diafragmJ!.§._-
00 - 8
.,
!!!
,,
barrido confocal de Ouorescencia.
Este simple diagrama muestra que la
disposición básica de los componentes
confocales
1
ópticos es similar a la del microscopio
de fluorescencia estándar mostrado en
la Figura 4-7, excepto en que en éste se
utiliza un láser para iluminar una
pequeña mancha de luz cuya imagen
A se enfoca en un solo punto de la
muestra (A). La fluorescencia emitida
) por este punto de la muestra se enfoca
en un segundo (confocal) diafragma
(B). La luz emitida por el resto de la
muestra 3-0
muestra no se enfoca en este
punto diafragma, por lo que no contribuirá a
de foco formar la imagen final (C). Mediante
un barrido de la mancha de luz por
una muestra fluorescente se ilumina la luz fluorescente la luz que procede del resto toda la muestra se obtiene una imagen
con un punto enfocado de luz emitida por el punto de puntos de ta muestra
procedente de un diafragma de la muestra está en están fuera de foco del bidimensional muy fina exactamente
foco, se enfoca en el diafragma, por lo que del plano de foco, la cual no está
diafragma y alcanza serán excluidos casi degradada significativamente por la
el detector completamente del detector
luz procedente de otras regiones de la
muestra.
los radiólogos para estudiar el cuerpo humano: ambos sistemas proporcionan
imágenes detalladas de secciones del interior de una estructura intacta.
Los detalles ópticos del microscopio de barrido confocal son complejos, pero
la idea básica es sencilla, como se ilustra en la Figura 4-13. Generalmente el mi-
croscopio utiliza una óptica fluorescente (véase Figura 4-7), pero en lugar de ilu-
minar toda la muestra a la vez, como se hace habitualmente, en cada instante el
sistema óptico enfoca un pequeño punto luminoso en una profundidad determi-
nada de la muestra. Se necesita una fuente de luz que produzca puntos luminosos
muy brillantes; habitualmente se utilizan fuentes láser cuya luz baya pasado a tra-
vés de un diafragma. La fluorescencia emitida por el material iluminado se recoge
y produce una imagen a la entrada de w1 detector de luz adecuado. Se coloca un
diafragma en el detector, en el lugar que es con/ocal con el punto luminoso -que
es precisamente donde los rayos luminosos emitidos por el punto iluminado de la
muestra están enfocados. Así, la luz de este punto de la muestra converge sobre
esta apertura y entra en el detector. Contrariamente, la luz que proviene de las re-
giones fuera del plano focal del punto luminoso también están fuera de foco en el
diafragma, por lo que resulta en gran manera excluida del detector (Figura 4-14).
Para obtener una imagen bidimersi?n; se recoge secuencialmente la informa-
ción de cada punto luminoso de p ano focal mediante un barrido por todo el
campo a observar (como ocurre en una pantalla de televisión) y se presenta en
Figura 4-14 Comparación entre la
mJcroscopia convencional y la
confocal. Estas dos micrografías
proceden del mismo embrión intacto
de Drosophila en estado de gtstrula,
teñido con una sonda fluorescente
para filamentos de actina. La imagen
convencional no procesada (Al resulta
borrosa debido a la presencia de
estructuras fluorescentes situadas por
encima y por debajo del plano focal.
En la imagen confocal (B) esta
información fuera de foco se ha
eliminado, resultando una bien
definida sección óptica de la célula del
embrión. (Por cortesía de Richard
Warn y Peter Shaw.)

156 Capítulo 4: Cómo se estudian las células

l

20 µm

una pantalla de vídeo. A pesar de que no se presenta en la Figura 4-13, el barrido Figura 4-15 Reconstrucción
se obtiene por reflexión del haz luminoso en un espejo oscilante situado entre el tridimensional a partir de imágenes
del microscopio de barrido confocal.
espejo dicroico y las lentes del objetivo de tal forma que el punto lwninoso y el
Los granos de polen, en este caso de
diafragma confocal del detector permanezcan estrictamente en registro. una pasionaria, tienen una pared
El microscopio de barrido confocal se ha utilizado para resolver las estructu- celular estructurada de forma muy
ras de numerosos objetos tridimensionales complejos (Figura 4-15), incluyendo compleja, que contiene compuestos
las redes de fibras del citoesqueleto del citoplasma y la disposición de los cro- fluorescentes. Las imágenes obtenidas
mosomas y de los genes en el núcleo. a diferentes profundidades del grano
utilizando un microscopio de barrido
confocal se pueden combinar
El microscopio electrónico resuelve la estructura ftna de la célulaª obteniéndose una imagen
La relación entre el límite de resolución y la longitud de onda de la luz que se utili- tridimensional del grano de polen
za para ilwninar la muestra (véase Figura 4-4) es cierta para cualquier forma de ra- completo, como se muestra a la
diación, con independencia de que sea un haz de luz o w1 haz de electrones. Sin derecha. A la izquierda se presentan
embargo, en el caso de los electrones el ICmite de resolución puede hacerse muy algunas secciones ópticas individuales
de un total de 30, cada una de las
pequeño. La longitud de onda de un electrón disminuye a medida que aumenta su
cuales contribuye ligeramente a
velocidad. En un microscopio electrónico que tenga un voltaje de aceleración de
formar la imagen final. (Por cortesía de
100 000 voltios, la longitud de onda de un electrón es de 0,004 nm, de forma que John White.)
en teoría, la resolución de un microscopio de este tipo sería de aproximadamente
0,002 nm, lo cual es unas 10 000 veces mayor que la de un microscopio óptico. Sin
embargo, debido a que las aberraciones de las lentes electrónicas son mucho más
difíciles de corregir que las de las lentes de cristal, el poder de resolución real de la
mayoría de los microscopios electrónicos actuales es, en el mejor de Jos casos, de
0,1 nm (1 A) (Figura 4-16). Además, los problemas de preparación de la muestra,
de contrastado y de lesión por la radiación, limitan claramente la resolución nor-
mal para los objetos biológicos a unos 2 run (20 A), unas 100 veces mayor a la reso-
lución de un microscopio óptico. En la Tabla 4-2 se resumen algunos de los hitos
históricos en el desarrollo de la microscopia electrónica.
El microscopio electrónico de transmisión (TEM, de Transmission Electron
Microscope) es, en sus rasgos generales, parecido a un microscopio óptico, aun-
que es de mayor tamaño e invertido (Figura 4-17). La fuente de iluminación es
un filamento o cátodo situado en la parte superior de una columna cilíndrica de
unos dos metros de altura, que emite electrones. Puesto que los electrones son
dispersados al colisionar cqn las moléculas del aire, se ha de extraer el aire de la
columna, para producir el vacío en ella. A continuación, los electrones son ace-
lerados desde el filamento mediante un ánodo, que pueden atravesar a través de
un diminuto orificio, y forman un haz de electrones que se dirige hacia la parte
inferior de la columna. Unas bobinas magnéticas situadas a intervalos a lo largo
Figura 4-16 Límite de resolución del
de la columna enfocan el haz de electrones, como las lentes enfocan la luz en un microscopio electrónico.
microscopio óptico. La muestra se coloca en el vacío de la columna a través de Electrorunicrografía de una fina capa de
una antecámara de compresión, y se sitúa en el camino del haz de electrones. oro, en la que los átomos individuales
Como en el caso del microscopio óptico, normalmente la muestra se contrasta; aparecen como manchas brillantes. La
en este caso mediante un material electrodenso, como veremos en la sección si.- distancia entre los átomos de oro
guiente. Algunos de los electrones que atraviesan la muestra son dispersados adyacentes es de unos 0,2 nm (2 A).
por estructuras contrastadas con el material electrodenso; el resto de electrones (Por cortesía de Graham Hills.)

Observación de la estructura de.tas células con el microscopio 157

Tabla 4-2 Principales acontecimientos en la evolución del microscopio
electrónico y de su aplicación a la biología celular
1897 J.J. Thomson anunció la existencia de partículas cargadas negativamente, más
tarde denominadas electrones.
1924 de Broglie propuso que un electrón en movimiento tiene un comportamiento
ondulante.
1926 Busch demostró que era posible enfocar un haz de electrones utilizando una
lente magnética cilíndrica. Así estableció los fundamentos de la óptica
electrónica.
1931 Ruska y colaboradores construyeron el primer microscopio electrónico de
transmisión.
1935 Knoll demostró que era posible construir un microscopio electrónico de
barrido. Tres años más tarde, Von Ardenne construyó un prototipo.
1939 Siemens construyó el primer microscopio electrónico de transmisión comercial.
1944 Willlams y Wyckoff introdujeron la técnica de la metalización de las muestras.
1945 Porter, Claude y Fullan utilizaron el microscopio electrónico para observar
células cultivadas, después de fijarlas y contrastarlas con OsO4 •
1948 Pease y Baker obtuvieron cortes finos (0,1-0,2 µrn de grosor) de material
biológico.
1952 Palade, Porter y Sjostrand desarrollaron métodos de fijación y de obtención de
cortes ultrafinos que permitieron observar por primera vez muchos
orgánulos intracelulares. En una de las primeras aplicaciones de estas
técnicas, H.E. Huxley demostró que el músculo esquelético contiene
ordenaciones superpuestas de filamentos proteicos, apoyando así la
hipótesis de los "filamentos deslizantes" de la contracción muscular.
1953 Porter y Blum disefiaron el primer ultramicrótomo que fue ampliamente
aceptado, incorporando muchas de Las características introducidas con
anterioridad por Claude y Sjostrand.
1956 Glauert y colaboradores demostraron que la resina epoxi Araldite era un medio
de inclusión altamente eficaz para la microscopia electrónica. Cinco años
más tarde, Luft introdujo otra resina Epon para la inclusión.
1957 Robertson describió la estructura trilaminar de la membrana celular,
observada por primera vez al microscopio electrónico.
1957 Las técnicas de criofractura desarrolladas inicialmente por Steere fueron
perfeccionadas por Moor y Mühlethaler. Más tarde (1966). Branton
demostró que la criofractura permite visualizar el interior de la membrana.
1959 Singer utilizó anticuerpos acoplados a ferritina para detectar moléculas de la
célula al microscopio electrónico.
1959 Brenner y Home desarrollaron la técnica de la tinción negativa, inventada
cuatro años antes por Hall, convirtiéndola en una técnica de aplicación
rutinaria para visualizar virus, bacterias y filamentos proteicos.
1963 Sabatini, Bensch y Barrnett introdujeron el glutaraldehído (generalmente
seguido de OsO4 ) como fijador más utilizado en microscopia electrónica.
1965 Cambridge lnstruments construyó el primer microscopio electrónico de
barrido, de tipo comercial.
1968 de Rosier y Klug describieron las técnicas para la reconstrucción de las
estructuras tridimensionales a partir de micrografías electrónicas.
1975 Hef\derson y Unwin determinaron por prin1era vez la estructura de una
proteína de membrana mediante reconstrucción por ordenador de
micrografías electrónicas de muestras no tefiidas.
1979 Heuser, Reese y colaboradores desarrollaron una técnica de grabado profundo
con una alta resolución, basada en una congelación muy rápida.

son enfocados formando una imagen -de una manera análoga a como se forma
la imagen en el microscopio óptico- sobre una placa fotográfica o sobre una
pantalla fluorescente. Puesto que los electrones que han sido dispersados han
desaparecido del haz, las regiones densas de la muestra aparecen como áreas de
un flujo bajo de electrones, que aparecen negras.

158 Capítulo 4: Cómo se estudian las céluJas

 filamento Figura 4-17 Características
V;-- incandescente --V; principales de un microscopio óptico,
(fuente de electrones)
de un microscopio electrónico de
- lentes condensador transmisión y de un microscopio
electrónico de barrido. El dibujo pone
de relieve las similitudes generales del
diseño de estos tipos de microscopios.
lentes objetivo - Mientras que las lentes del
microscopio óptico son de vidrio, las
del microscopio electrónico son
muestra bobinas magnéticas. Los dos tipos de
IMAGEN
lente SOBRE UNA
microscopios electrónicos requieren
__.-r..____- ocular lente PANTALLA que la muestra se coloque en el vacío.
proyector

detector H O
IMAGEN IMAGEN SOBRE " e-1'
OBSERVADA UNA PANTALLA 1
DIRECTAMENTE FLUORESCENTE CH2
1
CH2
MICROSCOPIO MICROSCOPIO ELECTRÓNICO M ICROSCOPIO ELECTRÓNICO 1
ÓPTICO DE TRANSMISIÓN DE BARRIDO CH2
1

e
O-1' "H

Para poder ser estudiadas al microscopio electrónico, las glutaraldehído tetróxido de osmio
muestras biológicas requieren una preparación especial9
Figura 4-18 Dos fijadores químicos
En los primeros tiempos de su aplicación a materiales biológicos, el microscopio que se utilizan habitualmente en
electrónico reveló la existencia en las células de una gran cantidad de estructu- microscopia electrónica. Los dos
ras inimaginables. Sin embargo, antes de que se pudieran hacer estos descubri- grupos reactivos aldehído del
mientos, los especialistas en microscopia electrónica tuvieron que desarrollar glutaraldehído le permiten establecer
nuevos procedimientos de inclusión, de corte y de tinción de los tejidos. enlaces cruzados entre diversos tipos
Puesto que las muestras para microscopia electrónica han de ser expuestas de moléculas, formanqo uniones
covalentes entre ellos. El tetróxido de
a un vacío muy intenso, no es posible la observación de las muestras vivas y hú-
osmio es reducido por numerosos
medas. Normalmente los tejidos son protegidos por fijación - primero con glu-
compuestos orgánicos con los que
taraldeh(do, que une covalentemente las moléculas proteicas a sus vecinas, y forma complejos mediante puentes
después con tetróxido de osmio, que une y estabiliza las bicapas lipídicas y tam- cruzados. Resulta especialmente útil
bién las proteínas (Figura 4- 18). Puesto que los electrones tienen un poder pe- para la fijación de las membranas
netrante muy limitado, normalmente los tejidos fijados son cortados en seccio- celulares, ya que reacciona con los
nes extremadamente finas (de 50 a 100 nm de espesor - aproximadamente 1/200 dobles enlaces C= C existentes en
del espesor de una célula) antes de poder observarlos. Esto se logra deshidra- muchos ácidos grasos.
tando la muestra e infiltrándola con una resina monomérica que polimeriza for-
mando un bloque sólido de plástico; el bloque se puede cortar mediante una
cuchilla de vidrio o de diamante, en un micrótomo especial (ultrarnicrótomo).
rejilla de cobre recubierta con una
Estas secciones ultraftnas, libres de agua y de otros solventes volátiles, se reco- película de carbono y/o de plástico
gen sobre una pequefia rejilla metálica circular para observarlas al microscopio
cinta de cortes seriados
(Figura 4-19). ultrafinos _¡le una muestra
En el microscopio electrónico, el contraste depende del número atómico de
los átomos de la muestra: cuanto más elevado sea el número atómico mayor nú-
mero de electrones serán dispersados y, por lo tanto, mayor será el contraste obte- • 1r111111 111111111 •
nido. Las moléculas biológicas están compuestas por átomos de número atómico
muy bajo (fundamentalmente de carbono, oxigeno, nitrógeno e hidrógeno). Para l---3mm- . ¡
hacerlas visibles, normalmente se contrastan (antes o después de seccionarlas)
con sales de metales pesados tales como el osmio, el uranio y el plomo. Los dife- Figura 4-19 Esquema de una rejilla
rentes componentes celulares aparecerán con diferentes grados de contraste, en de cobre utilizada como soporte de
función de su diferente intensidad de contrastado "de tefiido" con estas sales. Los los cortes ultrafinos de una muestra,
lípidos, por ejemplo, tienden a contrastarse de oscuro con el osmio, revelando así en la microscopia electrónica de
la localización de las membranas celulares (Figura 4-20). transmisión.

Observación de la estructura de las células con el microscopio 159

 pared
celular

mitocondria

plasto
vacuola

núcleo

ribo somas

retículo
Complejo endoplasmático
de Golgi

10 µm

En algunos casos, en secciones ultrafinas se pueden localizar determinadas Figura 4-20 Sección ultraflna de una
macromoléculas mediante técnicas adaptadas de la microscopia óptica. Ciertas célula apical de la raíz de una
enzimas celulares pueden ser detectadas incubando la muestra con un substrato gramfuea, contrastada con osmio y
cuya reacción conduzca al depósito local de un precipitado denso a los electro- otros iones de metales pesados. Se
observan fácilmente la pared celular,
nes (Figura 4-21). Alternativamente, como veremos en las págs. 197-198, dife-
el núcleo, las vacuolas, las
rentes anticuerpos pueden acoplarse a una enzima indicadora (normalmente
mitocondrias, el retículo
endoplasmático, el complejo de Golgi
y los ribosomas. (Por cortesía de Brian
Gunning.)

Figura 4·21 Electronmicrografía de

una célula, mostrando la localización
de una determinada enzima (la
nucleóddo difosfatasa) en el
complejo de Golgi. Una sección
ultrafina de la célula se incubó con un
substrato que, al reaccionar con la
enzima, formó un precipitado
electrodenso. (Por cortesía de Daniel S.
Friend.)

160 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

perox:idasa) o a una molécula densa a los electrones (normalmente pequeñas es-
feras de oro metálico, denominadas partículas de oro coloidal) y ser utilizados
para localizar las macromoléculas que reconocen (véase Figura 4-63).

Mediante la microscopia electrónica de barrido se pueden

obtener imágenes tridimensionales!º
Efectivamente, las secciones ultrafinas son cortes bidimensionales de un tejido y
no revelan la disposición tridimensional de los componentes celulares. Aunque
la tercera dimensión puede ser reconstruida a partir de cientos de secciones se-
riadas (Figura 4-22), ello supone un proceso largo y tedioso.
Afortunadamente existen sistemas más directos de obtener una imagen tri-
dimensional. Uno de estos sistemas consiste en examinar las muestras con un
microscopio electrónico de barrido (SEM, de Scanning Electron Microscope).
que suele ser más pequeño y sencillo que el microscopio electrónico de transmi-
sión. Mientras que el microscopio electrónico de transmisión utiliza los electro- Figura 4-22 Reconstrucción
nes que han atravesado la muestra, el microscopio electrónico de barrido utiliza tridimensional a partir de secciones
los electrones dispersados o emitidos a partir de la superficie de la muestra. La seriadas. A menudo las secciones
muestra a examinar se fija, se seca y se recubre con una capa delgada de un me- ultrafinas individuales conducen a
impresiones erróneas. En este
tal pesado. A continuación la muestra es barrida por un haz focalizado de elec-
ejemplo, la mayoría de las secciones
trones. La cantidad de electrones dispersados o emitidos cuando este haz pri-
de una célula que contiene una
mario bombardea consecutivamente cada uno de los puntos de la superficie mitocondria ramificada parecen
metálica es medido y utilizado para controlar la intensidad del segundo haz, que contener dos o tres mitocondrias
se mueve sincrónicamente con el haz primario y forma una imagen sobre una diferentes. Además, a partir de las
pantalla de televisión. De esta manera se construye una imagen completa y muy secciones 4 y 7 se podría deducir que
ampliada de la superficie de la muestra. una mitocondria se halla en el proceso
La técnica de SEM proporciona una tremenda profundidad de foco; ade- de división. Sin embargo, a partir de
más, debido a que el grado de dispersión de los electrones depende del ángulo los cortes seriados se puede
relativo entre el haz y la superficie, la imagen tiene puntos brillantes y sombras reconstruir la verdadera forma
oscuras que Je confieren un aspecto tridimensional (Figura 4-23). Sin embargo tridimensional.
solamente se pueden examinar detalles superficiales, y en la mayoría de mode-

Figura 4-23 Microscopia electrónica

de barrido. Electronmicrografía
obtenida con un microscopio de
barrido, mostrando la disposición
cónica que adoptan los estereocilios
que se proyectan desde la superficie de
las células ciliadas del oído interno (Al.
Para comparar, la misma estructura se
muestra observada por microscopia
óp tica de contraste de fases
interferencia! (B) y por microscopia
electrónica de sección fina (C). (Por
cortesía de Richard Jacobs y James
Hudspeth.)

1µm 5µm

Observación de la estructura de las células con el microscopio 161

los de SEM la resolución alcanzable no es muy elevada (aproximadamente 10 nm,
-
con un aumento efectivo de hasta 20 000 veces); por consiguiente, esta técnica
se utiliza para estudiar células enteras o tejidos y no orgánulos celulares (véase
Figura 4-32).

El sombreado metálico permite el examen a alta resolución

de detalles superficiales, mediante el microscopio electrónico
de transmisión 11 100 nm
Figwa 4-24 ElectronmJcrograffas de
El microscopio electrónico de transmisión puede ser utilizado para estuctiar la
moléculas aisladas de la proteína
superficie de una muestra - y generalmente a mayor resolución que en un mi- mioslna que han sido sombreadas
croscopio electrónico de barrido- de forma que pueden verse macromoléculas con platino. La miosina es uno de los
individuales. Al igual que para la microscopia electrónica de barrido, sobre la componentes principales del aparato
muestra seca se evapora una fina película de un metal pesado, como el platino. contráctil del músculo; como se
El metal se vaporiza desde un ángulo oblicuo de manera que se forma una capa muestra aquí, se compone de dos
que en algµno,s lugares es más gruesa que en otros - un proceso conocido como cabezas globulares unidas por un tallo
sombreado porque se crea un efecto de sombras que da una imagen con apa- común. (Por cortesía de Arthur Elliot.)
riencia trictimensional.
Algunas muestras cubiertas de esta manera son suficientemente finas o sufi-
cientemente pequefias para que el haz de electrones penetre en ellas directamen-
te; éste es el caso de las moléculas, los virus y las paredes celulares (Figura 4-24). muestra

Pero para el caso de las muestras más gruesas, el material orgánico ha de ser eli-
soporte
minado por disolución después del sombreado, de forma que tan sólo quede la
fina réplica metálica de la superficie de la muestra. La réplica se refuerza con una
película de carbono para que pueda ser colocada en una rejilla y examinada al
microscopio electrónico de transmisión de la manera habitual (Figura 4-25).
el metal pesado evaporado de
un filamento "sombrea"
la muestra
La microscopia electrónica de criofractura y la de grabado
por congelación proporcionan una nueva visión
del interior celular12
Otros dos métodos que utilizan réplicas metáHcas han sido particularmente úti-
les en la biología celular. Uno de ellos, el de la microscopia electrónica de crio-
película protectora de carbono evaporada
fractura, constituye un sistema de visualizar el interior de las membranas celu- encima de la muestra
lares. Las células se congelan a la temperatura del nitrógeno líquido (-196°C) en
presencia de un crioprotector (un anticongelante) para impectir la ctistorsión pro-
vocada por la formación de cristales de hielo, y el bloque se fracciona con la hoja
l l
de una cuchilla. A menudo, el plano de fractura pasa a través del centro hidrofó-
3
bico de las bicapas lipídicas, exponiendo así el interior de las membranas celula-
res. Las caras de fractura resultantes se metalizan con platino, y las réplicas se
la réplica se coloca sobre la superficie
observan al microscopio electrónico (como en la Figura 4-25). Estas réplicas es- de un potente disolvente a fin de
tán llenas de pequefi.as protuberancias, llamadas partículas intramembrana, eliminar la muestra
que corresponden a grandes proteínas de la membrana. Esta técnica proporcio-
na una vía adecuada y espectacular para visualizar la distribución de este tipo de
proteínas en el plano de la membrana (Figura 4-26).
Otro método importante de réplica es la microscopia de grabado por conge-
lación (freeze-etch), que puede ser utilizado para examinar tanto el interior
como el exterior de las células. En esta técnica las células también se congelan
muy rápidamente -utilizando por ejemplo un ctispositivo especial para colocar la la réplica se lava y recoge con una rejilla
de cobre para su examen microscópico
muestra contra un bloque de cobre congelado por ejemplo con helio liquido-y el
bloque congelado se fragmenta con la hoja de una cuchilla, como acabamos de
describir. Pero en este caso el nivel de hielo ctisminuye alrededor de las células (y
5
en menor medida dentro de las células) mectiante la sublimación del agua en el
vacío a medida que aumenta la temperatura (un proceso denominado deshidra- Figura 4-25 Preparación de una
tación por congelación) (Figura 4-27). Las zonas de la célula expuestas a este pro- réplica metalizada de la superficie de
ceso de grabado son sombreadas como antes, para conseguir una réplica de pla- una muestra. Obsérvese que el grosor
tino. Esta técnica expone estructuras del interior de la célula y puede revelar su del metal refleja los contornos de la
organización tridimensional con una claridad excepcional (Figura 4-28). superficie de la muestra original.

162 Capítulo 4: Cómo se estudian las células

 Figura 4-26 Electrorunicrografía de
una criofractura de la membrana del
tilacoide de un cloroplasto de una
célula vegetal. Las membranas del
tilacoide, que llevan a cabo la
fotosíntesis, se encuentran apiladas en
múltiples capas (véase Figura 14-39).
El plano de fractura se ha desplazado
de capa a capa, p asando a través de
cada bicapa lipídica y exponiendo las
proteínas transmembrana que tienen
un tamafio en el interior de la bicapa
suficiente para hacer sombra y
aparecer como partículas
intramembrana en esta réplica de
platino. Las partículas mayores que se
aprecian en la membrana son el
fotosistema Jl completo - un complejo
de múltiples proteínas. (Por cortesía
de LA. Staehelin.)

L_J
0,1 µm

Puesto que lo que se observa al microscopio son las réplicas metálicas sombrea-
das y no las propias muestras, ambos métodos, la criofractura y el sombreado por
congelación, pueden utilizarse para estudiar células congeladas sin fijar, evitándose
pues el riesgo de obtener artefactos producidos por el proceso de la fijación. Figura 4-27 La microscopia
electrónica por criofractura. La
muestra es rápidamente congelada y el
La tinción negativa y la microscopia crioelectrónica permiten
bloque de hielo es fracturado con una
observar macromoléculas a alta resolución13 cuchilla (A). Entonces, el nivel de hielo
Aunque las macromoléculas aisladas, tales como el DNA o las grarides proteínas, se reduce por sublimación del agua en
pueden ser fácilmente visualizadas con el microscopio electrónico si se vaporizari el vacfo, de forma que las estructuras
con un metal pesado para darles contraste (véase Figura 4-24), se pueden visuali- de la célula qµe se encuentran cerca
del plano de fractura quedan al
zar sus detalles finos utilizando tinción negativa. En este caso, Jas moléculas co-
descubierto (B). A continuación, se
locadas sobre una fina película de carbón (que resulta casi trarisparente a los prepara una réplica de la superficie
electrones), se lavan con una solución concentrada de una sal de un metal pesa- todavía congelada (tal como se
do, como el acetato de uranilo. Una vez seca la muestra, una película muy fina de describe en la Figura 4-25) y se
la sal metálica cubre la película de carbón por todas partes excepto por donde ha examina al microscopio electrónico de
sido excluida debido a la presencia de una macromolécula adsorbida. Puesto que transmisión.

(A) FRACTURA las dos caras de fractura de la (B) GRABADO

membrana externa de la envoltura
nuclear

part/cula superficie externa de la

membrana plaS,l)""lática y

. .,r
hielo grabado intermembrana
del orgánulo rodeado de
membrana
citoplas

'

t;-.;:~•s;;;;;;::;:;;:;;:~ ~~~

Observación de la estructura de las células con el microscopio 163

 Figura 4-28 Ordenaci6n regular de
los ffiamentos proteicos de un
mtisculo de Insecto. Para obtener esta
imagen, las células musculares fueron
rápidamente congeladas en helio
líquido, fracturadas a través del
citoplasma y sometidas a grabado
profundo. Luego, se preparó una
réplica metalizada que se examinó a
gran aumento. (Por cortesía de Roger
Cooke y John Heuser.)

0,1 µm

la macromolécula permite que los electrones pasen mucho más fácilmente que a
través del metal pesado circundante, se crea una imagen inversa o negativa de la
macromolécula. La tinción negativa es especialmente útil para visualizar grandes
agregados macromoleculares, tales como virus o ribosomas, y para observar la
estructura en subunidades de los filamentos proteicos (Figura 4-29).
Tanto la tinción negativa como el sombreado son capaces de proporcionar
visiones de alto contraste de la superficie de pequeños conjuntos macromolecu-
lares; ambas técnicas, sin embargo, tienen una resolución limitada por el tama-
fio menor de las partículas metálicas utilizadas en el sombreado o en la tinción.
Métodos más recientes proporcionan una alternativa que ha permitido la visua-
lización directa a alta resolución de incluso las características internas de estruc-
turas tridimensionales tales como los virus. En esta técnica, llamada microsco-
pia crloelectrónica, sobre una rejilla de microscopia se prepara una capa muy
delgada (~ 100 nm) de muestra hidratada que es rápidamente congelada. Se re-
quiere un porta-objetos especial para colocar esta muestra a - 160ºC en el vacío
del microscopio, donde puede ser visualizada directamente sin necesidad de fi-
jación, tinción, o secado. La homogeneidad de la capa de agua vitrificada y la
utiUzación del contraste de fases bajo foco permite la obtención de imágenes
sorprendentemente claras de estas muestras no fijadas (Figura 4-30).
Independientemente del método utilizado, al microscopio electrónico una
molécula de proteína únicamente da una imagen, débil y poco definida. El inten-
to de obtener una mejor información prolongando el tiempo de inspección o la
intensidad de iluminación resulta contraproducente, ya que con ello se daña el
objeto a examinar. Por consiguiente, para descubrir los detalles de la estructura

Figura 4-29 ElectronmJcrogra.ffa de

ffiamentos de actlna por tlnci6n
negativa. Cada filamento tiene
aproximadamente 8 nm de diámetro y,
al examinarlo detenidamente, se
observa que está formado por una
cadena helicoidal de moléculas
globulares de actina. (Por cortesla de
Roger Craig.)

164 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

 Flgura 4-30 Microscopia electrónica
de un virus. (Al Virus Semliki forest no
tefüdo en un capa fina de agua
vitrificada, observado al microscopio
crioelectrónico a - l60°C. Como en
microscopia óptica, el contraste de
fases se puede utilizar para obtener
una imagen de una muestra no teñida.
Mediante métodos de procesamiento
de imágenes se puede combinar un
gran número de estas imágenes
produciendo una imagen
tridimensional de alta resolución.
(Por cortesía de Stephen Fuller.)

(Al (B)

molecular es necesario combinar la información obtenida de muchas moléculas

con el fin de eliminar los errores aleatorios de la imágenes individuales. Esto es
posible para virus o filamentos proteicos, en los que las subunidades individuales
se presentan ordenadas de forma regular y repetida; también es posible para
cualquier substancia que pueda formar ordenamientos cristalinos en dos dimen-
siones en los que una gran cantidad de moléculas presenten una orientación
idéntica y posiciones espaciales regulares. Sobre una microfotografía de un orde-
namiento de cualquier tipo se pueden aplicar las técnicas de procesamiento de
imágenes para obtener la imagen media de una molécula indiv:i.dual, revelando
así detalles oscurecidos por el "ruido" aleatorio de la fotografía original.
Este sistema de reconstrucción de imágenes ha permitido obtener con una
resolución de 3,5 run la estructura interna de virus recubiertos y obtener la forma
de una molécula individual de proteína a la extraordinaria resolución de 0,35 nm
(véase Figura 10-31). Sin embargo, la microscopia electrónica, incluso en sus for-
mas más sofisticadas, no consigue obtener una descripción completa de la es-
tructura molecular, ya que los átomos en una molécula están separados por dis-
tancias de tan sólo 0,1 o 0,2 nm. Para resolver la estructura molecular a detalle
atómico, se necesita otra técnica que utilice rayos X en lugar de electrones.

Resumen
Actualmente di.sponemos de muchas técnicas de microscopia óptica que nos per-
miten la observación de las células. Las células que han sido fijadas y teñidas se
pueden estudiar al microscopio óptico convencional, mientras que para localizar
moléculas especificas en las células se pueden utilizar anticuerpos marcados y es-
tudiar su localización mediante el microscopio de fluorescencia. El microscopio de
barrido co11focal proporciona finas secciones ópticas y puede utilizarse para re-
construir imágenes tridimensionales. Las células vivas se pueden observar utilizan-
do técnicas de contraste de fases, contraste de fases interferencial o ópticas de cam-
po oscuro. Todos los tipos de microscopia óptica son más fáciles utilizando técnicas
electrónicas de procesamiento de imágenes, las cuales amplifican la sensibilidad e
incrementan la resolución.
Para determinar la estructura detallada de las membranas y de los orgánulos
celulares se requiere una resolución mayor, la cual se puede alcanzar con el micros-
copio electrónico de transmi.sión. Se pueden obtener imágenes tridimensionales de
las superficies de células y tejidos mediante microscopia electrónica de barrido,
mientras que el interior de las membranas y de las células puede observarse, respec-
tivamente, mediante la criofractura y la microscopia de grabado por congelación.
También pu~de vi.sualizarse fácilmente la forma de macromoléculas aisladas, si
han sido previamente sombreadas con un metal pesado o co,itorneadas por tinción
negativa, utilizando la microscopia electrónica.

Observación de la estructura de las células con el microscopio 165

Aislamiento y crecimiento de células en cultivo 14
A pesar de que al microscopio pueden observarse las estructuras de los orgánu-
los y de las macromoléculas de la célula, la comprensión molecular de la célula
requiere un análisis bioquímico detallado. Desgraciadamente los procedimien-
tos bioquímicos requieren gran cantidad de células y siempre empiezan rom-
piéndolas. Si la muestra es un trozo de tejido, se mezclarán ent;re sí fragmentos
de todas sus células y si, como ocurre en la mayoría de los casos, el tejido tenía
células de varios tipos diferentes, se originará una gran confusión. Con el objeto
de preservar toda la información que sea posible sobre cada uno de los tipos ce-
lulares, los biólogos celulares han desarrollado técnicas de disociación de célu-
las a partir de los tejidos y de separación de los distintos tipos celulares. Como
resultado de estas técnicas, pueden analizarse poblaciones relativamente homo-
géneas de células -ya sea directamente o después de que su número se haya in-
crementado notablemente permitiendo que las células proliferen en cultivo.

Las células de un tejido pueden ser aisladas y separadas

en diversos tipos celulares15
El primer paso del aislamiento de células a partir de un tejido que contiene una
mezcla de tipos celulares consiste en romper la matriz extracelular y las uniones
intercelulares que mantienen unidas entre si las células. Normalmente las mejo-
res recuperaciones de células disociadas viables son las obtenidas de tejidos fe-
tales o neonatales, típicamente tratándolos con enzimas proteolitícas (como la
tripsina y la colagenasa) y con agentes (como el ácido etilendiarnín tetraacético
o EDTA (de ethylendiamintetraacetic acid)] que une, o quela, el Ca2• del que de-
pende la adhesión célula-célula. Entonces, los tejidos pueden ser disociados en
células individuales y viables, mediante agitación suave.
Para separar los diferentes tipos celulares a partir de una suspensión celular
mixta se utilizan dJversos métodos. Uno de ellos consiste en aprovechar las dife-
rentes propiedades físicas de las células. Por ejemplo, las células grandes pue-
den separarse de las pequeñas y las células densas de las ligeras, mediante cen-
trifugación. Estas técnicas se describirán al hablar de la separación de orgánulos
y de macromoléculas, para lo cual fueron desarrolladas originalmente. Otra
aproximación se basa en la tendencia de algunos tipos celulares a adherirse
fuertemente al cristal o al plástico, lo cual permite separarlas de células que se
adhieran menos fuertemente.
Una mejora importante de esta última técnica depende de las propiedades
específicas de unión de los anticuerpos. Los anticuerpos que se unen específica-
mente a la superficie de un solo tipo celular de un tejido pueden acoplarse a va-
rios tipos de matrices -como colágeno, esferas de polisacáridos o plástico- for-
mando una superficie de afinidad a la que únicamente se unirán las células
reconocidas por los anticuerpos. Las células unidas se recuperan más tarde
mediante agitación suave, mediante el tratamiento con tripsina para digerir las
proteínas que median la adhesión, o, en el caso de matrices digeribles (como la
colágena), mediante la degradación de la propia matriz con enzimas (como la
colagenasa).
La técnica más sofisticada de separación celular se basa en el marcaje espe-
cífico de las células con anticuerpos acoplados a un colorante fluorescente y
posterior separación de las células marcadas de las no marcadas mediante un
clasificador celular activado por fluorescencia. En este aparato las células pa-
sa!) en "fila india" a través de un haz láser determinándose la fluorescencia de
cada célula. Un poco más adelante de la corriente de células, una boquilla vibra-
toria forma dJrninutas gotitas, la mayoría de las cuales contienen una o ninguna
célula. Las gotitas que contienen una sola célula reciben automáticamente una
carga eléctrica positiva o negativa en el momento de formarse, dependJendo de
si la célula es fluorescente o no lo es; a continuación, las gotitas son desviadas
por un intenso campo eléctrico hacia un contenedor apropiado. Los grupos de

166 Capítulo 4: Cómo se estudian las células

 boquilla de vibrador Figura 4-31 Seleccionador de células
ultrasónico activado por fluorescencia.
Cuando una célula pasa a través del
rayo láser, es seleccionada de acuerdo
con su fluorescencia. Las gotitas que
contienen una sola célula reciben una
carga negativa o positiva, según sea la
célula fluorescente o no. Luego, las
gotitas son desviadas mediante un
campo eléctrico, en función de su
carga, hacia los tubos de recogida.
lásér Téngase en cuenta que la
concentración celular debe ser tal que
pequeño grupo de gotas la mayoría de las gotitas no contengan
cargadas negativamente - {- ninguna célula; la mayor parte de las
debido a la detección - gotitas, pues, fluirán al contenedor
de una célula fluorescente pequeños grupos de
gotas cargadas residual, junto con las gotitas que
t - - - -- positivamente debido contengan más de una célula. Este
a la detección de una

o- célula no fluorescente mismo aparato se puede utilizar

+2000 V también para separar cromosomas
marcados con fluorescencia de otros
no marcados, proporcionando un
valioso material de partida para el
aislamiento y mapaje de genes.

frasco para gotas no desviadas

células que se forman ocasionalmente son detectados por su mayor dispersión

de luz y no reciben carga, de forma que caen en un contenedor residual. Estas
máquinas pueden seleccionar 1 célula entre 1000 y clasificar unas 5000 células
por segundo (Figura 4-31).
Cuando, mediante alguno de los métodos mencionados, se ha obtenido una
población uniforme de células, esta población puede utilizarse directamente
para análisis bioquímicos. Alternativamente, esta población celular constituye
un material de partida adecuado para el cultivo celular, permitiendo estudiar el
complejo comportamiento de las células bajo las condiciones estrictamente de-
finidas de una placa de cultivo.

Las células pueden cultivarse en una placa de cultivo 16

La mayoría de tipos celulares tanto vegetales como animales sobreviven, se mul-
tiplican e incluso expresan propiedades diferenciales en una placa de cultivo en
condiciones adecuadas. Las células pueden visualizarse al microscopio o anali-
zarse bioqufmicamente, y se pueden estudiar los efectos de la adición o elimina-
ción de moléculas determinadas tales como hormonas o factores de crecimien-
to. Además, en cultivos mixtos pueden estudiarse las interacciones entre un tipo
celular y otro. A menudo se dice que los experimentos con células cultivadas han
sido realizados in vitro (literalmente "en vidrio") para diferenciarlos de los ex-
perimentos realizados en organismos intactos, que se dice que han sido realiza-
dos in vivo (literalmente "en el organismo vivo"). Estos dos términos pueden re-
sultar confusos porque a menudo se utilizan en un sentido diferente por los
bioquímicos, para los que in vitro se refiere a las reacciones bioquímicas que se
producen fuera de la célula mientras que in vivo se refiere a cualquier reacción
que se produce dentro de una célula viva.

Aislamiento y crecimiento de células en cultivo 167

 El cultivo de tejidos empezó en 1907 con un experimento destinado a finaJi-
zar una controversia de la neurobiología. La hipótesis que se examinaba era co-
nocida bajo el nombre de teoría neuronal, la cuaJ afirmaba que cada fibra ner-
viosa es una prolongación de una sola célula nerviosa y no el producto de la
fusión de varias células. Para dilucidar esta polémica se colocaron pequeños
fragmentos de médula espinal en plasma coagulado en una cámara húmeda y
caliente y se observaron al microscopio a intervalos regulares de tiempo. Al cabo
de un día más o menos, se pudo observar que las distintas células nerviosas emi-
tían prolongaciones largas y finas hacia el plasma coagulado. De esta manera
quedó demostrada la teoría neuronal y se establecieron las bases de la revolu-
ción del cultivo celular.
Los experimentos originales de 1907 implicaban el cultivo de pequeños
fragmentos de tejido, o explantes. En la actualidad, los cultivos se preparan ha-
bitualmente a partir de suspensiones de células obtenidas por disociación de te-
jidos, como se ha descrito más arriba. A diferencia de las bacterias, la mayor par- LJ
10 µm
te de las células de los tejidos no están adaptadas a crecer en suspensión, de
forma que necesitan una superficie sólida sobre la que poder crecer y dividirse. Figura 4-32 Células en cultivo.
Actualmente este soporte lo constituye una superficie de plástico de una placa Electrorunicrografía de barrido de
de cultivo (Figura 4-32). Sin embargo distintos tipos celulares tienen requeri- fibroblastos de rata creciendo sobre
mientos diferentes, de forma que algunos de ellos no crecen o no se diferencian una superficie plástica en cultivo de
tejidos. (Por cortesía de Guenter
a menos que la placa de cultivo esté recubierta de componentes de matriz extra-
Albrecht-BuehJer.)
celular, como el colágeno o la laminina.
Los cultivos preparados directamente a partir de los tejidos de un organis-
mo, con o sin fraccionamiento previo, reciben el nombre de cultivos primarios.
En la mayoría de los casos, las células de los cultivos primarios pueden recupe-
rarse de la placa de cultivo y utilizarse para formar un gran número de cultivos
secundarios. De esta forma las células pueden ser subcultivadas repetidamente
durante semanas o meses. A menudo estas células muestran propiedades dife-
renciadas típicas de sus orígenes: los fibroblastos continúan segregando coláge-
no; las células derivadas del músculo esquelético embrionario se fusionan for-
mando fibras musculares gigantes que se contraen espontáneamente en la placa
de cultivo; las células nerviosas emiten axones que son excitables eléctricamente
y que establecen sinapsis con otras células nerviosas; las células epiteliales for-
man extensas láminas con muchas de las propiedades de un epitelio intacto.
Puesto que estos fenómenos se producen en los cultivos, resultan accesibles al
estudio a través de sistemas y técnicas que no se pueden aplicar en los tejidos in-
tactos.

Los medios definidos quúnicamente, libres de suero, permiten

la identificación de factores de crecimiento específicos17
Hasta principios de los años 1970 el cultivo de tejidos era algo así como una
mezcla de ciencia y brujería. Aunque los coágulos plasmáticos fueron substitui-
dos por placas de medios líquidos conteniendo cantidades especfficas de peque-
ñas moléculas como sales, glucosa, aminoácidos, y vitaminas, la mayoría de los
medios incluían también una proporción mal definida de una mezcla de macro-
moléculas en forma de suero de caballo o de suero fetal de ternera, o Wl extracto
crudo de embrión de pollo. Estos medios todavía se utilizan actualmente para la
mayoría de cultivos rutinarios (Tabla 4-3) pero resultan inadecuados para el es-
tudio de las necesidades de macromoléculas que un tipo celuJar determinado
tiene para prosperar y funcionar normalmente.
Esta dificultad ha conducido al desarrollo de mer:[ios libres de suero definidos
químicamente. Además de las pequeñas moléculas habituales estos medios defi-
nidos contienen una o más proteínas específicas que la mayoría de células nece-
sitan para sobrevivir y proliferar en cultivo. Entre ellas se encuentran los factores
de crecimiento que estimulan la proliferación y la transferrina que transporta
hierro al interior de las células. La mayoría de las moléculas señalizadoras protei-
cas extracelulares esenciales para la supervivencia, desarrollo y proliferación de

168 Capítulo 4: Cómo se estudian las células

Tabla 4-3 Composición de un medio típico adecuado para el cutivo de células de mamífero

Proteínas (necesarias en medios

químicamente definidos,
Aminoácidos Vitaminas Sales Varios libres de suero)
Arginina Biotina NaCI Glucosa Insulina
Cisteína Colina KCl Penicilina Transferrina
Glutarnina Folato NaH 2PO4 Estreptomicina Factores de crecimiento específico
Histidina Nicotinamida NAHCO3 Rojo fenal
Isoleucina Pantotenato CaC12 Suero total
Leucina Piridoxal MgCl2
Lisina Tiamina
Metionina Riboflavina
Fenilalanina
Treonina
Triptófano
Tirosina
Valina
La glucosa se utiliza a concentraciones de 5 a 10 mM. Todos los aminoácidos son de la forma L y con una o dos excepciones se utilizan a con-
centraciones de 0,1 a 0,2 mM; las vitaminas se utilizan a concentraciones 100 veces menores, es decir, alrededor de 1 µM. El suero, que gene-
ralmente es de caballo o de ternera, se añade hasta formar el 10% del volumen total. La penicilina y la estreptomicina son antibióticos que se
utilizan para inhibir el crecimiento de las bacterias. El rojo fenol es un colorante indicador del pH, que permite seguir la variación de color
para asegurar que el pH sea de 7,4 aproximadamente.
Generalmente los cultivos se mantienen en recipientes de plástico o de vidrio, con una superficie preparada adecuadamente que permi-
ta la adherencia de las células. Los recipientes se conservan en una estufa de cultivo a 37°C, en una atmósfera de 5% de C:02 y 95% de aire.

determinados tipos celulares se han descubierto a través de estudios de cultivos

celulares y la búsqueda de nuevas moléculas ha sido enormemente facilitada por
la asequfüilidad de medios definidos químicamente y libres de suero.

Las líneas celulares eucariotas constituyen una fuente ampliamente

utilizada para la obtención de células homogéneas 18
La mayoría de las células de los vertebrados mueren tras un número finito de cli-
visiones en cultivo: por ejemplo, las células cutáneas humanas en cultivo sobre- Tabla 4-4 Algunas líneas celulares
viven durante algunos meses, dividiéndose úni.camente entre 50 y 100 veces an- utilizadas habitualmente
tes de morir. Se sugirió que esta vida limitada estaba relacionada con la vida
Lmea
limitada del animal del que derivan las células. Sin embargo, en cultivo ocasio- celular* Tipo celular y origen
nalmente surgen algunas células que han sufrido algún cambio genético que las
hace realmente inmortales. Estas células proliferan indefinidamente y pueden 3T3 fibroblasto (ratón)
propagarse como una línea celular (Tabla 4-4). BHK21 fibroblasto (hárnster sirio)
Las líneas celulares preparadas a partir de células cancerosas difieren de las MDCK célula epitelial (perro)
preparadas a partir de células normales, en varios aspectos; por ejemplo, a me- HeLa célula epitelial (humana)
nudo las líneas de células cancerosas crecen sin fijarse a ninguna superficie y PtKl célula epitelial (rata
proliferan en una placa de cultivo hasta una densidad mucho mayor que la de canguro)
las células normales. Experimentalmente pueden inducirse propiedades simila- L6 mioblasto (rata)
res a éstas en células normales mediante la transformación con un virus o con PC 12 célula cromaffnica (rata)
una substancia qu(mica inductora de tumores. Las líneas celulares transforma- SP2 célula plasmática (ratón)
das resultantes son capaces de provocar tumores si se inyectan a un animal. Las • Muchas de estas líneas celulares deri-
líneas celulares, tanto transformadas como no transformadas, resultan extrema- van de tumores. Todas ellas son capaces
damente útiles para la investigación celular como fuente de un número muy ele- de multiplicarse indefinidamente en cul-
vado de células de un tipo uniforme, especialmente porque se pueden guardar tivo y expresan por lo menos algunas de
las propiedades diferenciales de su ori-
en nitrógeno líquido a - 196°C durante un período indefmido de tiempo, y des- gen celular. Las céluJas BHK 21, HeLa y
pués de descongeladas todavía son viables. Sin embargo, es importante recono- SP 2 son capaces de crecer en suspen-
cer que las células de ambos tipos de líneas celulares casi siempre difieren de sus sión; las otras líneas celulares requieren
células progenitoras de los tejidos de las que derivan, en algunas características un substrato de cultivo sólido para multi-
plicarse.
importantes.

Aislamiento y crecimiento de células en cultivo 169

 A pesar de que todas las células de una línea celular son muy similares entre
sí, a menudo no son idénticas. La uniformidad genética de una linea celular
puede mejorarse con el clonaje celular, mediante el cual se aísla una única célu-
la y se le permite proliferar hasta formar una gran colonia. Un clon es cualquier
población de células derivadas de una única célula ancestral. Una de las aplica-
ciones más importantes del clonaje celular ha sido el aislamiento de líneas celu-
lares mutantes con defectos en determinados genes. A menudo el estudio de las
células que son defectuosas en una proteína determinada revela muchos datos
sobre la función que tiene esta proteína en las células normales.

Las células pueden fusionarse formando células híbridas19

Es posible fusionar una célula con otra formando una célula combinada con dos
núcleos separados, denominada heterocarlonte. La fusión se suele realizar tra-
tando una suspensión de células con ciertos virus inactivados o con polietilén
glicol, que altera las membranas plasmáticas de las células de tal forma que és-
tas tienden a fusionarse entre sí. Los heterocariontes ofrecen la posibilidad de
mezclar los componentes de dos células diferentes para estudiar sus interaccio-
nes. Por ejemplo, el núcleo inerte de un eritrocito de pollo cuando es expuesto
por fusión celular al citoplasma de una célula en cultivo en crecimiento, se reac-
tiva produciendo RNA y con el tiempo, replicando su DNA. La primera prueba
directa de que las proteínas de membrana son capaces de desplazarse en el pla-
no de la membrana plasmática se obtuvo de un experimento en el que se fusio-
naron células de ratón con células humanas: aunque las proteínas de superficie
de las células de ratón y de la célula humana inicialmente estaban confinadas en
sus propias mitades de la membrana plasmática del heterocarionte, rápidamen-
te difundieron y se mezclaron por toda la superficie de la célula.
Con el tiempo, el heterocarionte sufrirá una mitosis, produciéndose una cé-
lula híbrida en la que las dos envolturas nucleares se han disgregado permitien-
do que todos los cromosomas se agrupen en un gran núcleo único (Figura 4-33).
Aunque estas células híbridas puedan ser clonadas generando líneas celulares
híbridas, las células híbridas iniciales tienden a ser inestables y a perder cromo-
somas. Por razones desconocidas estas células híbridas hombre-ratón pierden
de forma predominante cromosomas humanos. Estos cromosomas se pierden
de manera aleatoria, dando lugar a diversas líneas celulares híbridas hombre-ra-
tón diferentes, cada una de las cuales contiene algunos (o uno solo) cromoso-
mas humanos. Este fenómeno ha permitido determinar la localización de genes
en el genoma humano. Por ejemplo, únicamente las células híbridas que contie-
nen el cromosoma humano 11 sintetizan la insulina humana, lo cual indica que
el gen que codifica la insulina se halla situado en el cromosoma 11. Estas mis-
Figura 4-33 Producclón de células
tres clones de células híbridas, híbridas. Células humanas se fusionan
cada uno de los cuales conserva con células de ratón, produciéndose
SUSPENSIÓN DE DOS TIPOS un número reducido de cromosomas heterocariontes (cada uno de ellos
CELULARES, CENTRIFUGACIÓN humanos diferentes junto con toda
Y ADICIÓN DE UN AGENTE DE la dotación cromosómica del ratón conteniendo dos o más núcleos) que
FUSIÓN posteriormente darán lugar a células
FUSIÓN CELULAR Y EL MEDIO SELECTIVO SÓLO híbridas (cada una de ellas con un
FORMACIÓN DE PERMITE PROLIFERAR A
HETEROCARIONTES, LOS HETEROCARIONTES, único núcleo fusionado). Estis células
QUE POSTERIORMENTE ~ - - . LOS CUALES SE CONVIERTEN_,---,--,__ híbridas en particular resultan útiles
SON CULTIVADOS EN C~LULAS HfBRIDAS
para localizar genes humanos en los
QUE POSTERIORMENTE
SERÁN CLONADAS cromosomas, ya que la mayoría de los
cromosomas humanos se pierden
rápidamente de manera aleatoria, con
lo que quedan clones que conservan
tan sólo uno o unos cuantos genes.
A menudo, las células híbridas
producidas por fusión de otros tipos
fibroblasto célula tumoral heterocarionte célula hlbrida celulares conservan la mayoría de sus
huma no de ratón cromosomas.

170 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

Tabla 4-5 Algunos de los hitos en el desarrollo del cultivo de tejidos

1885 Roux demostró que las células embrionarias de pollo pueden mantenerse vivas
en una solución satina, fuera del cuerpo del animal.
1907 Harrison cultivó médula espinal de anfibio en un coágulo linfático,
demostrando así que los axones se producen como prolongaciones de células
nerviosas.
1910 Rous indujo un tumor utilizando un extracto filtrado de células tumorales de
pollo, que más tarde se demostró que contenían un virus de RNA (virus del
sarcoma de Rous).
1913 Carrel demostró que las células podían crecer en cultivo durante mucho
tiempo, siempre que fueran alimentadas regularmente y bajo condiciones
asépticas.
1948 Earle y colaboradores aislaron células de la línea celular L y demostraron que
en cultivo tisular forman clones de células.
1952 Gey y colaboradores establecieron una línea continua de células derivada de
carcinoma cervical humano, que más tarde se convirtió en la conocida línea
celular HeLa.
1954 Levi-Montalcini y colaboradores demostraron que el factor de crecimiento
nervioso (NGF, de Nerve Growth Factor) estimula el crecimiento de los
axones en cultivo.
1955 Eagle desarrolló la primera investigación sistemática sobre los requerimientos
nutricionales esenciales de las células en cultivo y encontró que las células
animales se pueden propagar en una mezcla definida de pequeñas moléculas
suplementada con una reducida proporción de proteínas séricas.
1956 Puck y colaboradores seleccionaron mutantes con requerimientos de
crecimiento alterados a partir de células HeLa en cultivo.
1958 Temln y Rubio desarrollaron un método cuantitativo para la infección de
cultivos de células de pollo mediante el virus del sarcoma de Rous purificado.
En la década siguiente Stoker, Dulbecco, Green y otros virólogos
establecieron las características de ésta y de otras transformaciones víricas.
1961 Hayflick y Moorhead demostraron que los fibroblastos humanos en cultivo
mueren tras un número finito de divisiones.
1964 Littlefleld introdujo el medio HAT para el crecimiento selectivo de híbridos
celulares somáticos. Junto con la técnica de la fusión celular, este medio hizo
accesible la genética de las células somáticas.
Kato y Takeuchl obtuvieron una planta completa de zanahoria a partir de una
sola célula de raíz de zanahoria mantenida en cultivo.
1965 Ham introdujo un medi.o definido, sin suero, capaz de permitir el crecimiento
clonal de ciertas células de mamífero.
Harris y Watkins produjeron los primeros heterocariontes de células de
mamífero, mediante la fusión inducida vfricamente de células humanas y de
células de ratón.
1968 Augusti-Tocco y Sato adaptaron al cultivo células nerviosas tumorales de ratón
(neuroblastoma) y aislaron clones que eran excitables eléctricamente y
producían prolongaciones nerviosas. En esta época se aislaron otras células
diferenciadas, entre ellas líneas celulares hepáticas y de músculo esquelético.
1975 Kohler y Milstein produjeron las primeras lineas celulares de hlbridomas que
segregaban anticuerpos monoclonales.
1976 Sato y colaboradores publicaron el primero de una serie de informes,
demostrando que para crecer en w1 medio sin suero, las lineas celulares
diferentes requieren mezclas diferentes de hormonas y de factores de
crecimiento.
1977 Wigler y Axel y colaboradores desarrollaron un eficiente método para
introducir genes humanos de copia única en el interior de células cultivadas,
adaptando los métodos desarrollados inicialmente por Graham y van der Eh.

mas células lubridas también se utilizan como fuente de DNA humano para pre-
parar librerías de DNA de cromosomas humanos. Más adelante en este capítulo
aprenderemos d e qué forma se han utilizado las células híbridas en La produc-
ción de anticuerpos monoclonales.

Aislamiento y crecimiento de células en cultivo 171

 En la Tabla 4-5 se enumeran algunas de las etapas más importantes del de-
sarrollo del cultivo en tejidos.

Resumen
Habitualmente los tejidos de organismos muy jóvenes se pueden disociar en sus
componentes celulares, a partir de los cuales pueden purificarse diferentes tipos ce-
lulares individuales, los cuales pueden utilizarse para su análisis bioqu(mico o
para establecer cultivos celulares. Muchas tipos de células animales y vegetales so-
breviven y proliferan en una placa de eitltivo si se les suministra el medio de cultivo
adecuado conteniendo nutrientes y factores de crecimiento espec{flcos. Aunque la
mayoría de las células animales mueren después de un número finito de divisiones,
en los cultivos surgen espontáneamente unas células variantes inmortales que pue-
den ser mantenidas indefinidamente como Uneas celulares. Los clones derivados de
una única célula ancestral hacen posible aislar poblaciones uniformes de células
mutantes con defectos en una sola prote(na. Pueden fusionarse dos tipos diferentes
de células formándose heterocariontes (células con dos núcleos), que pueden utili-
zarse para estudiar las interacciones entre los componentes de las dos células origi-
nales. Con el tiempo los heterocariontes forman células h(bridas (con un núcleo fu-
sionado), las cuales proporcionan un método muy adecuado para localizar genes
en los cromosomas.

Fraccionamiento de las células y análisis

de sus moléculas2º
Aunque los análisis bioquímicos requieren la disgregación de la delicada anato-
mía de la célula, se han desarrollado métodos suaves de separación que preser-
cámara acorazada material en sedimentación
van la función de los diversos componentes celulares. De la misma fonna que
un tejido puede ser disgregado en sus dilerentes tipos celulares vivos, también la
célula puede ser fraccionada en sus orgánulos y macromoléculas funcionales.
En esta sección vamos a centrarnos en los métodos que penniten la purificación
de orgánulos y de macromoléculas. En el Capítulo 7 se discuten las poderosas
técnicas del DNA recombinante, utilizadas para analizar genes y proteínas.

Los orgánulos y las macromoléculas pueden separarse

por ultracentrifugaci6n21
Las células pueden disgregarse de varias maneras: pueden someterse a shock os-
mótico o a vibraciones ultrasónicas, pueden hacerse pasar a través de un pequeño
orificio o pueden molerse. Estos procedimientos rompen muchas de las membra-
nas de· la célula (incltúdas la membrana plasmática y las membranas del retículo
endoplasmático) y los fragmentos se unen inmediatamente formando pequeñas
vesículas cerradas. Sin embargo, si estos procedimientos de disgregación se apli- motor
can cuidadosamente, dejan fundamentalmente intactos diversos orgánulos como
el núcleo, las mitocondrias, el complejo de Golgi, los lisosomas y los peroxisomas. Figura 4-34 La ultracentrffuga
Así, la suspensión de células queda reducida a un espesa sopa (denominada ho- preparativa. La muestra se coloca en
mogenado o extracto) que contiene una gran diversidad de partículas unidas a unos tubos que quedan insertados
membrana, cada una de un tamaño, una carga y una densidad características. Si en un anillo de orificios cilíndricos de
un rotor metálico. La rápida rotación
se ha escogido cuidadosamente el medio de homogeneización (mediante el siste-
del rotor genera unas fuerzas
ma de prueba y error para cada orgánulo), las diferentes partículas-incluyendo las
centrffugas enormes, que provocan la
vesículas derivadas del retículo endoplasmático, llamadas microsomas- conservan sedjmentación de las partículas de la
la mayor parte de sus propiedades bioquímicas originales. muestra. El vacío disminuye el
A continuación, se pueden separar los diferentes componentes de este ho- rozamiento, con lo que el rotor no se
mogenado. Esto únicamente es posible gracias al desarrollo comercial, a princi- caJienta tanto y el sistema de
pios de los años 1940, de un instrumento conocido con el nombre de ultracen- refrigeración puede mantener la
trífuga preparativa, en el que los preparados de células rotas se exponen a altas muestra a 4°C.

172 Capitulo 4 : Cómo se estudian las células

velocidades de giro (Figura 4-34). Este tratamiento separa los componentes ce-
lulares en función de su tamaño y su densidad: en general, las unidades mayores
experimentan mayores fuerzas centrífugas y se desplazan por el tubo más rápi-
damente. A una velocidad relativamente reducida sedimentan los componentes homogenado
celular
de tamaño mayor, como los núcleos y las células enteras, formando un precipi-
tado (pellet) en el fondo del tubo de la centrífuga; a una velocidad algo superior
se deposita un precipitado de mitocondrias, y a velocidades aún más altas y con
períodos de centrifugación más prolongados, se pueden recoger primero las CENTRIFUGACIÓN A VELOCIDAD BAJA
pequeñas vesículas cerradas y luego los ribosomas (Figura 4-35). Todas estas ♦
• .~· .' . :
fracciones son impuras pero se pueden eliminar muchos de sus contami-
nantes resuspendiendo de nuevo los precipitados y repitiendo varias veces el i}f{f}-
procedimiento descrito de centrifugación. ·~::-.~; :; el precipitado
~ .•.::'..e:
•..... contiene células
El método de centrifugación constituye el primer paso de la mayoría de • • .,. enteras, núcleos
fraccionamientos, pero sólo separa los componentes que son muy diferentes en - y citoesqueleto
tamaño. Se puede obtener un mayor grado de separación colocando el homoge- SOBRENADANTE SOMETIDO A
nado como una estrecha banda en la parte superior de una solución salina dilui- CENTRIFUGACIÓN A VELOCIDAD MEDIA

da que llene el tubo de centrífuga. Cuando se centrifuga, los diversos compo-

nentes de la mezcla se desplazan a través de la solución salina como series de
bandas distintas, cada una a diferente velocidad, en un proceso denominado ve-
' el precípitado
locidad de sedimentación (Figura 4-36). Para que el proceso sea efectivo, las contiene
mitocondrias,
bandas deben ser protegidas del mezclado por convección, lo cual sucede habi- lisosomas y
tualmente cuando una solución densa (por ejemplo, una que contenga orgánu-
los) se halla en la parte superior de otra de menor densidad Oa solución salina). SOBRENADANTE SOMETIDO A
Esto se consigue rellenando el tubo de centrífuga con un gradiente de sacarosa CENTRIFUGACIÓN A VELOCIDAD ALTA
preparado con un aparato especial de mezclado; el gradiente de densidad resul-
tante, con la zona más densa en el fondo del tubo, consigue que cada una de las
regiones de la solución salina sea más densa que cualquier solución superior
'
·.·: ....
:. · ·.. el precipitado

~~~~~~:as
evitando así el mezclado por convección que distorsionaría la separación.
Cuando el homogenado es sedimentado a través de estos gradientes de den-
sidad, los diferentes componentes celulares se separan en distintas bandas que
:·/.\/-~
~1(1- - vesículas
y

pueden ser recolectadas individualmente. La velocidad a la que sedimenta cada SOBRENADANTE SOMETIDO A
WlO de los componentes depende fundamentalmente de su tamaño y de su for- CENTRIFUGACIÓN A VELOCIDAD MUY ALTA
ma, y suele expresarse como coeficiente de sedimentación o valor s. Las ultracen-
trífugas actuales pueden alcanzar velocidades superiores a 80 000 rpm y produ-
cir fuerzas de más de 500 000 veces la de la gravedad. A estas enormes fuerzas se
' el precipitado
contiene
pueden separar entre sí en función de su tamaño incluso las macromoléculas ribosomas,
pequeñas como las moléculas de tRNA y las enzimas sencillas. Rutinariamente virus y grandes
se utilizan los coeficientes de sedimentación de los complejos macromolecula- '-\\;;::,;:( - macromolécu las

res para determinar la masa total del complejo y, por tanto, el número de sub-
unidades de cada tipo que presentan. Figura 4-35 Fraccionamiento celular
La ultracentrífuga se utiliza también para separar los componentes celulares por centrifugación. Centrifugaciones
en función de su densidad de flotación, independientemente de su tamaño. En repetidas a velocidades
este caso, la muestra normalmente se hace sedimentar a través de un gradiente progresivamente mayores fraccionarán
discontinuo que contiene una concentración muy elevada de sacarosa o de clo- los extractos celulares en sus
ruro de cesio. Cada componente celular empieza a descender por el gradiente componentes. En general, cuanto
como en la Figura 4-36, hasta que llega a una zona en la que la densidad de la so- menor sea el tamaño del componente
lución es igual a su propia densidad. En este lugar del tubo el componente flota subcelular mayor será la fuerza
y ya no puede desplazarse más. Por consiguiente, en el tubo de la centrífuga se centrífuga necesaria para sedimentario.
forman series de bandas distintas, siendo las bandas que contienen los compo- Los valores típicos de las diversas
etapas de centrifugación mostradas en
nentes de mayor densidad de flotación las que se hallan más cerca del fondo del
la figura son las siguientes:
tubo de centrífuga. El método, denominado equilibrio de sedimentación, es su- vel. baja: 1000 veces la gravedad
ficientemente sensible para separar macromoléculas que han incorporado isó- durante JO minutos
topos pesados, como el 13C o el 15N de las mismas macromoléculas no marcadas. vel. media: 20 000 veces la gravedad
De hecho, el método del cloruro de cesio fue desarrollado, en 1957, para separar durante 20 minutos
el DNA marcado del no marcado producido después de la exposición de una po- vel. alta: 80 000 veces la gravedad
blación de bacterias en crecimiento a precursores de nucleótidos con 15N; este durante l hora
experimento clásico proporcionó la prueba directa de la replicación semiconser- vel. muy 150 000 veces la gravedad
vativa del DNA. alta: durante 3 horas

Fraccionamiento de las células y análisis de sus moléculas 173

 (A) (8) Figura 4-36 Comparación entre
los métodos de velocidad de
sedimentación y equilibrio
muestra de sedimentación. En velocidad de
gradiente de
sacarosa sedimentación (A), la muestra se coloca
estabilizador gradiente sobre una solución diluida de sacarosa y
discontinuo
de sacarosa los componentes subcelulares
(e.g., 20-70%) sedimentan a diferentes velocidades de
1 acuerdo con su tamaño. Para estabilizar
CENTRIFUGACIÓN las bandas que sedimentan y evitar que
1 se mezclen por fenómenos de
convección originados por pequeñas
diferencias de temperatura o de
componente de concentración de los solutos, el tubo
sedimentación lenta contiene un gradiente continuo de
componente de sacarosa que aumenta de concentración
sedimentación rápida hacia el fondo del tubo (típicamente
desde 5% a 20% de sacarosa). Después
1 de la centrifugación, los diferentes
FRACCIONAMIENTO
componentes pueden recogerse por
1 separado; el sistema más sencillo de
hacerlo consiste en perforar el tubo de
componente
de baja la centrífuga y recoger el medio gota a
densidad gota, tal como ilustra la figura. En el
l<ll>(Jw,.;~- componente equilibrio de sedimentación (B) cuando
de alta los componentes subcelulares se
densidad
centrifugan en un gradiente, pueden
desplazarse arriba y abajo hasta que
alcanzan una zona en que su densidad
está comprendida entre las densidades
vecinas del gradiente. Aunque aquí se
presenta un gradiente de sacarosa, para
separación de proteínas y de ácidos
nucleicos se utilizan habitualmente
gradientes de densidad preparados con
Los detalles moleculares de los procesos celulares complejos cloruro de cesio. Las bandas finales, en
únicamente se pueden descifrar en sistemas libres de células22 el equilibrio, se pueden recoger como
en (A).
Los estudios de orgánulos y de otros grandes componentes subcelulares obteni-
dos por ultracentrifugación han constituido avances muy importante en la de-
terminación de la funciones de los diferentes componentes de la célula. Así por
ejemplo, diferentes experimentos sobre mitocondrias y cloroplastos purificados
por centrifugación demostraron la función central de estos orgánulos en las in-
terconversiones energéticas. Análogamente, las vesículas formadas de nuevo a
partir de fragmentos del retículo endoplasmático liso y rugoso (microsomas)
han sido separadas unas de otras y analizadas como modelos funcionales de es-
tos mismos compartimentos en las células intactas. Una extensión de esta apro-
ximación hace posible estudiar otros procesos biológicos libres de todas las·
complejas reacciones laterales que ocurren en la célula, y sin las constricciones
de tener que mantener las células como un todo. Por ello, los extractos celulares
fraccionados que mantienen su función biológica (denominados sistemas libres
de células) son ampliamente utilizados en biología celular.
Uno de los primeros éxitos de este sistema de estudio fue la deducción del
mecanismo de síntesis proteica. El punto de partida lo constituyó un extracto ce-
lular crudo que era capaz de traducir las moléculas de RNA a proteína. El fraccio-
nanúento de este extracto dio lugar a ribosomas, tRNA y varias enzimas, que, en
conjunto, constituyen la maquinaria de la síntesis proteica. Una vez se dispuso de
los componentes individuales purificados, fue posible ponerlos o quitarlos uno a
uno del medio de incubación, consiguiéndose así definir el papel exacto de cada
uno de estos componentes. Más tarde se utilizó este mismo sistema de traducción
in vitro para descifrar el código genético, usando polirribósomas sintéticos de se-

174 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

cuencia conocida como "RNA mensajero" (mRNA) para ser traducido. Hoy en día
se utilizan diversos sistemas de traducción in vitro para determinar cómo las pro-
teínas recién sintetizadas son clasificadas y dirigidas a diversos compartimentos
intracelulares y también para identificar las proteínas que son codificadas por pre-
paraciones purificadas de mRNA - un paso importante en los métodos de clonaje
génico. En la Tabla 4-6 se presentan algunos de los hitos del desarrollo de los mé-
todos utilizados en el fraccionamiento de extractos celulares.
Una gran cantidad de la información que hoy en día conocemos acerca de la
biología molecular de la célula, se ha descubierto estudiando sistemas libres de
células. Para citar algunos de los muchos ejemplos, estudios de este tipo se han
utilizado para analizar los detalles moleculares de la replicación y la transcrip-
ción del DNA, de la maduración por corte y empalme del RNA (splicing), de la
contracción muscular y del movimiento de partículas a lo largo de los microtú-
bulos. Los sistemas libres de células se han utilizado en estudios de procesos tan
complejos y altamente organizados como el ciclo de división celular, la separa-
ción de cromosomas sobre el huso ntitótico y los procesos de transporte vesicu-
lar implicados en los desplazamientos de las proteínas desde el retículo endo-
plásmico, a través del complejo de Golgi hasta la membrana plasmática. El
análisis de un sistema libre de células supone la separación completa final de to-
dos sus componentes macromoleculares individuales y en particular de todas
sus proteínas. Ahora consideraremos cómo se puede lograr esta separación.

Tabla 4-6 Algunos de los principales acontecimientos del desarrollo de la

ultracentrífuga y de la preparación de extractos Ubres de células

1897 Bucbner demostró que los extractos de levadura, libres de células, pueden
fermentar los azúcares produciendo dióxido de carbono y etanol, con lo que
se establecieron las bases de la enzimología.
1926 Svedberg desarrolló la primera ultracentrífuga analítica y La utilizó para estimar
el peso molecular de la hemoglobina, que cifró en 68 000 daltons.
1935 Plckels y Beams introdujeron varias características nuevas en el diseñ.o de la
ultracentrí:fuga, que condujeron a su utilización como instrumento
preparativo.
1938 Behrens empleó la ultracentrifugación diferencial para separar los núcleos del
citoplasma de células hepáticas, técnica que luego desarrollaron Claude,
Brachet, Hogeboon y otros du·rante los afios 1940 y principios de los 1950
para el fraccionamiento de orgánulos celulares.
1939 Hlll demostró que los cloroplastos aislados, cuando se iluminaban, podían
efectuar reacciones de fotosíntesis.
1949 Szenz-Gyorgyi demostró que las miofibrillas aisladas de células de músculo
esquelético se contraen al añ.adirlesATP. En 1955 Hoñnann-Berllng
desarrolló un sistema libre de células similar a éste para estudiar el
movimiento ciliar.
1951 Brakke utilízó la centrifugación en gradiente de densidad en soluciones de
sacarosa para purificar un virus vegetal.
1954 de Duve aisló lisosomas por centrifugación y, más tarde, peroxisomas.
1954 Zamecnik y colaboradores desarrollaron el primer sistema libre de células que
realizaba síntesis proteica. A ello siguió una década de intensa actividad de
investigación, durante la cual fue dilucidado el código genético.
1957 Meselson, Stahl yVinograd desarrollaron la centrifugación en gradiente de
densidad en soluciones de cloruro de cesio para separar ácidos nucleicos.
1975 Dobberstein y Blobel demostraron la translocación de proteínas a través de
membranas, en sistemas libres de células.
1976 Neher y Sakmann desarrollaron el registro de zona para medir la actividad de
canales iónicos aislados.
1983 Lohka y Masui produjeron extractos concentrados a partir de huevos que in
vitro realizaban el ciclo celular completo.
1984 Rothman y colaboradores reconstituyeron in vitro el tráfico de vesículas de
Golgi utilizando un sistema libre de células.

Fraccionamiento de las células y análisis de sus moléculas 175

 Figura 4-37 Separación de moléculas
papel pequefias mediante cromatografía
sobre papel. Después de aplicar la
muestra
muestra en un extremo del papel (el
en el componentes "origen") y de secarla, se permite que
separados una solución que contiene una mezcla
de dos disolventes fluya lentamente a
lo largo del papel por capilaridad. Los
diferentes componentes de la muestra
se desplazan sobre el papel a
velocidades distintas, en función de su
Las proteínas pueden separarse mediante cromatografía23 solubilidad relativa en el solvente que
Uno de los métodos de utilidad más general para el fraccionamiento de las pro- es adsorbido preferentemente por el
teínas es el de Ja cromatografia, técnica desarrollada para separar pequeñas papel. El desarrollo de esta técnica
revolucionó los análisis bioquimicos
moléculas como azúcares y aminoácidos. Un tipo muy común de cromatografía,
durante los afias 1940.
todavía muy utilizado actualmente para separar pequeñas moléculas, es la cro-
matografía de partición. Típicamente, una gota de la muestra se aplica como
una mancha en una hoja de material absorbente, que puede ser papel (cromato-
grafla de pape[) o una hoja de plástico o de cristal recubierta de una fina capa de
un material absorbente inerte, como celulosa o gel de sílice (cromatografía en
capa fina). A continuación, se deja que una mezcla de disolventes, como por
ejemplo el agua y un alcohol, .impregne la hoja desde uno de sus extremos; a me-
dida que el líquido se va desplazando a través de la hoja, va separando las molé-
culas de Ja muestra en función de su solubilidaa en cada uno de los dos disol-
ventes. Los disolventes se escogen de forma que uno de ellos se adsorba con
mayor intensidad en el material absorbente que el otro formando una capa de
disolvente estacionaria en la superficie de la hoja. En cada región de la hoja las
moléculas se equilibran entre el disolvente estacionario y el móvil: las que son
más solubles en el disolvente fuertemente adsorbido son relativamente retarda-
das porque consumen más tiempo en la capa estacionaria, mientras que Las que
son más solubles en el otro disolvente se mueven más rápidamente. Después de
un cierto número de horas, la hoja se seca y se tiñe para localizar la situación de
las diferentes moléculas (Figura 4-37).
Las proteínas se suelen fraccionar mediante la cromatografla en columna,
en la que una mezcla de proteínas en solución se hace pasar a través de una co-

solvente aplicado de forma Figura 4-38 Separación de moléculas

aplicación continua a la parte superior
de la de la columna desde un mediante cromatografía en columna.
muestra gran depósito de solvente La muestra se aplica en la parte
superior de una columna cilíndrica de
vidrio o de plástico, que contiene una
matriz sólida permeable, por ejemplo
de celulosa, inmersa en un solvente. A
continuación se hace pasar
lentamente a través de la columna una
gran cantidad de solvente,
recogiéndolo en tubos separados a
medida que sale de la parte inferior de
la columna. Los diversos componentes
de la muestra se desplazan a distintas
velocidades a través de la columna
matriz quedando así fraccionados en tubos
sólida
6 6
• • distintos.

"~jj o o
poroso

tubo de
ensayo í í
tiempo moléculas fraccíonadas
eluidas y recogidas

176 Capítulo 4: Cómo se estudian las células

L
 flujo de solvente flujo de solvente flujo de solvente

t t l 1 1 !
·- .-,-•-.- • • • " } .9e:! \ •
·~
. + + + + esfera esfera con un
• - ; • t ! - - cargada • • A ~
W / substrato
-¡¡;-- unido
- • .. + + • ++ ++e- positivamente • - - esferas porosas
~
-e +
+
+ e+ +
;
-e t + 9-+ ~ , •
_• - + molécula de
carga negativa
.tt
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V

♦"'covalentemente

mol_écula de

e+ • l+ • + + • - e+ unida enzima
e+ - e;_+ +
- - - molécula pequeña
retardada ••◄-'"' ~",I 8:!>. unida
••
e+ • + +1 _ molécula de
e+ + + . +
• -
..
carga pos,t,va e-- molécula grande otras proteínas
• e+ libre
• • no retardada • . ... ,
/ \
., pasan a través
de la matriz

(A) CROMATOGRAFÍA DE INTERCAMBIO (BI CROMATOGRAFÍA DE FILTRACIÓN (CI CROMATOGRAFÍA DE AFINIDAD

IÓNICO EN GEL

Figura 4-39 Tres tipos de matriz utilizados en cromatografía. En la cromatografía de intercambio iónico (A) la matriz
insoluble presenta cargas iónicas que retardan las moléculas de carga opuesta. Las matrices utilizadas habitualmente para
separar proteínas son la dietilaminoetilcelulosa (DEAE-celulosa), de carga positiva, y la carboximetilcelulosa (CM-
celulosa) y la fosfocelulosa, de carga negativa. La fuerza de unión entre las moléculas disueltas y la matriz de intercambio
iónico depende de la fuerza iónica y del pH de la soluci.ón eluyente que atraviesa la columna, parámetros que pueden
variarse de una manera sistemática (como en la Figura 4-40) para conseguir una separación más efectiva. En la
cromatografía de filtración en gel (B) la matriz es inerte pero porosa. Las moléculas suficientemente pequeñas para
penetrar en el interior de la matriz se retrasan y viajan más lentamente a través de la columna. En el comercio existen
bolitas de polisacáridos con puentes cruzados (dextrano o agarosa) en una amplia gama de tamaños de poro adecuadas
para el fraccionamiento de moléculas de diversos pesos moleculares, desde menos de 500 hasta más de 5 x 106 daltons. La
cromatografía de afinidad (C) utiliza una matriz insoluble que está unida covalentemente a un ligando específico, como
por ejemplo una molécula de anticuerpo o un substrato enzimático, que se unirá a una proteína determinada de la
muestra. Las moléculas de enzima que se han unido a substratos inmovilizados en columnas de este tipo se pueden eluir
con una solución concentrada del substrato en forma libre, mientras que moléculas que se han unido a anticuerpos
inmovilizados pueden eluirse disociando el complejo antígeno-anticuerpo con soluciones concentradas de sales o con
soluciones de pH alto o bajo. A menudo se consiguen purificaciones elevadas con un solo paso a través de estas columnas.

lumna que contiene una matriz sólida porosa. Las diferentes proteínas de la mez-
cla se van retrasando más o menos a causa de su interacción con la mattiz de la
columna y pueden recogerse por separado en su estado funcional nativo a medi-
da que fluyen por el extremo inferior de la columna (Figura 4-38). En función del
tipo de matriz que se utilice, las proteínas se pueden separar según su carga (cro-
matografía de intercambio iónico), su hidrofobicidad (cromatografía hidrofóbi-
ca), su tamaño (cromatografía de filtración), o su capacidad para unirse a deter-
minados grupos quúnicos (cromatografía de afinidad).
Actualmente se comercializan un gran número de tipos diferentes de matriz
para cromatografía (Figura 4-39). Las columnas de intercambio iónico están lle-
nas de pequeñas bolitas que contienen cargas positivas o negativas, de modo
que las proteínas se separan en función de la disposición de cargas de su super-
ficie. Las columnas hidrofóbicas están llenas de unas bolitas con cadenas latera-
les hidrofóbicas que sobresalen de ellas, de modo que las proteínas que tengan
regiones hidrofóbicas al descubierto quedan retardadas en su tránsito por la co-
lumna. Las columnas de filtración en gel, que separan proteínas en función de su
tamaño, contienen diminutas bolitas porosas: a medida que van descendiendo
por la columna, las moléculas suficientemente pequeñas para penetrar en los
poros pasan sucesivamente por el interior de estas esferas, mientras que las mo-
léculas más grandes permanecen en la solución fluyendo entre las esferas, y por
lo tanto, eluyen más rápidamente a través de la columna y salen primero. Ade-
más de permitir la separación de las moléculas, la cromatografía de filtración en
gel constituye un buen sistema para determinar el tamaño de las moléculas.
Este tipo de cromatografía en columna no produce fracciones altamente pu-
rificadas si se parte de una mezcla compleja de prote.fnas: un único paso a través
de una columna suele incrementar la proporción en la mezcla de una proteína
determinada en no más de veinte veces. Puesto que la mayoría de las proteínas

Fraccionamiento de las céluJas y análisis de sus molécuJas 177

 (A) CROMATOGRAFIA DE INTERCAMBIO IÓNICO Figura 4-40 Purificación de proteínas
-
por cromatografía. Resultados típicos
que se obtienen cuando se utilizan
sucesivamente tres pasos
cromatográficos diferentes para
purificar una proteína. En este ejemplo
se fraccionó un extracto completo
haciéndolo pasar primero a través de
una resina de intercambio iónico
empaquetada en una columna (A). La
colwnna se lavó y las proteínas se
eluyeron haciendo pasar desde la parte
número de fracciones - L.....J superior de la columna una solución
estas fracciones se recogen, se mezclan
y se aplican a la columna siguiente de sal a una concentración
progresivamente mayor. Las proteínas
(B) CROMATOGRAFIA DE FILTRACIÓN EN GEL
con menor afinidad por la resina de
intercambio iónico pasaron
directamente a través de la columna y
fueron recogidas en las primeras
fracciones eluidas que salieron por la
parte inferior de la columna. Las
restantes proteínas fueron eluidas de
manera secuencial de acuerdo con su
afinidad por la resina - las unidas más
intensamente necesitaron una
concentración de sal más elevada para
ser eluidas. La proteína de interés salió
número de fracciones - L--J
estas fracciones se recogen, se mezclan en forma de un pequeno pico y se
y se aplican a la columna siguiente detectó por su actividad enzimática.
(C) CROMATOGRAFIA DE AFINIDAD Las fracciones con actividad fueron
recogidas y aplicadas a una segunda

l columna de filtración en gel (B). La

posición de elución de la proteína
todavía impura fue determinada de
nuevo por su actividad enzimática, y
las fracciones activas fueron recogidas
y purificadas hasta homogeneidad
mediante una columna de afinidad (C)
que contenía inmovilizado un
substrato de la enzima.

número de fracciones - ¡____J

se recogen y mezclan astas fracciones, que
ahora contienen la protelna altamente
purificada

representan individualmente menos del 1/1000 de la proteína celular total, para

conseguir purificarlas suele ser necesario utilizar sucesivamente varios tipos di-
ferentes de columnas para conseguir la pureza suficiente (Figura 4-40). Un pro-
cedimiento más eficiente, conocido como cromatografía de afinidad, utiliza in-
teracciones de enlace, importantes desde el punto de vista biológico, que se
producen en la superficie de las proteínas. Por ejemplo, si un substrato enzimá-
tico se acopla covalentemente a una matriz inerte, como pueden ser pequeñas
esferas de un polisacárido, la enzima específica de este substrato fijado a la co-
lumna será retenida en la matriz y podrá ser eluida (lavada) en forma casi pura.
De forma similar, puede inmovilizarse un DNA corto de secuencia diseñada es-
pecíficamente y utilizarse para purificar proteínas que se unan al DNA y que _re-
conozcan esta secuencia de nucleótidos en los cromosomas (Figura 9-23). Alter-
nativamente, se pueden acoplar anticuerpos específicos a una matriz para
purificar moléculas proteicas reconocidas por los anticuerpos. Debido a la ele-
vada especificidad de estas columnas de afinidad, algunas veces se pueden con-
seguir, en un solo paso, purificaciones del orden de 1000 a 10 000 veces.

178 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

 La resolución de las columnas convencionales de cromatografía está limita-
da por la falta de homogeneidad de las matrices (como la celulosa), la cual gene-
ra un flujo desigual de los disolventes a través de la columna. Se han desarrolla-
do nuevas resinas cromatográficas (la mayoría basadas en compuestos de sílice)
en forma de diminutas esferas (de 3 a 10 µm de diámetro) que pueden ser empa-
quetadas mediante un aparato especial formando un lecho uniforme en la co-
lumna. Con estas columnas de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC,
de High Performance Liquíd Chromatography) se alcanza un alto grado de sepa-
ración. Como las columnas de HPLC contienen partículas empaquetadas de for-
ma muy compacta, la velocidad de flujo a través de ellas es prácticamente nula a
menos que se apliquen altas presiones. Por esta razón, normalmente estas ma-
trices se empaquetan en cilindros de acero y requieren un sistema sofisticado de
bombas y válvulas para forzar a fluir el disolvente a través de la columna a la pre-
sión suficiente para producir un flujo deseado de aproximadamente un volumen
de columna por minuto. En la cromatografía en columna convencional, la velo- OH
cidad de flujo debe ser lenta (a menudo de aproximadamente un volumen de 1
CH 2
columna por hora) para dar tiempo a los solutos a que se fraccionen en equili- 1
brio con el interior de las grandes partículas de la matriz. En la HPLC los solutos CH 2
se equilibran rápidamente con el interior de las diminutas esferas, de manera 1
SH
que solutos con diferentes afinidades por la matriz son separados entre sí de for-
ma muy eficiente, siempre a rápida velocidad de flujo. Esto permite que muchos SDS ~mercaptoetanol
fraccionamientos puedan realizarse en cuestión de minutos, mientras que para
obtener una separación pobre en la cromatografía convencional se requieren Figura 4-41 El detergente dodecil
horas. Por consiguiente, la HPLC se ha convertido en el método escogido para sulfato sódico (SDS) y el agente
reductor f3-mercaptoetanol. Estos dos
muchas separaciones de proteínas y de pequefias moléculas.
reactivos químicos se utilizan para
solubilizar protemas para
Mediante electroforesis en gel de poliacrilamida con SDS, electroforesis en gel de poliacrilamida
pueden determinarse el tamaño y la composición con SOS. El SOS se presenta aquí en su
de subunidades de una proteína24 forma ionizada.

Las proteínas suelen tener una carga neta positiva o negativa, que refleja la de
los aminoácidos cargados que contienen. Si se aplica un campo eléctrico a una
solución que contenga una molécula proteica, la proteína migrará a una veloci-
dad que dependerá de su carga neta, de su tamafio y de su forma. Esta técnica,
conocida como electroforesis, se utilizó inicialmente para separar mezclas de
proteínas tanto libres en soluciones acuosas como incluidas en una matriz sóli-
da porosa tal como el almidón.
A mediados de los afios 1960 se desarrolló una versión modificada de este
método -conocida como electroforesis en gel de pollacrilamida con SDS (o
SDS-PAGE, de SDS PolyAcrilamíde-Gel Electrophoresis), que ha revolucionado
los sistemas de análisis rutinarios de las proteínas. Como matriz inerte a través
de la qU:e migran las proteínas, se utiliza un gel de poliacrilamida con numerosos
puentes cruzados. Normalmente el gel se prepara inmediatamente antes de uti-
lizarse mediante la polimerización a partir de los monómeros; el tamafio del
poro del gel puede ajustarse de forma que sea el adecuado para retrasar la mi-
gración de las moléculas proteicas.de interés. Las proteínas no se colocan en una
solución acuosa simple, sino en una solución que contiene un potente detergen-
te de carga negativa, el dodecil sulfato sódico, o SDS (de Sodium Dodecyl
Sulfate) (Figura 4-41). Como este detergente se une a las regiones hidrofóbicas
de las moléculas proteicas, haciendo que se desplieguen las cadenas polipeptfdi-
cas, las diferentes moléculas proteicas quedan liberadas de sus asociaciones con
otras moléculas proteicas o lipídicas y se disuelven libremente en la solución del
detergente. Además, se suele afiadir un agente reductor como el mercaptoetanol
(Figura 4-41) con objeto de romper los enlaces S-S que pudieran existir en las
proteínas, de forma que puedan analizarse separadamente todos los polipépti-
dos constitutivos de las moléculas que tengan varias subunidades.
¿Qué sucede cuando una mezcla de proteínas solubllizadas con SOS se so-
mete a electroforesis a través de una lámina de gel de poliacrilamida? Cada mo-

Fraccionamiento de las células y análisis de sus moléculas 179

 (Al muestra cargada en el (Bl proteína con dos
gel mediante una pipeta subunidades, A y B,
unidas entre sf mediante proteína de una
cátodo un enlace disulluro sola subunidad
e caja de plástico A e

Figura 4-42 Electroforesis en gel de pollacrilamlda con SDS (SDS-PAGE).

(A) Aparato. (B) Las distintas cadenas polipeptídicas forman un complejo con
las moléculas cargadas negativamente de dodecil sulfato sódico (SDS) y, B
entonces, migran en forma de complejo proteína-SDS cargado
negativamente, a través de un gel poroso de poliacrilamida. Puesto que la e
velocidad de migración en estas condiciones es mayor cuanto menor sea el
polipéptido, esta técnica puede utilizarse para determinar de una forma
aproximada el peso molecular de una cadena polipeptídica, así como la A
composición de subunidades de una proteína. Sin embargo, si la proteína
contiene una gran cantidad de carbohidratos, se desplazará de forma
anómala por el gel, de forma que su peso molecular aparente estimado por la
SDS-PAGE será erróneo.
lámina de gel de poliacrilamida

lécula de proteína se une a una gran cantidad de moléculas del detergente, car-
gadas negativamente, que anulan la carga intrínseca de la proteína y hacen que
cuando se aplica un voltaje la proteína migre hacia el electrodo positivo. Las
proteínas del mismo tamaño tienden a comportarse de forma idéntica ya que
(1) su estructura nativa está completamente desplegada por el SDS, por lo que
presentan la misma forma, y (2) unen la misma cantidad de SDS y por tanto tie-
nen la misma cantidad de carga negativa. Las proteínas grandes, con mayor car-
ga, están sujetas a grandes fuerzas eléctricas pero también a mayores resisten-
cias. En solución libre, ambos efectos podrían contrarrestarse, pero en las redes
del gel de poliacrilamida, que actúa como un filtro molecular, las grandes proteí-
nas son retardadas mucho más severamente que las pequefias. En consecuen-
cia, una mezcla compleja de proteínas es fraccionada en series de bandas protei-
cas discretas, que se hallan ordenadas en función de su peso molecular (Figura
4-42). Las proteínas mayoritarias se detectan fácilmente tifuendo el gel con un
colorante como el azul de Coomassie, mientras que las proteínas minoritarias se
pueden visualizar en los geles tratados con una sal de plata (pudiéndose detectar
en cada banda una cantidad tan pequeña como 10 ng de proteína).
La electroforesis en gel de poliaclilamida con SDS es un procedimiento más
poderoso que cualquier otro método anterior de análisis de proteínas, principal-
mente debido a que puede utilizarse para separar todos los tipos de proteínas,
incluyendo las que sean insolubles en agua. Pueden resolverse proteínas de
membrana, proteínas componentes del cítoesqueleto y proteínas que forman
parte de grandes agregados macromoleculares. Debido a que el método separa
los polipéptidos en función de su tarnafio, también proporciona información so-
bre el peso molecular y la composición de subunidades de cualquier complejo

180 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

 Figura 4-43 Análisis de muestras proteicas por electroforesis en gel de 2 3 4 5
.__ _.,. peso
poliacrilamida con SDS. La fotografía muestra un gel que se ha utilizado para molecular
detectar las proteínas presentes en los sucesivos estadios de la purificación 100 000
de una enzima. El carril izquierdo (carril l) contiene la mezcla compleja de
proteínas en el extracto celular de partida, y cada uno de los carriles
sucesivos analizan las proteínas obtenidas después de un fraccionamiento
cromatográfico de la muestra de proteínas analizada en el carril anterior
(véase Figura 4-40). En cada carril se cargó la misma cantidad de proteína
(10 µg). Normalmente, cada proteína aparece como una fina banda teñida; 40 000
sin embargo, las bandas se ensanchan cuando contienen demasiada
proteína. (Por cortesía de Tim Formosa.)

proteico. En la Figura 4-43 se presenta una fotografía de un gel utilizado para

analizar cada una de las sucesivas etapas de la purificación de una proteína.

Mediante electroforesis bidimensional sobre gel

de poliacrilamida, se pueden resolver más
de 1000 proteínas sobre un mismo gel25 15 000

Dado que en un cromatograma las bandas muy próximas tienden a superponer-

se, cualquier método unidimensional de separación, como la electroforesis en
gel de poliacrilamida con SDS o la cromatografía, sólo pueden resolver un nú-
mero relativamente reducido de proteínas (por lo general menos de 50). Por el
contrario, la electroforesis bidimensional sobre gel, que combina dos procedi-
mientos diferentes de separación, puede ser utilizada para resolver más de 1000
proteínas diferentes, en forma de un mapa proteico bidimensional.
En el primer paso, las proteínas son separadas en función de su carga. La
muestra se disuelve en un volumen reducido de una solución que contenga un de-
tergente no ió-nico (no cargado) y un reactivo desnaturaJizante como la urea o el
mercaptoetanol. Esta solución disuelve, desnaturaliza y disocia todas las cadenas
polipeptídicas sin alterar su carga intrínseca. Luego, las cadenas polipeptídicas
son fraccionadas mediante un procedimiento denominado enfoque isoeléctrico o
isoelectroenfoque, que se basa en el hecho de que la carga neta de una molécula
proteica varia con el pH de la solución. Para cada proteína existe un pH caracterís-
tico, denominado punto isoeléctrico, al que la proteína no presenta carga neta y,
por lo tanto, no migrará en un campo eléctrico. En el isoelectroenfoque las proteí- Figura 4-44 Separación de moléculas
nas son sometidas a electroforesis en un tubo estrecho de gel de poliacrilamida en proteicas por isoelectroenfoque. A pH
el que se ha establecido un gradiente de pH mediante unas mezclas de amortigua- bajo (elevada concentración de H+) los
dores especiales. Cada proteína se desplaza basta la zona de gradiente que presen- grupos ácido carboxilo de las proteínas
ta un pH igual a su punto isoeléctrico, y allí permanece inmóvil (Figura 4-44). Ésta tienen tendencia a quedar sin carga
es la primera dimensión de la electroforesis bidimensional sobre gel. (-COOl-1) y los grupos nitrogenados
En el segundo paso, el estrecho gel que contiene las proteínas separadas se básicos, a quedar cargados (por
somete otra vez a electroforesis, pero en una dirección perpendicular a la utiliza- ejemplo, - Nl'l3•J confiriendo a la
da en el primer paso. Esta vez se afiade SDS, y las proteínas son separadas en mayoría de las proteínas una carga
neta positiva. A un pH elevado, los
grupos ácido carboxilo están cargados
0 0 negativamente (-COQ-¡ y los grupos
básicos tienden a estar sín~carga (por
a un pH bajo,
ejemplo, -NH2), confiriendo ala

:.-
4 la proteína
está cargada mayoría de las proteínas una carga
'a. 5 positivamen1e
~ neta negativa. A su pH isoeléctrico una
~ 6
:¡;
- +- proteína carece de carga neta debido a
!= 7 J que las cargas positivas y negativas se
.!i
.,,
-~ 8
=9
e,
..t.
.-~-~ en el punto isoeléc1rico
la proteína carece de
carga neta, por lo que
deja de desplazarse en
anulan. Asf, cuando un tubo que
contiene un determinado gradiente de
pH se somete a un campo eléctrico
el campo eléc1rico; pera
a un pH alto, la proteína de la intenso, cada tipo de proteína migra
10 la proteína ilustración el pH
está cargada hasta formar una banda bien
negativamente ~--~ lsoeléctrico es 6,5
delimitada en su pH isoeléctrico, como
0 0 0 se muestra en la ilustración.

Fraccionamiento de las células y análisis de sus moléculas 181

 básico - gradiente estable de pH - ácido Flgura4-45 Electroforesis
.-----:---::-:".:-r.::-::-:-:-,,-------.........,.....-,......-~ -- ------.,........,,-:-,......-......n---~,...... bidimensional sobre gel de
pollacrllamida. En este gel se separan
100 todas las proteínas de una bacteria
;
)(
E. coli; cada mancha corresponde a una
cadena polipeptfdica diferente. Las
iv proteínas fueron separadas primero de
:i
ál acuerdo con sus puntos isoeléctricos
o mediante isoelectroenfoque, de
E 50
izquierda a derecha. Después fueron
fil
.e
V)
fraccionadas de nuevo según sus pesos
o moleculares mediante electroforesis
V)
en presencia de SOS, de arriba a abajo.
Obsérvese que las distintas proteínas
se hallan presentes en cantidades muy
diferentes. La bacteria fue alimentada
con una mezcla de aminoácidos
marcados con radioisótopos, de
manera que todas sus proteínas
,. resultaron radiactivas y pudieron
fácilmente detectarse mediante
autorradiograffa (véase pág. 191).
(Por cortesía de Patrick O'Farrell.)
función de su tamaño, como en el caso de la SDS-PAGE de una dimensión: el es-
trecho gel original se empapa en SOS y se sitúa en un borde de w1a lámina de gel Figura 4-46 Transferencia de tipo
Western (Western blotting) o
de poliacrilamida-SDS, a través del cual cada cacten . polipeptfdica migra for-
lmmunoblotting. Todas las proteínas
mando una mancha discreta. Ésta es la segunda dimensión de la electroforesis
de células del tabaco en división
bidimensional sobre gel de poliacrilamida. Las únicas proteínas que no se resol- mantenidas en cultivo se separaron
verían serían las que tuvieran un tamaño idéntico y un punto isoeléctrico idénti- primero mediante electroforesis
co, lo cual es relativamente poco frecuente. Por este sistema pueden detectarse bidimensional sobre gel de
sobre el gel incluso cantidades traza de cada una de las cadenas polipeptfdicas, poliacrilamida, como se muestra en la
mediante diversos procedimientos de tinción - o por medio de autorradiografía Figura 4-45, y sus posiciones se
si la muestra estaba marcada con un radioisótopo. En un mismo gel bidimensio- revelaron mediante una tinción sensible
nal se pueden separar hasta 2000 cadenas polipeptídicas -lo cual constituye la a las proteínas (AJ. Las proteínas
mayor parte de las proteínas de una bacteria- (Figura 4-45). Este sistema tiene separadas en un gel idéntico al anterior
un poder de resolución tan elevado que permite diferenciar fácilmente dos pro- se transfirieron a un papel de
teínas idénticas entre sí que solamente se diferencian en un solo aminoácido nitrocelulosa, el cual se incubó con un
anticuerpo que reconoce las proteínas
cargado.
que durante la mitosis resultan
Tras su resolución tanto en geles unidimensionales como bidimensionales,
fosforiladas en residuos de treonina. Se
una determinada proteína puede identificarse exponiendo todas las proteínas reveló la posición de la docena de
presentes a un anticuerpo específico que ha sido acoplado a un isótopo radiacti- proteínas de este tipo que son
vo, a una enzima fácilmente detectable o a un colorante fluorescente. Por conve- reconocidas por este anticuerpo,
niencia, normalmente esto se realiza después de que todas las proteínas presen- mediante un segundo anticuerpo unido
tes en el gel se han transferido (mediante "blotting") a una lámina de papel de a una enzima (B). (De J.A. Traas, A.F.
nitrocelulosa, como describiremos más adelante para los ácidos nucleicos (véa- Bevan, J.H. Doonan, J. CordeweneryP.J.
se Figura 7-13). Este método de detección de proteínas se denomina transferen- Shaw. Plantfournal 2:723-732, 1992, con
cia de tipo Western (Western blotting) (Figura 4-46). permiso de Blackwell Scientific Publ)

182 Capítulo 4: Cómo se estudian las células

 Tabla 4-7 Hitos en el desarrollo de la cromatografía y de la electroforesis y de su
aplicación a las moléculas biológicas

1833 Faraday describió las leyes fundamentales sobre el paso de la electricidad a

través de soluciones iónicas.
1850 Runge separó compuestos químicos inorgánicos en función de su adsorción
diferencial sobre el papel, técnica precursora de las posteriores separaciones
cromatográficas.
1906 Tswett inventó la cromatografía en columna, pasando extractos de petróleo de
hojas de plantas a través de columnas de greda en polvo.
1933 Tiselius introdujo la electoforesis para separar proteínas en solución.
1942 Martín y Synge desarrollaron la cromatografía de partición, que dos afi.os más
tarde condujo a la cromatografía en papel.
1946 Stein y Moore detenn.inaron por primera vez la composición de aminoácidos
proteína
de una proteína utilizando inicialmente una columna cromatográfica de nativa
almidón y desarrollando posteriormente la cromatografía sobre resinas
intercambiadoras de iones.
1955 Smithies utilizó geles preparados con almidón para separar las proteínas
séricas mediante electroforesis.
Sanger completó el análisis de la secuencia de aminoácidos de la insulina
bovina, que fue la primera proteína que se secuenció.
1956 Ingram produjo las primeras "huellas dactilares" de proteínas, demostrando
1
que la diferencia entre la hemoglobina de la anemia falciforme y la LA INCUBACIÓN CON
hemoglobina normal radica en la variación de un solo aminoácido. TRIPSINA GENERA
1959 Raymond introdujo los geles de poliacrilamida, mejores que los de almidón, UNA MEZCLA DE PÉPTIDOS
para separar proteínas por electroforesis; en los afios siguientes, Ornstein y
Davi.s desarrollaron mejores sistemas de amortiguadores que permitieron la
!
~~l
separación a elevada resolución.
1966 Maizel introdujo el uso del dodecil sulfato sódico (SDS) para mejorar la
electroforesis en gel de poliacrilarnida de las proteínas.
1975 O'Farrell ideó el sistema bidimensional sobre gel para analizar mezclas de
proteínas; la electroforesis en gel de poliacrilamida con SDS se combinó con
C-'i.V
la separación según el punto isoeléctrico.

LA CROMATOGRAFÍA Y LA
ELECTROFORESIS PRODUCEN
En la Tabla 4-7 se presentan algunos hitos en el desarrollo de la cromatogra- UN MAPA DE DOS DIMENSIONES,
fía y la electroforesis. O "HUELLA DACTILAR", DIAGNÓSTICO
DE LA PROTEÍNA

La hidrólisis selectiva de una proteína genera un conjunto

característico de fragmentos peptídicos26 l
Aunque el peso molecular y el punto isoeléctrico son rasgos característicos de
una proteína, la identificación inequívoca de una proteína se basa, en último
término, en la determinación de su secuencia de aminoácidos. La primera fase
de este proceso, que consiste en la rotura de la proteína en fragmentos más pe-
quefios, puede proporcionar por sí misma mucha información útil que ayude a
caracterizar la molécula. Disponemos de enzimas proteolfticas y de reactivos
químicos que rompen las proteínas entre determinados residuos de aminoáci-
dos (Tabla 4-8). La enzima tripsina, por ejemplo, corta por el lado carboxilo de - cromatoQrafía . -
los residuos de lisina o de arginina, mientras que el compuesto químico bromu-
ro de cianógeno corta los enlaces peptídicos próximos a los residuos de metioni- Figura 4-47 Confección de un mapa
na. Puesto que estas enzimas y compuestos químicos actúan en un número rela- pepúdlco, o huella dactilar, de una
proteína. En este caso, la proteína fue
tivamente reducido de lugares de una proteína, tienden a producir un número
digerida con tripsina, generándose una
relativamente pequeño de péptidos, que son bastante largos. Si una mezcla de
mezcla de numerosos fragmentos
péptidos como ésta se separa mediante cromatografía o electroforesis, el patrón polipeptídicos pequeños diferentes,
resultante, o mapa peptídico, tiene un valor de diagnóstico de la proteína a par- que luego se fraccionaron en dos
tir de la cual fueron generados los péptidos, y a veces recibe el nombre de "hue- dimensiones mediante electroforesis y
lla dactilar" de la proteína (Figura 4-47). cromatografía de partición. El patrón
La determinación de las "huellas dactilares" de las proteínas fue desarrolla- de manchas obtenido tiene valor
da en 1956 como un sistema para comparar la hemoglobina normal con la forma diagnóstico para la proteína analizada.

· Fraccionamiento de las células y análisis de sus moléculas 183

 -
Tabla 4-8 Algunos de los reactivos utilizados normalmente para romper los
enlaces pepúdicos de las proteínas

Aminoácido l Aminoácido 2
Enzima
Tripsina LysoArg cualquiera
Quirnotripsina Phe, Trp o Tyr cualquiera
Proteasa va Glu cualquiera
Compuesto químico
Bromuro de cianógeno Met cualquiera
2-Nitro-5-tiocianobenzoato cualquiera Cys
Se indica la especificidad por los aminoácidos de ambos lados del enlace que se rompe. El gru-
po carboxilo del aminoácido l se libera por la rotura; este aminoácido queda a la izquierda del
enlace peptfdico tal como se escribe normalmente (véase Panel 2-5, págs. 58-59).

mutante de la proteína encontrada en pacientes que sufren de anemia falcifor-

me. Se encontró un solo péptido diferente entre ambas formas de hemoglobina,
diferencia que más tarde se atribuyó a un solo aminoácido cargado, demostrán-
dose por primera vez que una mutación puede cambiar un solo aminoácido de
una proteína.

Mediante máquinas automatizadas pueden analizarse

secuencias cortas de aminoácidos27
Cuando una proteína ha sido fragmentada en pequeños péptidos, el siguiente
paso lógico del análisis consiste en determinar la secuencia de aminoácidos de
cada fragmento peptfdico aislado. Esto se realiza mediante una serie repetida
de reacciones químicas, proceso ideado originalmente en 1967. Primeramente el
péptido se expone a un compuesto químico que únicamente forma un enlace
covalente con el grupo amino libre del extremo amino terminal del péptido.
Luego, este compuesto químico es activado mediante su exposición a un ácido
débil, con lo que se rompe específicamente el enlace peptídico que une el ami-
noácido amino terminal a la cadena polipeptídica; seguidamente el aminoácido
que se ha separado se identifica utilizando métodos cromatográficos. A conti-
nuación, el péptido restante, que tiene un aminoácido menos, se somete a la
misma secuencia de reacciones, y así sucesivamente hasta que todos los amino-
ácidos del péptido hayan sido determinados.
La naturaleza reiterativa de estas reacciones conduce por sí misma a la auto-
matización; existen máquinas comerciales, denominadas secuenciadores de
aminoácidos, que permiten la determinación automática de la secuencia de
aminoácidos de fragmentos peptídicos. El paso final del proceso consiste en co-
locar las secuencias _d e aminoácidos de los diferentes fragmentos peptídicos en
el orden en que se presentan en la cadena peptídica intacta. Tradicionalmente
esto se realiza comparando y superponiendo las secuencias de diferentes grupos
de fragmentos peptídicos obtenidos mediante fraccionamiento de la misma
protema utilizando diferentes enzimas proteolfticas.
Los adelantos tecnológicos han aumentado marcadamente la velocidad y la
sensibilidad de la determinación de la secuencia de aminoácidos de protemas,
permitiendo el análisis de muestras diminutas; en una sola noche y a partir de
pocos microgramos de proteína -la cantidad disponible a partir de una única
banda en un gel de poliacrilamida- se puede obtener la secuencia de varias do-
cenas de aminoácidos del extremo amino terminal de un péptido. Este procedi-
miento ha resultado importante para caracterizar muchas proteínas celulares
minoritarias, como los receptores para las hormonas esteroideas y polipeptfdi-
cas. Frecuentemente la determinación de tan sólo 20 aminoácidos de la secuen-

184 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

 cia de una proteína es suficiente para lograr diseñar una sonda de DNA que per-
mita clonar su gen (véase Figura 7-27). Una vez se ha aislado el gen, el resto de la
secuencia de aminoácidos de la proteína se puede deducir en referencia al códi-
go genético. Ésta es una gran ventaja porque, incluso con automatización, la de-
terminación directa de la secuencia completa de una proteína resulta ser una ta-
rea dificil. Una proteína de 100 residuos puede ser secuenciada en un mes de
trabajo intenso, pero la dificultad se incrementa extraordinariamente tanto con
la longitud de la cadena polipeptídica como con las particularidades químicas
de los fragmentos peptfdicos individuales que impiden que el proceso sea ruti-
nario. Dado que la secuenciación del DNA puede hacerse de una forma más rá-
pida y sencilla (véase Capitulo 7), generalmente las secuencias de la mayoría de
las proteínas se determinan, en la actualidad, a partir de la secuencia de nucleó-
tidos de su gen.

La difracción de rayos X por cristales de proteína puede revelar la

estructura exacta de una proteína28
A partir de la secuencia de aminoácidos de una proteína pueden a menudo pre-
decirse los elementos de la estructura secundaria de la proteína, como las héli-
ces ex que atraviesan la membrana, así como el parecido de la proteína con otras
proteínas conocidas. Sin embargo por ahora no es posible deducir de forma se-
gura el plegamiento tridimensional de la proteína a partir de su secuencia 'de
aminoácidos, y sin conocer la estructura detallada no es posible comprender las
bases moleculares de su función. La principal técnica que se ha utilizado para
determinar la estructura tridimensional de las moléculas, incluidas las proteínas
a nivel atómico, es la cristalografía de rayos X.
Los rayos.X, como la luz, son una forma de radiación electromagnética, pero
de una longitud de onda mucho menor, típicamente de alrededor de 0,1 nm (el
. diámetro de un átomo de hidrógeno). Si se dirige un haz estrecho y paralelo de
rayos X a una muestra de una proteína pura, la mayoría de los rayos X pasarán a
su través. Sin embargo una pequeña fracción de ellos serán dispersados por los
átomos de la muestra. Si La muestra es un cristal bien ordenado, Los haces dis-
persados se reforzarán unos a otros en ciertos puntos (véase Figura 4-2) y apare-
cerán como manchas de difracción cuando los rayos X sean recogidos sobre un
detector (Figura 4-48).
La posición e intensidad de cada mancha en el patrón de difracción de ra-
yos X contiene información sobre las posiciones de los átomos en el cristal que
intentamos deducir. La deducción de la estructura tridimensional de una gran
molécula a partir del patrón de difracción de su cristal es una tarea compleja, y
no se consiguió para una molécula de proteína hasta 1960. Recientemente Los
análisis de difracción de rayos X se han automatizado cada vez más, y ahora el
proceso más lento es el de la producción de cristales proteicos adecuados. Ello
requiere grandes cantidades de una proteína muy pura y a menudo, supone
años de tanteo en la búsqueda de Las condiciones de cristalización adecuadas.
Todavía hay muchas proteínas, especialmente proteínas de membrana, que han
resistido todos Los intentos de cristalización.
El producto inmediato de un análisis de un patrón de difracción es un com-
plejo mapa tridimensional de densidades electrónicas. Interpretar este mapa re-
sulta una tarea complicada, y requiere la secuencia de aminoácidos de La proteí-
na. Fundamentalmente mediante prueba y error se consigue correlacionar la
secuencia y el mapa de densidades electrónicas mediante un ordenador, inten-
tando conseguir el mejor resultado. La fiabilidad del modelo atómico final de-
pende de la resolución de los datos cristalográficos iniciales: una resolución de
0,5 nm puede producir un mapa de baja resolución del esqueleto polipeptfdico,
mientras que una resolución de 0,15 nm permite situar todos los átomos (excep-
to los de hidrógeno) en La molécula. A menudo, un modelo atómico completo
resulta demasiado complejo para ser observado directamente, pero a partir de él
se pueden derivar versiones simplificadas que muestren las características es-

Fraccionamiento de las células y análisis de sus moléculas 185

 Figura 4-48 Cristalografía de rayos X. (A) Cristal proteico de ribulosa
bisfosfato carboxilasa, una enzima que juega un papel crucial en la fijación
de CO2 durante la fotosíntesis. (B), Patrón de difracción de rayos X obtenido a
partir del cristal. (C) Modelo simplificado de la estructura de la proteína
obtenido a partir de la información de la difracción de rayos X. El modelo
atómico completo es difícil de interpretar, pero esta versión muestra
claramente sus características estructurales (hélices a en verde, láminas ~ en
rojo). (A, por cortesía de C. Branden; B, por cortesía de J. Hajdu e L
(A) Andersson; C, adaptado del original cedido por B. Furugren.)

tructurales esenciales de la estructura (véase Figura 3-34). Mediante cristalogra-

fía de rayos X se ha determinado la estructura de varios centenares de proteínas,
lo cual es suficiente para empezar a entrever familias de estructuras comunes.
A menudo, estas estructuras resultan más conservadas durante la evolución que
las secuencias de aminoácidos que las forman.

También se puede determinar la estructura molecular

utilizando espectroscopia de resonancia magnética
nuclear (NMR) 29
La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR, de Nuclear Magne-
tic Resonance) se había utilizado para analizar la estructura de pequeñas molé-
culas y actualmente se utiliza cada vez más para estudiar la estructura de peque-
ñas proteínas o de dominios proteicos. A diferencia de la cristalografía de rayos
X, la NMR no requiere tener una muestra cristalizada; simplemente necesita un
pequeño volumen de una solución proteica concentrada, la cual se coloca en un
fuerte campo magnético.
Algunos núcleos atómicos, particularmente los de hidrógeno, tienen un mo-
mento magnético o espín: e~ decir, tienen una magnetización intrínseca, como
una barra magnética. El espín se alinea en el interior de un fuerte campo magné-
tico, pero puede variarse a un estado semialineado al ser excitado en respuesta a
una aplicación de pulsos de radiofrecuencia (RF) de radiación electromagnética.
Cuando los núcleos de hidrógeno excitados se relajan a su estado alineado, emi-
ten radiación RF, la cual puede ser medida y expresada en forma de espectro. La
naturaleza de la radiación emitida depende del ambiente de cada núcleo de hidró-
geno, de forma que si se excita un núcleo influirá la absorción y la emisión de ra -

186 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

 r •• • • , .• 1·~-
!
,' ..
i.
.. ."' . .. T' ~

(A) (B)

diación de otro núcleo que esté suficientemente cerca de él. Por tanto es posible, Figura 4-49 Espectroscopia de NMR.
mediante una ingeniosa elaboración de la técnica básica de NMR conocida como (A), ejemplo de los datos obtenidos a
NMR bidimensional, distinguir las señales procedentes de núcleos de hidrógeno de partir de un aparato de NMR. Se trata
diferentes residuos de aminoácidos e identificar y medir los pequeños cambios de de un espectro bidimensional de NMR
derivado del dominio carboxilo
estas señales que ocurren cuando estos núcleos de hidrógeno se acercan suficien-
terminal de la enzima celulasa. Las
temente como para interactuar entre sí: la magnitud del cambio revela la distancia
manchas representan interacciones
entre el par de átomos de hidrógeno que interactúan. De esta forma, la NMR pue-
entre átomos de hidrógeno que en la
de aportar información sobre las distancias entre zonas de la molécula de proteína. proteína son casi vecinos. Diferentes
Combinando esta información con la de la secuencia de aminoácidos, es posible, programas de cálculo por ordenador
en principio, descubrir la estructura tridimensional de la proteína (Figura 4-49). junto con la secuencia de
Por razones técnicas, por espectroscopia de NMR solamente se pueden de- aminoácidos, que debe ser conocida,
terminar las estructuras de pequeñas proteínas, como máximo de entre 15 000 y permiten derivar posibles estructuras
20 000 daltons, y resulta muy improbable que el método pueda abordar el estu- compatibles. En (B) se presentan
dio de moléculas mayores de 30 000-40 000 daltons. Sin embargo, muchos do- superpuestas 10 estructuras, cada una
minios funcionales de proteínas son mucho más pequeños que estos tamaños, y de las cuales satisface tan bien como
a menudo pueden obtenerse en forma de estructuras estables, analizables por las demás las distancias de
NMR. Ello resulta especialmente útil cuando la proteína se ha resistido a ser cris- constricción calculadas. El conjunto
de estructuras constituye un buen
talizada. Por ejemplo, de esta forma se han determinado las estructuras de los
indicador de la estructura
dominios de unión a DNA de varias proteínas reguladoras de genes. La NMR
tridimensional más probable. (Por
también se utiliza con éxito para investigar moléculas no proteicas, y por ejem- cortesía de P. Kraulis.)
plo resulta valiosa como método para descubrir las estructuras de las complejas
cadenas hidrocarbonadas laterales de las glucoproteínas.
En la Tabla 4-9 se recogen algunos hitos del desarrollo de la cristalograffa de
rayos X y de la NMR.

Resumen
Las poblaciones celulares pueden ser analizadas bioquimicamente, disgregáruiolas
y fraccionando su contenido por ultracentrifugación. Posteriores fraccionamientos
permiten el desa"ollo de sistemas libres de células; estos sistemas son necesarios
para determinar los detalles moleculares de procesos celulares complejos. De esta
manera, actualmente se estudian, por ejemplo, la síntesis proteica, la replicación
del DNA, la madi,ración del RNA y varios tipos de transporte intracelular. El peso
moleculary la composición de subunidades de incluso muy pequeñas cantidades de
una prote(na se pueden detemiinar mediante electroforesis en gel de poliacrilami-
da con SDS. En electroforesis bidimensional e,i gel las proteinas se resuelven como
manchas separadas mediante isoelectroenfoque en una dimensión seguido de elec-
troforesis en gel de poliacrilamida con SDS en la segunda dimensión. Estas separa-

Fraccionamiento de las células y análisis de sus moléculas 187

Tabla 4-9 Hitos del desarrollo de la cristalografía por rayos X y de su aplicación a
las moléculas biológicas

1864 Hoppe-Seyler cristalizaron y dieron nombre a la proteína hemoglobina.

1895 Rontgen observó que cuando los rayos catódicos (electrones) inciden sobre un
blanco de metal, se produce una nueva forma de radiación penetrante, que
denominó rayos X.
1912 vonLaue obt uvo los primeros modelos de difracción de rayos X, haciendo
pasar rayos X a través de un cristal de sulfuro de zinc.
W.L. Bragg propuso una relación simple entre un patrón de difracción de rayos
X y la disposición de los átomos en el cristal que produce este patrón.
1926 Summer obtuvo cristales de la enzima ureasa a partir de extractos de judías, y
demostró que las proteínas tienen actividad catalítica.
1931 Paullng publicó sus primeros ensayos sobre "la naturaleza del enlace
químico", detallando las reglas del enlace covalente.
1934 Bernal y Crowfoot presentaron los primeros modelos detallados de difracción
de rayos X de una proteína, obtenidos a partir de cristales de la enzima
pepsina.
1935 Patterson desarrolló un método analítico para determinar las distancias
interatórnicas a partir de los datos de difracción de rayos X.
1941 Astbury obtuvo el primer patrón de difracción de rayos X del DNA.
1951 Paulln y Corey propusieron la estructura de una conformación helicoidal de
una cadena de aminoácidos L, - la héli.ce a - y la estructura de la lámina 13, la
presencia de las cuales más tarde fue descrita en numerosas proteínas.
1953 Watson y Crick propusieron el modelo de doble hélice del DNA, basándose en
los patrones de difracción de rayos X obtenidos por Franklin y Wilkins.
1954 Perutz y colaboradores desarrollaron métodos de átomos pesados para
solucionar el problema de fases en la cristalografía de las proteínas.
1960 Kendrew describió la primera estructura detallada de una proteína (la
mioglobina de cachalote) hasta una resolución de 0,2 nm, y Perutz propuso
una estructura de resolución menor de la hemoglobina, una proteína mayor
que la anterior.
1966 Phillips describió la estructura de la Hsozima, la primera enzima que fue
analizada en detalle.
1971 Jeener propuso la utilización de NMR bidimensional, y Wuthrich y
colaboradores durante los primeros años de la década de 1980 utilizaron por
primera vez este método para resolver la estructura de una proteína.
1976 Kim y Rich, y Klug y colaboradores describieron la estructura tridimensional
del tRNA, determinada mediante difracción de rayos X.
1977-1978 Holmes y Klug determinaron la estructura del virus del mosaico del
tabaco (TMV), y Har.Fison y Rossman determinaron la estructura de dos
pequeños virus esféricos.
1985 Michel y colaboradores determinaron la primera estructura de una proteína
transmembrana (un lugar de reacción fotosi.ntético) medi.ante cristalografía
de rayos X. Henderson y colaboradores obtuvieron la estructura de la
bacteriorrodopsina, una proteína transmembrana, mediante métodos de
microscopia electrónica entre 1975 y 1990.

ciones electroforética,s pueden aplicarse incluso a prote{nas qite nonnalmente son

insolubles en agua.
Las prote{nas mayoritarias de extractos celulares solubles piteden ser purifica-
da.s por cromatografla en colum11a; dependiendo del tipo de matriz de la columna,
se piteden separa protefnas biológicamente activas, en función de sit peso molecu-
lar, de su hidrofobicidad, de sus características de carga, o de su afinidad por otras
moléCltlas. En una purificación tfpica, la muestra se pasa sucesivamente a través de
varias columnas diferentes - las fracciones enriquecida.s obteriidas en 1t11a columna
se aplican a la cobimna siguiente. Una vez que la prote{na ha sido pitrificada hasta
homogeneidad, se piteden estudiar con detalle sus actividades biológicas. Además,
se puede determinar itna pequeña porción de sit secuencia de aminoácidos y, sobre
ella, se puede clonar la secitencia de DNA que codifica la prote{na completa; a par-

188 Capítulo 4: Cómo se estudian las células

tir de la secuencia de nucleótidos del DNA clonado se puede deducir la secuencia
de aminoácidos restante. La secuencia de aminoácidos es necesaria para determi-
nar le estructura tridimensional de una prote{na, pero no es suficiente. Para deter-
minar esta estructura a una resolución atómica, las protefoas mayores se han de
cristalizar y estudiar por difracción de rayos X. La estructura de pequeñas prote{-
nas en solución se puede determinar utilizando análisis de resonancia magnética
nuclear.

Siguiendo el rastro y cuantificando las moléculas

del interior de las células
Los métodos clásicos de microscopia ofrecen buenas visiones de la arquitectura
de la célula, pero no demasiada información sobre la química celular. En biolo-
gía celular a menudo resulta importante determinar las cantidades de determi-
nadas moléculas y conocer dónde se hallan localizadas en el interior de la célula
y de qué manera cambia su cantidad o localización en respuesta a señales extra-
celulares. Las moléculas de interés varían desde pequeños iones inorgánicos
como el Ca2• o el H+hasta grandes moléculas como determinadas proteínas, mo-
léculas de RNA o de DNA.
Se han desarrollado métodos sensibles para cuantificar cada uno de estos ti-
pos de moléculas y para seguir el comportamiento dinámico de la mayoría de
ellas en las células vivas. En esta sección describirnos de qué manera se pueden
introducir sondas específicas en el interior de la célula viva para monitorizar las
condiciones químicas del citosol. Además se presentan otros dos métodos de
detección ampliamente utilizados en biología celular: los que utilizan radioisó-
topos y los que utilizan anticuerpos. Ambos métodos son capaces de detectar
con una gran sensibilidad una molécula determinada en una mezcla compleja:
en condiciones óptimas pueden detectar menos de 1000 copias de una molécula
en una muestra.

Los átomos radiactivos pueden ser detectados

con una gran sensibilidad3º
La mayoría de los elementos que se presentan en la naturaleza son una mezcla
de isótopos ligeramente diferentes. Estos isótopos se diferencian entre sí por la
masa de sus núcleos atómicos, pero como tienen el mismo número de electro-
nes, tienen las mismas propiedades químicas. Los núcleos de los isótopos ra-
diactivos, o radioisótopos, son inestables y sufren desintegraciones de forma
Tabla 4-1O Algunos radioisótopos
aleatoria en el tiempo, produciendo diferentes átomos. En el transcurso de estas utilizados habitualmente en la
desintegraciones emiten partículas energéticas subatómicas como electrones, o investigación biológica
radiaciones como los rayos y. Utilizando sistemas de síntesis química para incor-
po.rar uno o más átomos radiactivos a pequeñas moléculas de interés, como un Período
azúcar o un aminoácido, se puede seguir el destino de esta molécula durante de semi-
cualquier reacción biológica. Isótopo desintegración
Aunque los radioisótopos naturales son poco frecuentes (a causa de su ines- 32p
14 días
tabilidad), se pueden producir en grandes cantidades en reactores nucleares en 131J 8,1 días
los que diferentes átomos se bombardean con partículas de alta energía. Como 35$ 87 días
resultado de ello, hoy disponemos de las formas marcadas radioisotópicamente uc 5570años
de muchos compuestos importantes desde el punto de vista biológico (Tabla 45
Ca 164días
4-10). La radiación que emiten se detecta de diversas maneras. Los electrones sH 12,3 años
(partículas ~) pueden ser detectados en un contador Geiger por la ionización que
producen en un gas, o pueden ser cuantificados con un contador de centelleo Los isótopos están enumerados en orden
decreciente de la energía de la radiación (.3
gracias a las pequeñas chispas de luz que generan en un líquido de centelleo. Es- (electrones) que emiten. El 1311 también
tos métodos hacen posible la medida de la cantidad de un radioisótopo determi- emite radiación y. El período de semides-
nado que existe en una muestra biológica. También es posible determinar la lo- integración es el tiempo necesario para
calización de un radioisótopo en una muestra utilizando una autorradiografla, que se desintegre un 50% de los átomos
de un isótopo.
como describiremos posteriormente. Todos estos métodos de detección son ex-

Siguiendo el rastro y cuantificando las moléculas del interior de las células 189
 F

traordinariamente sensibles: en condiciones favorables pueden detectar casi to-

das las desintegraciones que se producen -y por lo tanto casi todos los átomos
radiactivos que se desintegran.

Los radioisótopos se utilizan para marcar las moléculas

en las células y en los organismos y seguirles la pista31
Una de las primeras aplicaciones de la radiactividad a la biología consistió en se-
guir la ruta química del carbono durante la fotosíntesis. Se mantuvieron algas
verdes unicelulares en una atmósfera que contenía C02 marcado radiactivamen-
te (14C02 ) y, tras períodos variables de tiempo después de haber sido expuestos a
la luz solar, se separaron sus contenidos solubles mediante cromatografía en pa-
pel. Colocando una hoja de película fotográfica sobre el cromatograma seco se
detectaron las pequeñas moléculas que contenían 14C derivado del C02 • De esta
manera se identificaron los principales componentes de la vía fotosintética, des-
de el C02 hasta el azúcar.
Las moléculas radiactivas pueden ser utilizadas para seguir el curso de casi
todos los procesos celulares. Un experimento típico puede consistir en añadir a
las células un precursor en su forma radiactiva. Las moléculas radiactivas se
mezclarán con las moléculas preexistentes no marcadas; ambos tipos de molé-
culas serán tratados de forma idéntica por la célula ya que sólo se diferencian en
el peso de su núcleo atómico. Se podrán seguir los cambios de la localización o
de la forma química de las moléculas radiactivas en función del tiempo. A me-
nudo, se puede aumentar la resolución de estos experimentos utilizando un pro-
tocolo de marcaje denominado de pulso y caza, en el que el material radiactivo
(el pulso) se añade únicamente durante un período de tiempo muy corto y des-
pués es eliminado mediante lavado y substituido por moléculas no radiactivas. A
intervalos regulares de tiempo se toman muestras y en cada una de ellas se iden-
• tífica la forma química o se localiza la radiactividad (la caza) (Figura 4-50). Los
experimentos de pulso y caza combinados con la autorradiografía (véase más
adelante) han sido importantes por ejemplo para dilucidar el camino seguido
por Las proteínas de secreción desde el retículo endoplásmico hasta el exterior
celular (Figura 4-51).
El marcaje radioisotópico solamente es valioso como sistema para ctiferen-
ciar moléculas que son químicamente idénticas pero que tienen historias dife-
rentes - por ejemplo, moléculas que se ctiferencian en su momento de síntesis.
De esta manera, por ejemplo, se demostró que casi todas las moléculas de una
célula viva son degradadas y reemplazadas por otras continuamente, incluso
cuando la célula no está creciendo y aparentemente se encuentra en estado es-
tacionario. Estos procesos de "recambio" que algunas veces tiene lugar muy len-
tamente, serían imposibles de detectar sin el uso de radioisótopos.
Actualmente casi todas las pequeñas moléculas comunes están disponibles
comercialmente en forma radiactiva y prácticamente cualquier molécula bioló-
gica, por muy complicada que sea, puede marcarse con radiactividad. Los com-
puestos se pueden marcar con radiactividad incorporando átomos radiactivos
en posiciones determinadas de su estructura, Jo cual permite seguir los diferen-
Figura 4-50 Lógica de un •
experimento úpico de pulso y caza
PULSO CAZA utilizando radioisótopos. Los
recipientes marcados con A, B, C y D
representan compartimentos
diferentes de la célula (detectados
mediante técnicas de autorradiografía
o de fraccionamiento celular) o bien
compuestos químicos distintos
(detectados mediante cromatografía u
otros métodos químicos). En la Figura
4-51 se presentan resultados reales de
un experimento de pulso y caza.

190 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

 (A) (B)
1µm

tes destinos de distintas zonas de una misma molécula durante las reacciones Figura 4-51 Autorradlografía al
biológicas (Figura 4-52). microscopio electrónico. Resultados
Una de las aplicaciones importantes de la radiactividad a la biología celular de un experimento de pulso y caza en
consiste en la localización por autorradiograffa de compuestos radiactivos en el que células B pancreáticas se
secciones de células enteras o de tejidos. En este procedimiento las células vivas mantuvieron durante 5 minutos con
son expuestas brevemente a un pulso de un compuesto radiactivo determinado leucina 3 H (el pulso) y a continuación
se colocaron en un medio con un gran
y se incuban durante un período variable de tiempo -para permitir que el com-
exceso de leucina no marcada (la
puesto se incorpore- antes de fijarlas y tratarlas para microscopia óptica o elec- caza). Una gran cantidad del
trónica. Cada preparación es recubierta posteriormente con una fina película de aminoácido se incorpora a la insulina,
una emulsión fotográfica y se coloca en la obscuridad varios días durante los la cual es wia proteína de secreción.
cuales parte del radioisótopo se desintegra. Entonces la emulsión se revela y se Tras 10 minutos de caza, la proteína
determina la posición de la radiactividad en cada célula mediante la posición de marcada se ha desplazado desde el
los granos oscuros de plata generados (véase Figura 4-51). Así por ejemplo, la in- redculo endoplasrnático rugoso hasta
cubación de células con un precursor radiactivo del DNA (timidina 3H), muestra las cisternas del Golgi (A), donde se
que el DNA se sintetiza en el núcleo y permanece allí. En cambio el marcaje de puede localizar mediante los granos
la células con un precursor radiactivo de RNA (uridina 3H) revela que el RNA se negros de plata de la emulsión
sintetiza inicialmente en el núcleo de la célula pero que luego se desplaza rápi- fotográfica. Tras los 45 minutos de
damente hacia el citoplasma. Las moléculas marcadas con radiactividad tam- caza siguientes la proteína marcada se
encuentra en los gránulos de secreción
bién pueden ser detectadas por autorradiografía después de haber sido sepa-
electrodensos (B). Los pequeftos
radas de otras moléculas mediante electroforesis en gel: de esta manera se
granos de plata redondeados que se
detecta habitualmente la posición tanto de las proteínas (véase Figura 4-45) aprecian aquí se han producido
como de los ácidos nucleicos (véase Figura 7-5). Además cuando se utilizan mo- utilizando un revelador fotográfico
léculas de ácidos nucleicos marcadas radiactivamente como sondas para buscar especial y no deben confundirse con
moléculas de ácidos nucleicos complementarias a ellas, se utiliza la autorra- los puntos negros similares que
diograffa para detectar la posición y la cantidad de estas moléculas que se hibri- aparecen en los métodos de marcaje
dan con la sonda, tanto sobre un gel como sobre la sección de un tejido (véase inmunológico (por ejemplo, en la
Figura 7-20). Figura 4-63). Experimentos similares a
los de la figura resultaron importantes
para establecer las rutas intracelulares
Las concentraciones de los iones se pueden medir de las proteínas de secrecii5n recién
mediante electrodos intracelulares32 sintetizadas. (Cortesía de L.Orci, en
Diabetes 31:538-565, 1982. © 1982
Una posibilidad de estudiar la química de una célula viva individual consiste en
American Diabetes Association Inc.)
insertar la punta de una fina pipeta de vidrio directamente en el interior de lacé-
lula, una técnica desarrollada por los electrofisiólogos para estudjar voltajes y
flujos de corriente a través de la membrana plasmática. Para ello se confeccio-
nan microelectrodos intracelulares a partir de finos tubos de vidrio estirados al
fuego hasta que la punta tenga un diámetro de una fracción de micrómetro. Es-
tos tubos se llenan con una solución conductora (normalmente una sal simple
como el KCl en agua). La punta del microelectrodo puede ser introducida en el
citoplasma a través de la membrana plasmática, la cual se cierra alrededor del

Siguiendo el rastro y cuantificando las moléculas del interior de las células 191
 Figura 4-52 Moléculas marcadas
radioisotópicamente. Tres formas
radiactivas delATP, disponibles
comercialmente. Los átomos
radiactivos se muestran en rojo.
También se indica la nomenclatura
utilizada para identificar la posición y
el Upo de los átomos radiactivos.

ATP[2,8-3HJ

tubo adhiriéndose íntimamente al vidrio de forma que la célula se altera relati-

vamente poco.
Los microelectrodos son útiles para estudiar el interior celular de dos mane-
ras: pueden ser transformados en sondas para medir las concentraciones intra-
celulares de iones inorgánicos comunes como el H+, el Na+, el K+, el CL-, el Ca2+y
el Mg2+, y pueden utilizarse como micropipetas para inyectar moléculas en las
células. El principio que permite medir las concentraciones iónicas con un mi-
croelectrodo es el mismo que el del pHmetro corriente. La tendencia de los
iones a difundir a favor de su gradiente de concentración puede ser equilibrada
por un campo eléctrico de sentido opuesto; cuanto mayor sea el gradiente de
concentración mayor tendrá que ser el campo eléctrico. Así, la magnitud del
campo eléctrico necesario para mantener el gradiente de concentración en un
equilibrio estable nos proporciona una medida de la magnitud del gradiente de
concentración. Para determinar la concentración de un ion determinado se ha
de utilizar un material que solamente sea permeable a este ion, formar con este
material una lámina o barrera y situarla entre la solución del ion cuya concen-
tración queremos determinar y una solución patrón de concentración del ion
conocida. La diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana selectiva
cuando no exista flujo de iones será directamente proporcional a Ja relación de
concentraciones del ion determinado a ambos lados de dicha membrana. (La teo-
ría relacionada con el transporte iónico a través de la membrana plasmática se
explica en el Panel 11-2.) En la práctica, la punta del microelectrodo se llena con
un compuesto orgánico apropiado que hace de barrera permeable selectiva al
ion escogido cuya concentración se desea medir. Entonces, se inserta el micro-
electrodo junto con un microelectrodo de referencia en el interior de una célula,
como se muestra en la Figura 4-53.

192 Capítulo 4: Cómo se estudian las células

 voltímetro Figura 4-53 Microelectrodo ion-
electrodo ion-selectivo selectivo utilizado para medir la
precinto de goma
concentración intracelular de un
determinado ion. En (A) se muestra el
solución de KCI
dispositivo experimental. (B) ilustra la
de concentración construcción de un microelectrodo
conocida permeable selectivamente al K•. En
- conductor de general, la punta del microelectrodo
plata ion-selectivo intracelular está
construida de un cristal especial o está
llena de un compuesto orgánico
resina intercambiadora
de iones únicamente especial que la hace permeable
permeable al K• exclusivamente al ion escogido. El
barrera permeable
resto del tubo está lleno de una
selectivamente a un solución acuosa del ion a una
ion determinado concentración conocida, en la que se
(A) (B)
halla sumergido un conductor
metálico que está conectado a un
terminal de un voltímetro. El otro
terminal del voltímetro está conectado
Más recientemente la técnica de microelectrodos se ha adaptado al estudio de forma similar a un microelectrodo
del transporte iónico a través de canales proteicos especializados (denominados de vidrio, que actúa de referencia, el
canales iónicos) situados en una pequefia cantidad de membrana plasmática. cual tiene la punta abierta y contiene
En este caso, un microelectrodo de vidrio de larga punta se presiona suavemen- una solución conductora sencilla.
te sobre la membrana plasmática de una célula, en lugar de introducirlo en la Ambos microelectrodos,
célula atravesando dicha membrana (Figura 4-54). Entonces resulta posible es- empaquetados conjuntamente,
tudiar el comportamiento eléctrico de la pequefia zona de membrana que queda atraviesan la membrana plasmática de
recubriendo la punta del electrodo, se halle todavía unida a la célula o separada la célula que se quiere estudiar. El
de ella (Figura 4-55). Esta técnica, conocida como registro zonal ("patch-clamp voltaje que mide el voltímetro, que es
igual a la diferencia de potencial a
recording") ha revolucionado el estudio de los canales iónicos. Como se explica
través de la barrera permeable
en el Capítulo 11, constituye una de las pocas técnicas de biología celular que selectivamente, revela la
permite estudiar a tiempo real la función de una sola molécula proteica. concentración del ion en la célula.

Los cam bios rápidos en las concentraciones iónicas

intracelulares se pueden medir m ediante
indicadores emisores de luz33
Los electrodos sensibles a iones únicamente revelan la concentración iónica de
un punto de la célula. Además, su respuesta es lenta y en ocasiones irregular
para iones que se hallen presentes a concentraciones muy bajas, como es el caso
del caz+. Por ello, estos electrodos no son adecuados para medir los rápidos y
transitorios cambios intracelulares de la concentración de Ca2• , que tan impor-
tantes son en la respuesta celular a sefiales extracelulares. Estos cambios pueden
ser analizados mediante la utilización de indicadores iónicos sensibles, cuya
emisión de luz refleja la concentración local del ion. Algunos de estos indicado-
res son luminiscentes (emiten luz espontáneamente) mientras que otros son
fluorescentes (emiten luz cuando son expuestos a la luz). La aecuorina es una
proteína luminiscente, aislada a partir de ciertas medusas marinas, que emite
luz en presencia de Ca2+ y responde a los cambios de concentración de Ca2+ en el

Figura 4-54 Micropipetas utilizadas para el registro zonal ("patch-clarnp

recording"). Se muestra una célula en bastón del ojo de una salamandra,
mantenida por una pipeta de succión mientras que una pipeta de vidrio de
pwlta fina, presionada contra la célula de forma que el vidrio se halla en
íntimo contacto con la membrana plasmática, actúa de microelectrodo.
Generalmente se utiliza un artilugio electrónico para mantener el voltaje
constante y a un valor determinado. (De T.D. Lamb, H.R. Matthews y V.Torre, L_J
J. Physiol. 37:315-349, 1986.) 20µm

Siguiendo el rastro y cuantificando las moléculas del interior de las células 193
 -
figura 4-55 Las cuatro
configuraciones estándar utilizadas
para el registro zonal. En primer
micropipeta lugar, la boca de la pipeta de registro
de vidrio unión hermética se presiona contra la membrana
celular de forma que se forme una
membrana celu lar
canal iónico unión hermética (arriba). Entonces se
puede registrar la corriente que entra
en la pipeta a través de la zona de
membrana (A) unida a la célula o (B)
CITOPLASMA
separada de ella, exponiendo la
superficie citoplasmática de la
~ membrana plasmática.
Alternativamente, la zona de
membrana se puede romper mediante
una succión suave, de forma que el
interior del electrodo quede en
comunicación directa con el interior
de la célula (C); en esta última
configuración en "célula total" se
puede registrar el comportamiento
eléctrico de la célula de forma similar a
como se haría con un microelectrodo,

(A) ZONA DE LA (B) ZONA DE LA (C) CONFIGURACIÓN

L-..------
(Dl ZONA DE LA
pero con la opción adicional de poder
alterar la composición química de la
MEMBRANA UNIDA MEMBRANA SEPARADA EN "CÉLULA TOTAL" MEMBRANA SEPARADA
ALA CÉLULA DE LA CÉLULA (CON DE LA CÉLULA (CON célula permitiendo que diferentes
EXPOSICIÓN DE LA EXPOSICIÓN DE LA compuestos difundan desde la pipeta,
CARA CITOPLASMATICA) CARA EXTRACELULAR) de punta relativamente ancha, al
citoplasma. La configuración (D) se
intervalo de 0,5 a 10 mM. Si por ejemplo se microinyecta en un huevo, la aecuo- obtiene a través de la configuración (C)
rina emite un destello de luz en respuesta a la súbita y Localizada liberación de separando la pipeta de la célula de
Ca2+ que se produce en el interior del citoplasma cuando el huevo es fertilizado forma que un fragmento de la
membrana plasmática adyacente se
(Figura 4-56).
repliegue sobre la punta de la pipeta,
Recientemente se han sintetizado indicadores fluorescentes de Ca2+ que se
sellándose a ella. En (D) se halla
unen fuertemente al caz+ y que cuando están libres son excitados a longitudes expuesta no la superficie
de onda ligeramente más largas que cuando están unidos a él. Midiendo la pro- citoplasmática de la membrana [como
porción de intensidad fluorescente a las dos longitudes de onda de excitación, ocurre en (B)) sino la superficie
puede determinarse la proporción de concentraciones entre el indicador unido exterior de la membrana.
a Ca2+y el indicador libre. Esta diferencia proporciona una medida precisa de la
concentración de caz+ libre. Dos populares indicadores de este tipo, denomina-
dos quin-2 y fura-2, son útiles para estudiar los cambios de las concentraciones
intracelulares de Ca2• en diferentes zonas de la célula, visualizándolas mediante
un microscopio de fluorescencia (Figura 4-57). Existen indicadores fluorescentes
semejantes a éstos útiles para medir otros iones; por ejemplo, algunos de ellos se
utilizan para medir H•, y por lo tanto, el pH intracelular. Algunos de estos indica-
dores pueden entrar en las células por difusión, por lo que no se han de microin-
yectar, lo cual permite controlar al microscopio de fluorescencia un gran núme-
ro de células simultáneamente. La construcción de nuevos tipos de indicadores
y su utilización con los modernos métodos de análisis de imágenes pueden ha-
cer posible el desarrollo de métodos rápidos y precisos similares a éstos que nos
permitan analizar las variaciones de las concentraciones intracelulares de dife-
rentes pequefias moléculas.

Existen diferentes sistemas q'u e permiten introducir

moléculas en una célula para las que la membrana
celular sea impermeable34
A menudo resulta útil poder introducir en la célula moléculas que no puedan
atravesar la membrana, como anticuerpos que reconocen determinadas proteí-
nas intracelulares, proteínas celulares normales que han sido marcadas con un

194 Capítulo 4: Cómo se estudian las células

 Figura 4-56 La proteína luminiscente aecuorina emite luz en presencia de
Ca2• libre. En esta figura se ha inyectado aecuorina a un huevo de pez
medaka, la cual ha difundido por el citosol. A continuación, el huevo se ha
fecundado con un espermatozoide, y se ha examinado con la ayuda de un
intensificador de imágenes. Las cuatro fotografías que se presentan aquí
fueron tomadas a intervalos de 10 segundos mirando hacia abajo el punto
donde entró el espermatozoide. Las imágenes revelan una onda de liberación
de calcio libre en el citosol a partir de reservorios intracelulares justo por
debajo del lugar donde entró el espermatozoide, tal como se indica en el
diagrama de la izquierda. (Fotografías reproducidas de J.C. Gilkey, L.F. Jaffe,
E.B. RidgwayyG.T. Reynolds.J. CellBiol. 76:448-466, 1978. Con permiso de
copyright de The Rockefeller University Press.)

compuesto fluorescente o moléculas que afectan la conducta de la célula. Una

aproximación consiste en microinyectar estos compuestos a la célula a través de
una rnicropipeta de vidrio. Una técnica especialmente útil es la denominada ci-
toquímica análoga fluorescente, mediante la cual una proteína determinada se
acopla a un colorante fluorescente y se microinyecta en una célula; de esta for-
ma, se puede seguir el destino de la proteína inyectada con un microscopio de
fluorescencia, a medida que la célula crece y se divide. Si se marca tubulina (la
subunidad de los microtúbulos) por ejemplo con un colorante que emita fluo-
rescencia en el rojo, se puede seguir la dinámica de los microtúbulos segundo a
segundo en la célula viva (Figura 4-58).
También se pueden microinyectar anticuerpos en una célula, para bloquear
la función de la molécula que reconocen. Por ejemplo, la inyección de anticuer-
pos anti-miosina-II en un huevo fecundado de erizo de mar impide que el huevo
se divida en dos, a pesar de que la división nuclear se produce normalmente.
Esta observación demostró que la miosina desempeña un papel esencial en el L____J
500 µm
proceso contráctil que divide el citoplasma durante la división celular, pero que
no es necesaria para la clivisión nuclear (véase Figura 18-34).
A pesar de que la microinyección es una técnica ampliamente utilizada, su-
pone la inyección de cada célula una por una; por esta razón solamente resulta
posible estudiar varios cientos de células simultáneamente. Otras aproximacio-
nes permiten permeabilizar simultáneamente grandes poblaciones de células.
Por ejemplo, utilizando potentes choques eléctricos o agentes químicos, como
bajas concentraciones de detergentes, se puede romper parcialmente la estruc-
tura de la membrana plasmática de la célula, haciéndola más permeable. La téc-
nica eléctrica tiene la ventaja de generar grandes poros en la membrana plas-
mática, sin dañar las membranas intracelulares. Los poros se mantienen
abiertos durante intervalos de tiempo que pueden oscilar entre minutos y horas,
dependiendo del tipo celular utilizado y de la clase de choque eléctrico que se
aplique; así, a través de los poros las macromoléculas pueden entrar (y salir) del
citosol rápidamente. Si el tratamiento ha sido limitado, un elevado porcentaje
de las células tratadas consigue reparar sus membranas plasmáticas y sobrevive.

Figura 4-57 Visualización intracelular de la concentración de Ca2 •

utilizando un indicador fluorescente. El ramificado árbol de dendritas de
una célula de Purkinje del cerebro recibe más de 100 000 sinapsis de otras
neuronas. La señal de salida de la célula se transporta por un único axón, que
aquí se ve saliendo del cuerpo celular en la parte inferior de la figura. Esta
imagen de la concentración intracelular de calcio de una célula de Purkinje
(del cerebro de un cobaya) se obtuvo utilizando una cámara de gran
sensibilidad y el indicador fluorescente sensible al Ca2•, fura-2. La
concentración de Ca2• libre está representada por diferentes colores, siendo
la mayor concentración el color rojo y la menor el azul. Las mayores
concentraciones de Ca2• se presentan en los centenares de ramas de
denditras. (Por cortesía de D.W. Tanl<, J.A. Connor, M. Sugimori y R.R. Llinas.)

Siguiendo el rastro y cuantificando las moléculas del interior de las células 195
 Figura 4-58 Cltoquúnica fluorescente
análoga. Micrografía fluorescente del
borde conductor de un fibroblasto que
ha sido inyectado con tubulina marcada
con rodarnina. Los microtúbulos de toda
la célula han incorporado las moléculas
de tubulina marcadas. Así, se puede
detectar los microtúbulos
individualmente y se puede seguir su
comportamiento dinámico mediante un
sistema de ordenador que incremente la
imagen, como se muestra aquí. A pesar
de que parece que los microtúbulos
tienen unos 0,25 µm de grosor, se trata
de un efecto óptico; en realidad su
5µm
diámetro es de tan sólo una décima
parte de este valor. (Por cortesía de
P. Sammeh y G. Borisy.)
Un tercer método para introducir grandes moléculas en la células consiste en
provocar la fusión con la membrana plasmática de vesículas de membrana que
contengan estas moléculas. Estos tres métodos, ampliamente utilizados en bio-
logía celular, se ilustran en la Figura 4-59.

célula colocada en una solución vesícula limitada por membrana,

de la substancia X, entre dos conteniendo la substancia X
electrodos, y sujeta a shocks eléctricos
micropipeta ~ ~
de vidrio muy cortos ~ ~
conteniendo
• ♦
.•••
. . !::~·.
:::~·· ..
:::~·
la substancia X

célula
diana

1 1
los poros transitorios practicados en la la fusióri de membranas inducida, entre
microinyección las vesículas y la membrana plasmática
membrana permiten que la substancia X

j
de la substancia X
entre en la célula antes de que se vuelvan de la célula diana, libera la substancia X
en la célula
a soldar en el citoplasma
½

@ @

(Al (BI (C)

Figura 4-59 Métodos utilizados para introducir en una célula una substancia para la
cual la membrana es impermeable. En (A) la substancia es inyectada a través de una
micro pipeta, aplicando una presión o, si la substancia está cargada eléctricamente,
aplicando un voltaje que obligue a la substancia a pasar al interior de la célula como una
corriente iónica (técnica denominada iontoforesis). En (B) la membrana celular se hace
transitoriamente permeable a la substancia que queremos introducir, rompiendo la
estructura de la membrana mediante un breve pero intenso shock eléctrico (por ejemplo
de 2000 voltios por centímetro durante 200 microsegundos). En (Cl se usa un sistema de
fusión de membranas. Se pueden cargar vesículas rodeadas de membrana con la
substancia deseada y luego inducirlas a fusionarse con la célula diana.

196 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

La activación inducida por la luz de moléculas precursoras
"empaquetadas" facilita el estudio de la dinámica intracelular35
La complejidad y rapidez de muchos procesos intracelulares, como la acción de
las moléculas sefial o el movimiento de las proteínas del citoesqueleto, los hace
difíciles de estudiar a nivel unicelular. Idealmente, cualquier molécula de interés
se puede introducir en una célula viva en un momento preciso y en un lugar de
la célula determinado, y posteriormente seguir su comportamiento, así como la
respuesta de la célula. Sin embargo, la microinyección es limitada debido a la di-
ficultad de controlar el lugar y el momento de la descarga del compuesto que se
microinyecta. Una aproximación mucho más poderosa supone sintetizar una
forma inactiva de la molécula de interés, introducirla en la célula y activarla sú-
bitamente y en un lugar escogido de la célula enfocando sobre ella un fino haz
de luz. Se han sintetizado precursores inactivos fotosensibles de este tipo, deno-
minados moléculas empaquetadas, de una gran variedad de pequeñas molécu-
las, incluyendo el Ca2+, el AMP cíclico, el GTP y el inositol trifosfato. Las moléculas
empaquetadas se pueden introducir en las células vivas mediante cualquiera de
los métodos descritos en la Figura 4-59, y posteriormente se pueden activar me-
diante un fuerte pulso de luz procedente de un láser (Figura 4-60). Se puede uti-
lizar un microscopio para enfocar el haz de luz sobre cualquier región de la célu-
la, de forma que el experimentador puede controlar exactamente dónde y
cuándo se liberará la molécula. De esta forma, por ejemplo, se pueden estudiar
los efectos instantáneos de la liberación en el citosol de una molécula señal in-
tracelular.
Las moléculas empaquetadas fluorescentes son herramientas con un gran
futuro. Se construyen uniendo un colorante fluorescente fotoactivable a una
proteína purificada. Es importante que la proteína modificada siga siendo bioló-
gicamente activa: a diferencia de lo que ocurre con el marcaje con radioisótopos
(cuya diferencia únicamente consiste en el número de neutrones del núcleo del
átomo marcado), el marcaje con colorantes empaquetados fluorescentes afiade
a la superficie de la proteína un gran grupo extra, el cual fácilmente puede alte-
rar lás propiedades de la proteína. Mediante prueba y error suele encontrarse fá-
cilmente un protocolo de marcaje satisfactorio. Cuando se dispone de una pro-
teína marcada biológicamente activa, resulta posible seguir su comportamiento
en el interior de las células vivas. Por ejemplo, se puede introducir tubulina mar-
cada con fluoresceína empaquetada en los microtúbulos del huso mitótico:
cuando se ilumina una pequefia región del huso mitótico con un láser, la tubuli-
na marcada se vuelve fluorescente, de forma que ahora se puede seguir su movi-
miento a lo largo de los microtúbulos del huso (Figura 4-61). En principio, esta
misma técnica se puede aplicar a cualquier proteína.

Se pueden utilizar anticuerpos para detectar y aislar

moléculas determinadas36
Los anticuerpos son proteínas producidas por los vertebrados como defensa
contra las infecciones (véase Capítulo 23). Se diferencian del resto de las proteí-
nas en que son producidos en millones de formas diferentes, cada una de las
Figura 4-60 Moléculas
empaquetadas. Esquema general que
muestra de qué forma un deri\tado de
una molécula empaquetada sensible a
la luz (aquí designada X) se puede
convertir, mediante un flash de luz W,
en su forma libre activa. Incluso los
iones Ca2• se pueden empaquetar
indirectamente; en este caso se utiliza
derivado inactivo 2-nitrobiñi:il ·un quelante de Ca2 +, el cual se inactiva
molécula X
de la molécula X (molécula X 2-nitrobert~ldehfdo por fotólisis, liberando así el Ca2+ que
•em Ida") libre active
lleva unido.

Siguiendo el rastro y cuantificando las moléculas del interior de las células 197
 Figura 4-61 Determinación del flujo de microtúbulos en el huso mitótico
utilizando fluoresceína empaquetada unida a tubulina. (A) Un huso en
metafase formado in vitro a partir de un extracto de huevos de Xenopus ha
incorporado tres marcadores fluorescentes: tubulina unida a rodamina (rojo)
para marcar todos los microtúbulos, un colorante azufunido al DNA que
marca los cromosomas y tluoresceína empaquetada unida a tubulina, que
también se incorpora en todos los microtúbulos pero que resulta invisible
debido a que no es fluorescente hasta que no haya sido activada por luz
ultravioleta. En (B) se utiliza un haz de luz ultravioleta para desempaquetar
localmente la fluoresceína empaquetada unida a tubulina principalmente en el
lado izquierdo de la placa metafásica. Durante los siguientes minutos (después
de un minuto y medio en C y de dos minutos y medio en D) se observa que la
señal de tubulina unida a fluoresceína desempaquetada se desplaza hacia el
polo izquierdo del huso, lo cual indica que la tubulina se desplaza
continuamente hacia los polos a pesar de que el huso (visualizado a través de la
fluorescencia de la tubulina marcada con rodamina roja) permanece casi
inalterada. (De K.E. Sawin yT.J. Mitchison,J. Cell. Biol. 112:941-954, 1991, con
permiso de copyright de Toe Rockefeller University Press.)

cuales tiene un lugar de unión diferente que reconoce específicaf ente a una
molécula diana (denominada antígeno). La exacta especificidad de los anticuer-
pos frente a los antígenos los convierte en poderosas herramientas para la biolo-
gía celular. Marcados con colorantes fluorescentes (fluorocromos) resultan muy
valiosos para localizar en las células determinadas moléculas mediante micros-
copia de fluorescencia (Figura 4-62); marcados con partículas densas a los elec-
trones, como pueden ser esferas de oro coloidal, se utilizan para localizar con
una alta resoluciói;i moléculas determinadas al microscopio electrónico (Figura
4-63). Como herramientas biológicas se utilizan para detectar y cuantificar mo-
léculas en extractos celulares y para identificar proteínas determinadas, después
de que éstas hayan sido aisladas por electroforesis en gel de poliacrilamida (véa-
se Figura 4-46). Los anticuerpos se pueden acoplar a una matriz inerte con el fin 10 µm
de formar una columna de afinidad, la cual se utiliza para purificar macromolé-
culas específicas a partir de un extracto celular, o en el caso de que la molécula
se halle en la superficie de la célula, para seleccionar tipos determinados de cé-
lulas vivas a partir de una población heterogénea.
Frecuentemente, la sensibilidad de los anticuerpos como sondas para la de-
tección de moléculas determinadas en las células y en los tejidos se incrementa

Figura 4-62 Inmunofluorescencia.

(A) Electronmicrograffa de la zona
cortical de una célula epitelial en
cultivo, mostrando la distribución de
los micro túbulos y de otros filamentos.
(B) La misma área pero teñida con un
a(lticuerpo fluorescente anti-tubulina,
la subunidad proteica de los
rnicrotúbulos, utilizando la técnica de
la inmunocitoquírnica indirecta (véase
Figura 4-64). Las flechas indican
microtúbulos individuales fácilmente
reconocibles en ambas figuras. (De M.
Osbom, R. Webster y K. Weber, J. Cell.
Biol. 77:R27-R34, 1978. Reproducido
con permiso de copyright de Toe
Rockefeller University Press.)

(A) (B)
10 µm

198 Capítulo 4: Cómo se estudian las células

mediante métodos de amplificación de señal. Por ejemplo, a pesar de que se vesícula lisosoma núcleo denso
puede unir directamente una molécula marcadora, como un colorante fluores-
cente, a un anticuerpo que será utilizado para el reconocimiento específico (el
anticuerpo primario), se consigue una señal mayor utilizando el anticuerpo pri-
mario y luego detectándolo con un grupo de anticuerpos secundarios que se
unan a él (Figura 4-64).
Los métodos de amplificación más sensibles utilizan una enzima como mo-
lécula marcadora, unida al anticuerpo secundario. Así por ejemplo, se puede
utilizar la fosfatasa alcalina, una enzima que en presencia de los reactivos ade-
cuados produce fosfato inorgánico que genera un precipitado coloreado. Este
precipitado revela la presencia del anticuerpo secundario que está acoplado a la
enzima, y por lo tanto, la localización del complejo antígeno-anticuerpo al que
se ha unido el anticuerpo secundario. Como cada molécula de enzima actúa ca-
talíticamente generando varios cientos de moléculas de producto, este sistema
permite la detección de diminutas cantidades de antígeno. Sobre este principio
se han desarrollado inmunoensayos unido a una enzima (ELISA, de Enzyme-Lin-
ked ImmunoSorbent Assay), que se utilizan habitualmente en medicina como
test sensibles - por ejemplo como prueba de gestación o de varios tipos de infec-
ciones.
La manera más sencilla de preparar anticuerpos es inyectando varias veces
una muestra de un antígeno a un animal, como un conejo o una cabra, y luego
recogiendo suero rico en anticuerpo. Este antisuero contiene una mezcla hetero- 1 µm

génea de anticuerpos, cada uno de los cuales ha sido producido por una célula Figura 4-63 Inmunolocallzación en
secretora de anticuerpos diferente (un linfocito B). Los diferentes anticuerpos microscopia electrónica. Micrografía
reconocen diversas zonas de la molécula de antígeno y también impurezas de la electrónica de una célula secretora de
preparación de antígeno que se inyectó. A veces, la especificidad de un antisuero insulina, en la que las moléculas de
por un antígeno determinado puede aumentarse eliminando las moléculas de insulina se han marcado con
anticuerpo que se unen a otras moléculas; por ejemplo, un antisuero producido anticuerpos anti-insulina unidos a
contra una proteína X puede hacerse pasar a través de una columna de afinidad pequeñas esferas de oro coloidal (cada
una de las cuales aparecen como
de antígenos Yy Z, para eliminar así todos los anticuerpos anti-Y y anti-Z del an-
puntos negros). La mayor parte de la
tisuero. Sin embargo, la heterogeneidad de los antisueros a menudo ha limitado
insulina se halla almacenada en las
sus aplicaciones. zonas densas de las vesículas
secretoras; además, algunas de estas
Las líneas celulares de hibridomas constituyen una fuente zonas densas se degradan vía
permanente de anticuerpos monoclonales37 lisosomas. (De L. Orci, Diabetologia
28:528-546, 1985.)
En 1976 quedó solucionado el problema de la heterogeneidad de los anticuerpos
gracias al desarrollo de una nueva técnica que revolucionó el uso de los anti-
cuerpos como herramientas para la biología celular. La técnica se basa en pro-
Figura 4-64 Inmunodtoquúnica
pagar un don de células a partir de una único linfocito B secretor de anticuer- indirecta. El método es muy sensible
pos, con lo que se pueden obtener grandes cantidades de anticuerpos. El debido a que el anticuerpo primario es
problema práctico, sin embargo, es que los linfocitos B tienen una vida limita- a su vez reconocido por muchas
da en cultivo. Para solucionar esta limitación, se fusionan linfocitos B individua- moléculas del anticuerpo secundario.
les productores de anticuerpos, procedentes de un ratón o una rata inmuniza- El anticuerpo secundario está unido
dos, con células derivadas de un- tumor "inmortal" de linfocitos B. De la mezcla covalentemente a una molécula
heterogénea resultante de células híbridas se seleccionan aquellos híbridos que marcadora que lo hace fácilmente
presentan tanto la capacidad de producir un determinado anticuerpo como la detectable. Entre las moléculas
capacidad de multiplicarse indefinidamente en cultivo. Estos hibridomas se marcadoras más utilizadas se
encuentran los colorantes fluoresceína
y rodamina (para microscopia de
anticuerpos primarios: anticuerpos secundarios: fluorescencia), la enzima peroxidasa
anticuerpos de conejo anticuerpos dirigidos contra de rábano (tanto para microscopia
dirigidos contra el el anticuerpo de conejo,
marcador óptica convencional como para

r7
antígeno A acoplados con una molécula
/
y
antígeno A marcadora microscopia electrónica), la ferritina

..:L_L
inmovilizado (proteína que contiene hierro) o

_L esferas de oro coloidal (para

m icroscopia electrónica) y las enzimas
fosfatasa alcalina o peroxidasa (para su
detección bioquímica).

Siguiendo el rastro y cuantificando las moléculas del interior de las células 199
 ratón inmunizado linea celular mutante derivada Figura 4-65 Preparación de
con el antígeno X de un tumor de linfocitos B hibrldomas que segreguen
anticuerpos monoclonales

~
homogéneos contra un anúgeno
determinado (X). El medio de
crecimiento selectivo utilizado
contiene un inhibidor (la
aminopterina) que bloquea las rutas
célula productora de ~ ..
anticuerpos anti-X --.Jto•
•••
•:• normales de biosíntesis a través de las
que se sintetizan los nucleótidos. Por
linfocitos B (morirán a los (estas células crecerán indefinidamente en un
medio normal pero morirán en el medio selectivo) consiguiente, las células han de utilizar
pocos días de cultivo)
una ruta paralela para sintetizar sus
~ FUSIÓN
ácidos nucleicos, y la línea celular
mutante a la que se fusionan los
1 linfocitos B normales es defectuosa
productos de la fusión colocados
en múltiples placas de cultivo anticuerpo anti-X para esta vía. Puesto que ninguno de
f ~agregado los dos tipos celulares utilizados para
la fusión inicial puede vivir separado
1.·~·-·····I1.~·,A~I ~ del otro, tan sólo sobreviven las células
híbridas.
1 1 1
únicamente los hibridomas crecen en el medio selectivo

,J. 1 .L .1 •
detectar la presencia de anticuerpos
anti-X en el sobrenadante y clonar
las células de las placas positivas
con - 1 célula por placa

permitir que las células se multipliquen

y comprobar la existencia de
l
anticuerpos anti-X en el sobrenadant~e

los c lones positivos constituyen

una fuente continua de / ..O
anticuerpo anti-X O"'@@

propagan como clones individuales, cada uno de los cuales constituye una fuen-
te permanente y estable de un anticuerpo monoclonal (Figura 4-65). Este anti-
cuerpo reconocerá un único tipo de lugar antigénico - por ejemplo, un grupo de-
terminado de seis cadenas laterales de aminoácidos de la superficie de una
proteína. El hecho de que la especificidad sea uniforme hace de estos anticuer-
pos monoclonales una herramienta mucho más útil que los antisueros conven-
cionales, los cuales normalmente contienen una mezcla de anticuerpos que re-
conocen una gran variedad de diferentes determinantes antigénicos, incluso en
macromoléculas pequeñas.
Sin embargo, la mayor ventaja de la técnica de los hibridomas consiste en
que se pueden producir anticuerpos monoclonales contra moléculas no purifica-
das, que únicamente constituyen un componente minoritario de una mezcla
compleja. En un antisuero ordinario obtenido contra una mezcla, el número de
moléculas de anticuerpo que reconocen los componentes minoritarios de la
mezcla puede ser demasiado pequeño para llegar a ser utilizable. Pero si los linfo-
citos B que producen todos estos anticuerpos se hallan en hibridomas y se se-
lecciona un clon hibridómico a partir de esta gran mezcla de clones, este clon de-
terminado se puede propagar indefinidamente con lo que se producirá el anti-
cuerpo deseado en grandes cantidades. Por lo tanto, en principio se puede ge-
nerar un anticuerpo monoclonal contra cualquier proteína de una mezcla bio-
lógica; una vez se ha conseguido el anticuerpo, se puede utilizar como sonda

200 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

específica tanto para averiguar y localizar la proteína que induce su formación
como para purificar esta proteína y estudiar su estructura y su función. Dado que
únicamente se han aislado el 5% de las 10 000 proteínas que tiene aproximada-
mente una célula de mamífero, muchos de los anticuerpos monoclonales genera-
dos contra mezclas impuras de proteínas identifican nuevas proteínas en extrac-
tos celulares fraccionados. Con la utilización de los anticuerpos monoclonales y
la tecnología del clonaje génico (véase más adelante) no va a ser difícil la identifi-
cación y caracterización de nuevas proteínas y de nuevos genes; el problema será
determinar su función, y a menudo el sistema más potente de hacerlo es utilizan-
do la tecnología del DNA recombinante, como se discute en el Capítulo 7.

Resumen
Actualmente se dispone de una gran número de técnicas que permiten detectar, me-
dir y seguir casi cualquier molécula de interés en el interior de una célula. Cualquier
molécula puede ser "marcada" mediante la incorporaci6n de uno o más átomos ra-
diactivos. Los núcleos de esros átomos se desintegran, emitiendo una radiaci6n que
permite detectar la molécula marcada y trazar sus movimientos y su metabolismo
en la célula. Entre el elevado número de aplicaciones de los radiois6topos a la bio-
logía celular, se puede destacar el análisis de las v{as metab6licas mediante méto-
dos de pulso y caza y la determinaci6n de un elevado nrimero de moléculas indivi-
dualmente mediante la autorradiografla.
Los colorantes fluorescentes también se pueden utilizar para medir las concen-
traciones de determinados iones en células individuales, incluso en zonas concretas
de una célula. Los microelectrodos de vidrio, que empezaron a ser imprescindibles
en el estudio de potenciales de membrana y de corrientes i6nicas a través de la
membrana plasmática, actualmente proporcionan una alternativa para medir las
concentraciones intracelulares de iones determinados. También pueden utilizarse
como micropipetas para inyectar a las células moléculas para las que las membra-
nas son impermeables, como prote{nas marcadas con fluoresce{na y anticuerpos. Se
puede seguir el comportamienro dinámico y los movimientos de muchos tipos de
moléculas en una céliila viva construyendo un precursor inactivo "empaquetado",
el cual puede ser introducido en una célula y activado en una región determinada
de la célula mediante una reacción estimulada por la luz.
Los anticuerpos también son herramientas versátiles y sensibles para detectar
y localizar moléculas biol6gicas determinadas. Los vertebrados producen millones
de moléculas de anticuerpo distintas, cada una de las cuales tiene un lugar de
uni6n que reconoce una regi6n determinada de una macromolécula. La técnica del
hibridoma permite la obtenci6n, en cantidades casi ilimitadas, de anticuerpos mo-
noclonales, con una especificidad única. Se pueden obtener anticuerpos monoclo-
nales contra, en principio, cualquier macromolécula celular; estos anticuerpos mo-
noclonales pueden ser utilizados para localizar y purificar la molécula que el
anticuerpo reconoce y, por lo menos en algunos casos, analizar su funci6n.

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204 Capítulo 4 : Cómo se estudian las células

 Macro01oléculas:
estructura, for01a
e infortnación • Pr<k;:~s de reconoc:bnlento
molecular
• Ácidos nudelcos
• EstrucflQ'll de las prote(nas

•ia:Jt;;teínas
ea . dores
como

Al considerar la transición desde las pequefias moléculas de la célula hasta las ma-
cromoléculas gigantes, asistimos a mucho más que a un simple aumento de tama-
ño. Aunque las protemas, los ácidos nucleicos y los polisacáridos están construidos
a partir de una colección restringida de aminoácidos, nucleótidos y azúcares res-
pectivamente, pueden presentar propiedades únicas y realmente sorprendentes,
que les confieren unas características muy lejanas a sus precmsores químicos. Las
macromoléculas biológicas están compuestas de varios cientos - a veces de millo-
nes- de átomos unidos entre ellos formando disposiciones espaciales definidas de
forma muy precisa. Cada una de estas macromoléculas contiene una información
muy específica. Incorporadas a su estructura, existen series de mensajes biológicos
que pueden ser leídos cuando estas macromoléculas interaccionan con otras molé-
culas, permitiéndoles desarrollar una función determinada.
En este capítulo examinaremos las estructuras de las macromoléculas, dedi-
cando un interés especial a las protemas y a los ácidos nucleicos y explicando cómo,
a lo largo de la evolución, se han adaptado para desarrollar funciones determina-
das. Consideraremos los principios por los cuales estas macromoléculas catalizan
azúcares, aminoácidos
transformaciones químicas, construyen complejas estructmas multimoleculares, y nucleótidos - 0,5-1 nm
generan movimiento y -mucho más fundamental que todo esto- almacenan y ••
transmiten información hereditaria.
proteínas g lobulares ~2-10 nm

Procesos de reconocimiento molecular1

Las macromoléculas tienen un peso molecular que normalmente oscila entre
10 000 y 1 millón, y un tamaño intermedio entre las moléculas orgánicas de la ribosoma ~30 nm
célula, tratadas en el Capítulo 2, y los grandes agregados macromoleculares y or-
gánulos, que serán objeto de estudio de capítulos posteriores (Figura 3-1). Una
pequeña molécula, la del agua, constituye el 70% de la masa total de la célula;
casi todo el resto de la masa son macromoléculas (Tabla 3-1).
Tal como se ha descrito en el Capítulo 2, una macromolécula se ensambla a
partir de subunidades de peso molecular menor, que se 'afiaden una tras otra
formando un largo polímero a modo de cadena (véase Figura 2-35). General- Figura 3-1 Comparación entre el
tamaño de las moléculas proteicas y
mente, en la construcción de cada cadena participa únicamente una familia de
el de otros componentes celulares.
subunidades: los aminoácidos se unen a otros aminoácidos formando las proteí- Los ribosomas son importantes
nas, los nucleótidos se unen a otros nucleótidos formando los ácidos nucleicos; agregados macromoleculares
y los azúcares se unen a otros azúcares formando los polisacáridos. Puesto que compuestos por unas 60 proteínas y
la secuencia exacta de las subunidades es crucial para la función de una molécu- moléculas de RNA.

93
Tabla 3-1 Composición quúnica aproximada de una bacteria típica y de una celúla
de mamífero típica

Porcentaje del peso total de la célula

E. coli
Componente Bádteria Célula de mamffero

H 20 70 70
Iones inorgánicos (Na+, K+, Mg2• , l 1
cai., Cl-, etc.)
Algunos metabolitos pequeños 3 3
Proteínas 15 18
RNA 6 1,1
DNA 1 0,25
Fosfolípidos ' vZ 3
Otros lípidos 2
Polisacáridos Q 2

Volumen celul.ar total: Z..x).o--:l:2·c,m\ 4 x 10-9 cm3

Volumen celular relativo: l 2000
"
Las proteínas, los polisacáridos, el DNA y el RNA son macromoléculas. Los Jípidos generalmen-
te no se clasifican como macromoléculas, a pesar de que tienen algunas de sus características;
por ejemplo, la mayoría de ellos se sintetizan como polímeros lineales de una molécula menor
(el grupo acetil de acetil CoA) y se autoensamblan formando grandes estructuras (membranas).
Nótese que el agua y las proteínas comprenden la mayor parte de la masa tanto de las células de
mamífero como de las bacterias.

la, su biosíntesis requiere mecanismos que aseguren que cada subunidad ade-
cuada se coloque en el polúnero en la posición exacta de la cadena.

Las interacciones específicas de una macromolécula

dependen de enlaces débiles no covalentes2
Una cadena macromolecular se mantiene unida por medio de enlaces covalentes,
que son suficientemente fuertes como para preservar la secuencia de subunidades
durante largos períodos de tiempo. A pesar de que la secuencia de subunidades de-
termina la información contenida en W1a macromolécula, la utilización de esta in-
formación depende en gran medida de otros enlaces mucho más débiles, los enlaces
no covalentes. Estos enlaces débiles se forman entre diferentes regiones de la misma
macromolécula, y también entre diferentes macromoléculas. Por ello, estos enlaces
determinan en gran medida tanto la estructura tridimensional de las cadenas ma-
cromoleculares como la manera en que estas estructuras interaccionan entre sí.
Los enlaces no covalentes que se presentan en las moléculas biológicas, sue-
len clasificarse en tres tipos: enlaces iónicos, enlaces de hidrógeno y atraccio-
nes de van der Waals. Otra importante fuerza débil se genera por la estructura
tridimensional del agua, la cual tiende a unir los grupos hidrofóbicos con el fin
de ininimizar su efecto destructor de la red de moléculas de agua unidas por en-
laces de hidrógeno (véase Panel 2-1, págs. 50-51). Esta expulsión de la solución
acuosa genera lo que algunas veces se considera como un cuarto tipo de enlace

Figura 3-2 Energías comparativas de

algunos acontecimientos moleculares
importantes de la célula. Nótese que

,. ► 1000
los valores de energía se muestran e n
una escala logarítmica.
O>gCÍpcíéSh'd4,ti~
g~cc) á c,<1mplé~

94 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

Tabla 3-2 Enlaces químicos covalentes y no covalentes

Fuerza (kcal/mol)*
Tipo de enlace Longitud (nm) En el vacío En el agua
Covalente 0,15 90 90
Jónico 0,25 80 3
Hidrógeno 0,30 4 1
Atracciones de van der Waals (por átomo) 0,35 0,1 0,1

*La fuerza de un enlace se puede medir como la energía necesaria para romperlo, que aquí se
presenta en kalorías por mol (kcal/mol). (Una kilocalor(a es la cantidad de energía necesaria
para incrementar en 1° C la temperatura de 1000 g de agua. Una unidad alternativa de uso co-
mún es el kilojoule, kJ, igual a 0,24 kcal.J La fuerza de cada enlace son los átomos que están im-
plicados en su formación, y del ambiente preciso en el que se halla el enlace; los valores de la
tabla solamente son, por lo tanto, una guía aproximada. Nótese que el ambiente acuoso de una
célula disminuye enormemente la fuerza de los enlaces iónicos y de hidrógeno entre moléculas
diferentes a las de agua (Panel 3-1, págs. 96-97). La longitud de enlace es la distancia entre los
centros de los átomos diferentes al hidrógeno que participan en el enlace.

débil no covalente. En el Panel 3-1, páginas 96-97, se exponen las caractedsticas

principales de estos cuatro tipos de enlaces débiles.
En un medio acuoso, los enlaces no covalentes son de 30 a 300 veces más
débiles que los enlaces covalentes (Tabla 3-2) y sólo ligeramente más fuertes que
la energía media de las colisiones térmicas a 37°C (Figura 3-2). Por consigttiente,
un único enlace no covalente -a diferencia de Jo que ocurre con un enlace cova-
lente- resulta demasiado débil para resistir los movimientos térmicos que tien-
den a separar las moléculas, por lo que son necesarios numerosos enlaces no
covalentes para mantener unidas dos superficies moleculares. Entre dos superfi-
cies sólo se pueden formar un elevado número de enlaces no covalentes si exis-
ten un elevado número de átomos de estas superficies que estén adaptados unos
a los otros (Figura 3-3), Jo cual determina la especificidad de reconocimiento
biológico, como ocurre entre una enzima y su substrato.
Como se explica en la parte superior del Panel 3-1, los átomos se comportan
casi como si fueran pesadas esferas de un radio determinado (su "radio de van
der Waals"). El requerimiento de que dos átomos no pueden solaparse limita los
ángulos de enlace posibles de una cadena polipeptfdica (Figura 3-4). Estas y Figura 3-3 Enlaces no covalentes.
otras interacciones estéricas reducen substancialmente el número de disposi- Manera en que los enlaces débiles
ciones tridimensionales (o conformaciones) que son posibles. A pesar de ello, median los procesos de
una larga cadena flexible como por ejemplo la de una proteína, puede plegarse reconocimiento entre las
en un número enorme de diferentes posibilidades, teniendo cada conformación macro moléculas.

las superficies de las molécu las A

y By Ay C se adaptan mal y
únicamente son capaces de
formar unos cuantoiJ enlaces
((Q_ débiles; el movimiento térmico
las separa rápidamente

<?))~
ÍÍ,~ ·
- - - - ,. ©
".J.J
la m olécula A encuentra al azar
otras moléculas (B, C y DI
las superficies de las moléculas A
y D se adaptan bien, por lo que
pueden formar un número
suficiente de enlaces débiles que
permite resistir el movimiento
térmico, permaneciendo unidas

Procesos de reconocimiento molecular 95

 FUERZAS DE VAN DER WAALS
A una distancia corta, 2 átomos cualesquiera muestran una débil Cada tipo de átomo tiene un radio, conocido como radio
interacción de enlace debido a sus cargas eléctricas fluctuantes. de van der Waals, en el que las fuerzas de van der Waals
Esta fuerza recibe el nombre de atracción de van der Waals. Sin están equilibradas.
embargo dos átomos se repelen muy energéticamente si se los

•
acerca demasiado. Esta repulsión de van der Waals desempeña
un papel importante limitando las posibles conformaciones de
una molécula.
0
1,2 A 2,0Á
0 1,s A 1,4Á
(0,12 nm) (0,2 nm) (O, 15 nm) (0,14 nml
Dos átomos se atraen entre sí por fuerzas de van der Waals hasta
que la distancia entre ellos iguale la suma de sus radios de van der
e: Waals. A pesar de que estas atracciones de van der Waals son
t •O
·¡¡;
,;
a.
individualmente muy débiles, pueden ser importantes cuando dos
superfícies macromoleculares se adaptan muy bien una a otra.
~
(!) ~
CI'.
w
zw e:
•O
·¡;

.,"
l':
ENLACES QUÍMICOS DÉBILES
Las moléculas orgánicas pueden interaccionar con otras
moléculas a través de fuerzas no covalentes de alcance

ENLACES DE HIDRÓGENO
Un átomo de hidrógeno es compartido por dos átomos
(ambos electronegativos, como el O y el N) formándose
un enlace de hidrógeno.

~ 1111111111111 8 -
enlace covalente enlace de hidrógeno
Típicamente, los enlaces químicos débiles tienen una
~ O, 1 nm de largo - 0,2 nm de largo fuerza 20 veces inferior a la de un enlace covalente. Sólo
son suficientemente fuertes para fijar dos moléculas cuando
Los enlaces de hidrógeno son más fuertes se forma simultáneamente un número elevado de ellos.
cuando los tres átomos se hallan en línea recta:

"-o-H 1111111111 0~ ) N-H 1111111111¿ ENLACES DE HIDRÓGENO EN EL AGUA

Las moléculas que pueden formar enlaces de hidrógeno con
Ejemplos en macromoléculas: otras también pueden, alternativamente, formar enlaces de
hidrógeno con moléculas de agua. Debido a esta competencia
Dos cadenas polipeptídicas de aminoácidos unidas con las moléculas de agua los enlaces de hidrógeno formados
por enlaces de hidrógeno. entre dos moléculas disueltas en agua son relativamente
1
débiles.
1 enlace
o:~w,<1 peptfdico

T'c.ll\'.t.l~j ~-
1 1 1
C=ü ll llllllll H -N
1
1 1 1 1 l 1 ;o-&/4
R- C- H
1
C=O IIIIIIIIII H -N
R- C- H
1
H-C -R
1 - c-¡-c~7n- Hz [ f0 % . I

""-- ,Jl._f{l
1 1
Dos bases, G y C, unidas por enlaces de hidrógeno 'i wr ~1/i. , -")JIJ
en el DNA o en el RNA.
H H
'Q
'i 2H20
1

- e --J:-- r-c- 1

H'-
¡-\
) N- HIIIIIIIO~
/ - e~
;Nr::::; c /
l F<5' ~~1 i l ~1 i
H- C
\ I
N 11111111111H- N
\ J
e .fN"" 1 lR
- c----rc-N-c -
1

/
N- e
~ OIIIIIIII H- N/
e d'Ñ 1 JJ 1

'H
INTERACCIONES HIDROFÓBICAS
El agua une los grupos hidrofóbicos con objeto
de minimizar los efectos destructores de estos
grupos sobre la red de enlaces de hidrógeno
del agua. A menudo se dice que los grupos
hidrofóbicos que se mantienen unidos de esta
manera están unidos por "puentes hidrofóbicos",
a pesar de que la atracción está generada en
realidad por una repulsión de las moléculas
de agua.

ENLACES IÓNICOS EN SOLUCIONES ACUOSAS

Los grupos cargados están protegidos

por sus interacciones con las moléculas
de agua. Por ello, los enlaces iónicos
en solución acuosa son bastante débiles.

H
\ H
o ,...,o \ _,,..-/
,f' H H- N
-e (±) '--H
"o 0 H-O IIIIIIIH-0
\ \
H H
o
11
-O-P - 0
0 H
j
ENLACES IÓNICOS
10 H O ffi
Las interacciones iónicas se producen entre
grupos totalmente cargados (enlace iónico)
O H-6 11\\\1\\ H/ 0~
o entre grupos parcialmente cargados.
Además, los enlaces iónicos se debilitan por la presencia
de sales, cuyos átomos forman los contraiones que se
distribuyen alrededor de los iones de carga opuesta.

La fuerza de atracción entre las dos

cargas ¡¡+ y ¡¡- es
r_., °' Y
l,tU~fZ~-=~2Ó4. (Ley de Coulomb} La medida de la intensidad de la desestabilización de la
interacción por sales supone una estima cuantitativa
del número total de enlaces iónicos implicados.
donde O= constante dieléctrica
(1 para el vacío, 80 para el agua)
De todos modos, los enlaces iónicos
r = distancia de separación son muy importantes en los sistemas
biológicos. Una enzima que se una a
un substrato cargado positivamente
En ausencia de agua, las fuer.zas iónicas a menudo presentará en el lugar
son muy intensas. Son responsables apropiado un resto de aminoácido
de la dureza de minerales tales como cargado negativamente.
el mármol y el ágata.

cristal de
NaCI
 (A)
aminoácido

H
o
11
e;
+180°

:.:\tf
.. ;
ifi*i .
-----·eI ✓ :-.:..
¡" ,..
.,t . ' : ~ •

• -t<r.,..··,,.·---+--- - - - ----,
o 1--.-..·•._.,,,_ 1

•· ,/:fl,
psi
Rt

enlaces polipeptfdicos

Figura 3-4 Limitaciones estérlcas de los ángulos de enlace en

una cadena pollpeptídica. (A) Cada aminoácido contribuye con
tres enlaces (en rojo) a su cadena polipeptfdica. El enlace -180° o +180°
peptfdico es plano (sombreado en gris) y no permite rotación. Por
phi
el contrario, se puede producir rotación sobre del enlace Cn- C
-a este ángulo de rotación se le denomina psi ('lf)- y sobre el
enlace N- Cn -a este ángulo de rotación se le denomina phi (<p). (B)

El grupo R representa una cadena lateral de un aminoácido. (B)

La conformación de los átomos principales de una cadena
proteica viene determinada por un par de ángulos psi y phi para
cada aminoácido; debido a las colisiones estéricas entre los
aminoácidos, la mayoría de los pares de ángulos phi y psi no
tienen lugar. En este gráfico, llamado de Ramachandran, cada
punto representa un par de ángulos observados en proteínas.
(B, de J. Richardson, Adv. Prot. Chem. 34:, 174-175, 1981.l

una colección diferente de interacciones débiles dentro de la cadena, y es la fuer-

za total de estas interacciones lo que determina qué conformaciones se formarán.
La mayoría de proteínas de una célula se pliegan de forma estable de una sola
manera: durante el curso de la evolución la secuencia de subunidades de aminoáci-
dos ha sido seleccionada de forma que una determinada conformación puede for-
mar muchas más interacciones favorables en la propia cadena que cualquier otra.

Figura 3-5 Cuando varias

subunldades se unen entre sí de una
forma regular, se genera una hélice.
En primer término se presenta la
interacción entre dos subunidades y
detrás aparecen las hélices que
resultan de esta interacción. Las
hélices que se presentan aquí son de
(A) dos, (B) tres o (C} y (D} seis
unidades por vuelta. En la parte
superior de la figura se puede observar
la disposición de las subunidades
desde la parte superior de cada hélice.
Nótese que la hélice (D) tiene un paso
de vuelta más ancho que la hélice (C).

IA) (B) (C) (D)

98 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

Una hélice es un motivo estructural común en las estructuras
biológicas generadas a partir de subunidades repetidas3
A menudo, las estructuras biológicas están formadas por subunidades que son
muy similares las unas a las otras -como aminoácidos o nucleótidos-, formando
una Larga cadena repetitiva. Si todas las subunidades son idénticas, normalmen-
te ocurre que las adyacentes en la cadena se unen de una única manera, ajustan-
do sus posiciones relativas de forma que se minimice La energía libre de contacto
entre ellas. En este caso, cada subunidad se colocará exactamente en la misma
posición en relación a sus subunidades adyacentes, de modo que la subunidad 3
se unirá a la subunidad 2 de la misma forma en la que la subunidad 2 se ha uni-
do a la subunidad 1, y así sucesivamente. Debido a que es muy raro que las sub-
unidades se unan formando una línea recta, generalmente estas uniones origi-
nan una hélice -una estructura regular que se parece a una escalera de caracol,
como se ilustra en la Figura 3-5. En función de la dirección de giro de la escalera
de caracol, Ja hélice se denomina dextrógira o levógira (Figura 3-6). Esta caracte-
rística no varía cuando la hélice se coloca cabeza abajo, pero es la inversa cuan- hélice hélice
levógira dextrógira
do se refleja en un espejo.
Las hélices son elementos habituales de las estructuras biológicas, tanto si Figura 3-6 Comparación entre una
Jas subunidades son moléculas pequeñas que están unidas entre sí de forma co- hélice levógira y otra dextrógira.
valente (como en el DNA), como si son grandes moléculas proteicas unidas en- Como referencia, es útil recordar que
tre sí por fuerzas no covalentes (como en los filamentos de actina). Esto no es los tonúllos habituales, que avanzan
sorprendente. Una hélice es una estructura que en absoluto es excepcional, ge- cuando se les hace girar en el sentido
nerada simplemente por la unión, una contra otra, de muchas subunidades si- de las agujas de un reloj, son
milares, de forma que cada una adopta exactamente la misma relación espacial dextrógiros. Nótese que cualquier
con la subunidad anterior. hélice conserva el mismo sentido de
giro (y por lo tanto su característica de
ser dextrógira o levógira) aunque se la
La difusión es el primer paso hacia el reconocimiento molecular4 coloque boca abajo.

Para que dos moléculas se unan entre sí deben entrar en estrecho contacto. Esto
se consigue gracias a los movimientos térmicos que hacen que las moléculas se
desplacen, o difundan, desde sus posiciones de partida. Puesto que las molécu-
las de un líquido colisionan y se separan rápidamente unas de otras, una deter-
minada molécula se mueve primero en una dirección y luego en otra, en un
"movimiento al azar" (Figura 3-7). La distancia media que recorre cada tipo de
molécula desde su punto de partida es proporcional a la raíz cuadrada del tiem-
po utilizado, es decir, si una molécula determinada necesita por término medio
1 segundo para desplazarse 1 µm, necesitará 4 segundos para desplazarse 2 µm,
100 segundos para desplazarse 10 µm, etc. Por lo tanto, la difusión es eficaz para
que las moléculas se desplacen a distancias limitadas, pero no es eficaz para dis-
tancias largas.
Experimentos realizados inyectando a células colorantes fluorescentes y
otras moléculas marcadas demuestran que la difusión en el citoplasma de molé-
culas pequeñas es casi tan rápida como en el agua. Una molécula del tamafio del
ATP necesitará sólo 0,2 segundos aproximadamente para difundir hasta una dis-
tancia media de 10 µm -el diámetro de una célula animal pequeña. Sin embargo,
las grandes macromoléculas se desplazan mucho más lentamente. No sólo pre-
sentan velocidades de difusión intrínsecamente más lentas sino que además su
movimiento se ve retardado por frecuentes colisiones con otras muchas macro- Figura 3-7 Un recorrido al azar. Las
moléculas que se mantienen en su lugar mediante asociaciones moleculares en moléculas de una solución se
el citoplasma (Figura 3-8). desplazan al azar debido a continuas
colisiones con otras moléculas. Este
movimiento permite a las pequefias
Los movimientos térmicos unen a las moléculas moléculas difundir de una zona a otra
yluegolasseparan4 de la célula en períodos de tiempo
sorprendentemente cortos: pueden
Los encuentros entre dos macromoléculas o entre una macromolécula y una difundir a través de toda una célula
molécula pequefia, se producen al azar, por difusión simple. Un encuentro pue- típica de mamífero en menos de un
de conducir inmediatamente a la formación de un complejo (en cuyo caso se segundo.

Procesos de reconocimiento molecular 99

dice que la velocidad de formación está limitada por la difusión). Alternativa-
mente, la velocidad de formación del complejo puede ser más lenta, por necesi-
r
tar que se produzca un reajuste de la estructura de una o de ambas moléculas,
antes de que las superfici.es interactivas puedan adaptarse una a la otra, de for-
ma que a menudo las dos moléculas que colisionan se separarán una de la otra,
sin llegar a unirse. En ambos casos, cuando las dos moléculas interactivas se han
acercado suficientemente una a la otra, forman entre ellas múltiples enlaces dé-
biles, que persisten hasta que el movimiento térmico al azar hace que las molé-
culas se disocien de nuevo (Figura 3-3).
Por regla general, cuanto más fuerte es la unión de las moléculas que forman
el complejo, tanto más baja es su velocidad de disociación. En un caso extremo,
la energía total de los enlaces formados puede ser insignificante en comparación 100 nm
con la del movimiento térmico, por Jo que las dos moléculas se disociarán tan rá- Figura 3· 8 Macromoléculas en el
pidamente como se han unido. En el otro caso extremo, la energía total de los en- citoplasma celular. El dibujo está hecho
laces es tan alta que la disociación se produce muy raramente. Las interacciones aproximadamente a escala, e ilustra el
fuertes se producen en la célula cuando la función biológica requiere que las dos abarrotamiento que existe en el
citoplasma. Únicamente se representan
macromoléculas permanezcan estrechamente asociadas durante largo tiempo
las macro moléculas: los RNA se han
- por ejemplo, en el caso de una proteína reguladora que debe permanecer unida
dibujado en azul, los ribosomas en
al DNA para inhibir la expresión de un gen. Las interacciones débiles se producen verde y las proteínas en rojo. En el
cuando la función requiere un cambio rápido de la estructura del complejo - por citoplasma las macromoléculas
ejemplo, cuando las dos proteínas que interaccionan han de cambiar de pareja, difunden de una forma relativamente
durante los movimientos de una máquina proteica. lenta debido a que interaccionan con
muchas otras macromoléculas; por el
La constante de equilibrio constituye una medida contrario, las moléculas pequeñas
de la fuerza de interacción entre dos moléculas5 difunden casi tan rápidamente como lo
hacen en el agua. (Adaptado a partir de
La fuerza exacta del enlace entre dos moléculas es un índice útil de la especifici- D.S. Goodsell, Trends in Biochem. Sci.
dad de su interación. Para ilustrar cómo se mide la fuerza de enlace, considere- 16:203-206, 1991.)

1-
disociación
+ EJEMPLO:
velocidad de constante x concentración La concentración de una molécula de la que hay una sola copia
disociación = de disociación de AB en una célula típica de mamífero (de un volumen aproximado de
2000 µm3 ) es aproximadamente de 10- 12 M.
velocidad de disociación • k011 (ABl
Si esta célula contiene 104 copias de la proteína A y 106 copias
de la proteína B,

[AJ = 10--s M y [B] = 10-s M

x concentración x concentración Supongamos q ue la proteína A se une a la proteína B con
de A de B una K = 107 M- 1.
La relación entre el número de moléculas de A unidas y el
de moléculas de A libres será [AB)/ IAI, y como
IABJ = K[BI = (107 M 11(10-e MI = 10
EN EL EQUILIBRIO: [Al
podemos esperar que dentro de la célula de cada diez
velocidad de asociación = velocidad de disociación molécu las de A que se hallen unidas a B. una esté libre.
kon [Al 181 = kott [ABJ
Repitiendo los cálculos para K = 104 M- 1, observaremos que
[ABJ kon d __ _
- - =- = K • constante e equ,lfbno únicamente alrededor de una de cada cien moléculas de A
[Al [BJ korr deben de hallarse unidas a B.

Figura 3-9 Principio del equilibrio. El equilibrio entre las moléculas A y By el complejo AB se mantiene gracias al balance entre las
dos reacciones opuestas indicadas en (1) y (2). Como se expresa en (3), la relación entre la constante de asociación y la de disociación
es igual a la constante de equilibrio (K) para la reacción. Las moléculas A y B han de chocar para poder reaccionar por lo que la
velocidad de síntesis del complejo AB es proporcional al producto de las concentraciones individuales de los reactantes A y B. Por eso
en la expresión final de Ka.parece el producto (AJ x [B], donde [ ] indica "concentración de".
Como se ha definido tradicionalmente, en la ecuación de un equilibrio químico las concentraciones de los productos aparecen
en el numerador y las de los compuestos que reaccionan, en el denominador. Así, la constante de equilibrio en (3) es para la reacción
de asociación A+ B ➔ AB, mientras que la inversa de esta fracción sería la constante de equilibrio para la reacción de disociación
AB ➔ A + B. Sin embargo, al referirse a interacciones de unión sencilla, es menos confuso hablar de constante de afinidad o constante
de asociación (en litros por mol); cuanto mayor es el valor de la constante de asociación (K0 ), mayor es la fuerza de unMn entre A y B.
El recíproco de K0 es la constante de disociación (en moles por litro); cuanto menor es el valor de la constante de disociación (Kd)
mayor es la fuerza de unión entre A y B.

100 Capítulo 3: Macromoléculas: estructura, forma e información

mos una reacción en la que la molécula A se une a la molécula B. Esta reacción
continuará hasta alcanzar un punto de equilibrio, en el cual la velocidad de for- Tabla 3-3 La relación entre las
diferencias de energía libre y las
mación y la de disociación son iguales (Figura 3-9) . Las concentraciones de A, de constantes de equilibrio
By del complejo AB en este punto de equilibrio se pueden utilizar para determi-
nar una constante de equilibrio (K) para la reacción, tal como se explica en la Constante de Energía libre
Figura 3-9. Esta constante recibe a veces el nombre de const¡mte de afinidad, y equilibrio deAB menos
habitualmente se utiliza como medida de la fuerza de enlace entre dos molécu- energía libre
(AB] =K
las; cuanto más fuerte sea el enlace, tanto más elevado será el valor de la cons- de A+ B
IA][BJ
tante de afinidad. (litros/ mol) (kcal/mol)
La constante de equilibrio de una reacción en la que se enlazan dos molécu-
las está directamente relacionada con el cambio de energía libre estándar del 10s -7,1
enlace (LlG<>), mediante la ecuación descrita en la Tabla 3-3. En esta tabla tam- 10<1 -5,7
bién se indican los valores de 6G0 correspondientes a varios valores de K En sis- 103 -4,3
temas biológicos, las constantes de afinidad para interacciones de enlace senci- 102 -2,8
llo normalmente oscilan entre 103 y 10 12 litros/mol; esto corresponde a energías 10 -1,4
de enlace en el intervalo de 4 a 17 kcal/mol, que puede provenir de unos 4 a 17 1 o
enlaces de hidrógeno. 10-1 1,4
10-2 2,8
lQ-3 4,3
Los átomos y las moléculas se mueven rápidamente6 10--1 5,7
lQ-5 7,1
Las reacciones químicas de una célula tienen lugar a velocidades asombrosa-
mente elevadas. Una molécula de una enzima típica, por ejemplo, cataliza unas Si se permite que la reacción A + B ;::: lle-
1000 reacciones por segundo y algunas enzimas como la catalasa pueden conse- gue al equilibrio, las cantidades relativas
guir velocidades de más de 106 reacciones por segundo. Cada reacción requiere de A, B y AB dependerán de las cliferen-
que una molécula de enzima se encuentre con otra de substrato, por lo que velo- cias de energía libre, ó.G", entre ellos. Los
valores de la tabla corresponden a 37°C
cidades como éstas sólo son posibles gracias a que las moléculas se mueven a (310°](), y están calculados a partir de Ja
velocidades suficientemente rápidas. Los movimientos de las moléculas pueden ecuación
clasificarse de forma general en tres categorías: (1) el movimiento de una molé-
cula de un lugar a otro (movimiento de translación), (2) el rápido movimiento IAB]
atrás y adelante de los átomos unidos de forma covalente respecto a otro (vibra- f:..G'=-RTln--
o [A)[B)
ción), y (3) las rotaciones. Todos estos movimientos son importantes para unir
entre sí las superficies de moléculas que interaccionan.
Las velocidades de los movimientos moleculares pueden medirse por diver-
[AB) =e- 6.G" 1 RT =e - óG"/0,6138
[A][B]
sas técnicas espectroscópicas, que indican que una gran proteína globular está
girando constantemente, rotando sobre su eje, alrededor de un millón de veces Aquí, ó.G' viene dado en kilocalorfas por
por segundo. Las velocidades de encuentros por difusión originados por movi- mol y representa la diferencia de energía
mientos de traslación son proporcionales a la concentración de la molécula que libre en condiciones estándar (en las que
todos los componentes se hallan a con-
difunde. Si el ATP, por ejemplo, se halla presente a su concentración intracelular centraciones de 1,0 moles/litro); T es la
habitual de 1 mM, cada lugar de una molécula proteica será bombardeado con temperatura en grados Kelvin (0 K).
moléculas de ATP por unas 106 colisiones al azar cada segundo. Para una con- Principios similares a éstos se aplican in-
centración de ATP 10 veces menor, el número de colisiones descendería a 105, y cluso al caso más sencillo de una reac-
ción A ;::: A*, según el cual una molécula
así sucesivamente. puede interconvertirse entre dos estados
De forma extremadamente rápida, en cuanto dos moléculas han colisiona- A y A* que se diferencian en un cierto va-
do y se hallan en una orientación relativa adecuada, puede producirse entre lor de ó.G". En el equilibrio, la relación
ellas una reacción química. Teniendo en cuenta lo rápidamente que se mueven entre el número de moléculas de ambos
tipos es igual a la relación
y reaccionan las moléculas, las velocidades de catálisis enzimática observadas
no parecen tan extraordinarias. [A*] = ,róG"IRT
[Al
Los procesos de reconocimiento molecular Así, a partir de esta tabla podemos ver que,
nunca pueden ser perfectos7 si la transición A ➔ A* tiene un cambio de
energía libre favorable de 4,3 kcal/mol,
Todas las moléculas tienen energía - la energía cinética de sus movimfontos de en el equilibrio habrá más de 1000 molé-
traslación, de vibración y de rotación y la energía potencial almacenada en sus culas enel estado A* que en el estado A.
distribuciones electrónicas. A través de las colisiones moleculares, esta energía
se distribuye aleatoriamente a todos los átomos presentes, de forma que la ma-
yoría de átomos tendrán nNeles de energía cercanos al valor medio, y tan sólo
una pequeña proporción de ellos presentarán niveles energéticos muy altos.
A pesar de que las conformaciones o estados favorables que adopte una molécula

Procesos de reconocimiento molecular 101

serán las que supongan menor energía libre (véanse págs. 78-79), como conse-
cuencia de colisiones extraordinariamente violentas se producen estados de alta
energía. Es posible calcular la probabilidad de que, a una temperátura dada un
átomo o una molécula esté en un estado de una determinada energía (véase Ta-
bla 3-3). La probabilidad de un estado de alta energía disminuye respecto a la de
uno de baja energía a medida que la diferencia entre los valores de la energía li-
bre de ambos aumenta. Sin embrago, esta probabilidad únicamente es igual a
cero cuando la diferencia de energía es infinita.
Debido a que las colisiones moleculares son fortuitas, de vez en cuando
ocurren pequeñas "reacciones secundarias". A consecuencia de ello, una célula
comete errores continuamente. Se producirán ocasionalmente incluso las reac-
ciones que son energéticarnente muy desfavorables. Por ejemplo, dos átomos
unidos uno al otro por un enlace covalente, pueden ocasionalmente estar so-
metidos a una energía especial de coUsión, y separarse. Análogamente, la espe-
cificidad de una enzima por su substrato no puede ser absoluta ya que el reco-
nocimiento de una molécula como diferente de otra nunca puede ser perfecto.
Únicamente se podrían evitar por completo los errores si la célula desarrollara
mecanismos que tuvieran diferencias de energía infinitas entre las alternativas.
Puesto que esto no es posible, las células se ven forzadas a tolerar un cierto nivel
de error, y han desarrollado una gran variedad de reacciones especiales de repa-
ración para corregir los errores más perjudiciales.
Por otro lado, los errores son esenciales para la vida. Si no fuera por las equi-
vocaciones ocasionales en el proceso de mantenimiento de las secuencias de
DNA, probablemente la evolución no habría tenido lugar.

Resumen
La secuencia de subunidaáes de una macromolécula contiene una información que
determina el perfil tridimensional tk su superficie. Este perfil, a su vez, controla el
reconocimiento entre u11a molécula y otra o entre distintas zonas tk una misma
molécula, mediante enlaces débiles, no covalentes. Las fuerzas de atracción so,i tk
cuatro tipos: enlaces fónicos, atracciones tk van tkr Waals, enlaces tk hidrógeno e
interacciones entre grupos no polares causadas por su expulsión hidrofóbica tkl
agua. Dos moléculas se reconocerán una a otra mediante un proceso en el que pri-
mero se encuentran por difusión al azar, se unen tk forma transitoria y luego se di-
socian. Generalmente, la fuerza tk esta ititeracción se expresar en forma tk una
constante tk equilibrio. Puesto que la única manera tk conseguir que el reconoci-
miento sea infalible consiste en hacer que la energía tk enlace sea infinitamente
grantk, las células vivas constantemente cometen errores; los que son intolerables
son corregidos mediante procesos especiales de reparación.

Ácidos nucleicosª
Los genes están formados por DNA9
Desde que el hombre ha sembrado cosechas o criado animales, resulta obvio que
cada semilla o cada óvulo fecundado debe de contener escondido un plan o dise-
ño para el desarrollo del organismo. En la época moderna, la ciencia de la genética
se desarrolló alrededor de la premisa de que existían unos elementos invisibles
portadores de información, denominados genes, que son distribuidos a cada una
de las células hijas cuando la célula madre se divide. Por consiguiente, antes de di-
vidirse una célula ha de hacer una copia de sus genes para poder ceder a sus célu-
las hijas una colección completa de ellos. Los genes de los espermatozoides y de
los óvulos transmiten la información genética de una generación a la siguiente.
La h erencia de los caracteres biológicos debe implicar la existencia de es-
quemas de átomos que sigan las leyes de la física y de la química: en otras pala-
bras, los genes deben estar formados por moléculas. Al principio, la naturaleza

102 Capítulo 3: Macromoléculas: estructura, forma e información

de estas moléculas resultaba difícil de imaginar. ¿Qué tipo de molécula podría
ser almacenada en una célula, dirigir las actividades de un organismo en desa-
rrollo y además ser capaz de una replicación exacta y casi ilimitada?
Hacia finales del siglo x.rx, los biólogos habían reconocido ya que los trans-
portadores de la información hereditaria eran los cromosomas que resultan visi-
bles en el núcleo cuando una célula empieza a dividirse. Pero la evidencia de
que es el ácido desoxirribonucleico (DNA) de estos cromosomas la substancia
de la que están formados los genes se obtuvo mucho más tarde a partir de unos
estudios sobre bacterias. En 1944 se demostró que la adición de DNA purificado
de una cepa de bacteria a otra cepa ligeramente diferente, confería a esta segun-
da cepa propiedades hereditarias características de la primera. Como hasta en-
tonces se había creído que tan sólo las proteínas presentaban una complejidad
conformacional suficiente como para ser portadoras de la información genética,
este descubrimiento constituyó una sorpresa y no fue aceptado de forma gene-
ral hasta principio de los afios 1950. Actualmente, la idea de que el DNA contie-
ne la información genética -almacenada en su larga cadena de nucleótidos- es
tan fundamental para el pensamiento biológico que a veces resulta difícil darse
cuenta del enorme abismo intelectual que llenó este concepto.

Las moléculas de DNA consisten en dos largas cadenas

unidas por pares de bases complementarias 10
Al considerar la simplicidad de la quúnica del DNA resulta comprensible que los
genetistas tuvieran dificultades en aceptar que el DNA es la esencia de los genes. Figura 3-10 La doble hélice de DNA.
Una cadena de DNA es un largo polímero no ramificado, compuesto únicamente (A) Una corta sección de la doble
por cuatro tipos de subunidades. Estas subunidades son los desoxirribonucleóti- hélice del DNA. Se presentan cuatro
dos que contienen las bases adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). pares de bases complementarias. Las
Los nucleótidos están unidos por enlaces covalentes fosfodiéster entre el carbono bases se representan en gris y los
azúcares desoxiribosa en azul. (B) La
5' de un grupo desoxirribosa y el carbono 3' del siguiente (Panel 2-6, págs. 60-61).
hélice vista desde uno de sus extremos.
Los cuatro tipos de bases están fijados a esta cadena de azúcar fosfato repetitiva,
Nótese que las dos hebras del DNA
casi como cuatro tipos diferentes de cuentas ensartadas en un collar. avanzan en direcciones opuestas y que
¿Cómo una larga cadena de nucleótidos puede codificar las instrucciones cada par de bases se mantiene unido
para todo un organismo, o incluso únicamente para una sola célula? Y, ¿cómo por dos o tres enlaces de hidrógeno
pueden copiarse estos mensajes de una generación de células a la siguiente? Las (véase también Panel 3-2, págs. 104-
respuestas se hallan en la estructura tridimensional de la molécula de DNA 105).

final 5' de la
,cadena extremo extremo 5' arriba
/,.,0 5, abajo
0 - p- 0
q \o eje de la
P=O doble hélice
fltial3' de
lacadena Ol 'o-
o-
0~¡ o G o
~ "''''"
o- "'"'"" .?
º"'p-0
Ó ,.,. ~
O
,.,..,,,.,,,.~w O 0-
/r~o
Ü<::,p..-Oj f W / / / //, o .
-d O T A . azucar
o
o-
lace
fosfodiéster
enlace de nal3'de
hidrógeno extremo
l¡tcadena 3' arriba
(A) (B)

Ácidos nucleicos 103

 DNA Y RNA ESQUELETO DE AZÚCAR FOSFATO DEL RNA
En esta mitad del panel se presenta la
estructura del RNA y en la otra mitad
la del DNA. Tanto el DNA como el RNA
son polímeros lineales de nucleótidos
(véase Panel 2-6, págs. 60-61). El RNA
se diferencia del DNA en tres aspectos: ribosa

1. la columna vertebral de azúcar

fosfato presenta ribosa en lugar de extremo 5'
desoxirribosa
2. presenta la base de uracilo (U) en
lugar de ti mina (T)
3. existe en forma de hebra sencilla
en lugar de una hélice de doble
hebra.

LAS CUATRO BASES DEL RNA

guanina }, cítosin a '"' uraci'fo

NH2 o
1 11
....,;:: C ' - ,....-H H....._ ..,,.e'-.. ,....-H
N ::7 C N C
1 11 1 11
e e e e
0 -;:;, '-.. N / ' H O,;:;, "---. N ✓ ' H

-.J..
esqueleto azúcar fosfato

HEBRA SENCILLA DE RNA

El RNA es una hebra sencilla, pero presenta cortas zonas de

apareamientos de bases complementarias que pueden formarse
por un proceso al azar. Estas regiones de apareamiento de bases
pueden verse en electronmicrografías como ramas de la
cadena extendida.

ELECTRONMICROGRAFÍA DEL RNA

(Cortes/a de ·~eter Wellauer.l

 ESQUELETO DE AZÚCAR FOSFATO DEL DNA LAS CUATRO BASES DEL DNA FORMANDO
DOS PARES DE BASES

extremo 5'

desoxirrlbosa

q_ : . . -0.\1.º
(°º.,..'?~) º.,..'?,
1 unión 3' unión 5'
1
o
\ ,....o. . .
ó
enlace fosfodiéster
extremo 3'

ELECTRONMICROGRAFÍA DEL DNA

esqueleto de azúcar fosfato

La formación específica de enlaces de hidrógeno entre

G y C y entre A y T (A y U en el RNA} genera los pares
de bases complementarias.

DOBLE HÉLICE DEL DNA

En una molécula de DNA, se
encuentran apareadas dos 3•
cadenas antiparalelas cuyas
secuencias de nucleótidos son
complementarias, generando
una doble hélice dextrógira
de aproximadamente 10 pares
de nucleótidos por vuelta de la
hélice. En la parte superior de
esta figura se presenta una 5'
ilustración esquemática y en
la inferior un modelo lleno
de la doble hélice del DNA.
 -
A principios de los aftas 1950, análisis por difracción de rayos X de muestras CCCTGTGGAGCCACACCCTAGGGTTGGCCA
de DNA estiradas hasta conseguir fibras, sugirieron que la molécula de DNA es ATCTACTCCCAGGAGCAGGGAGGGCAGGAG
un polímero helicoidal formado por dos hebras. No era sorprendente que el CCAGGGCTGGGCATAAAAGTCAGGGCAGAG
CCATCTATTGCTTACATTTGCTTCTGACAC
DNA tuviera una estructura helicoidal pues, como ya hemos visto, es muy fre-
AACTGTGTTCACTAGCAACTCAAACAGACA
cuente la formación de una hélice si cada una de las subunidades vecinas de un CCATGGTGCACCTGACTCCTGAGGAGAAGT
polímero está orientada regularmente. Pero el hecho de que el DNA tenga dos CTGCCGTTACTGCCCTGTGGGGCAAGGTGA
hebras fue crucial. Constituyó el dato que condujo, en 1953, a la construcción de ACGTGGATGAAGTTGGTGGTGAGGCCCTGG
un modelo que se adaptaba al esquema de difracción de rayos X observado y, GCAGGTTGGTATCAAGGTTACAAGACAGGT
con ello, solucionaba el rompecabezas de la estructura y de la función del DNA. TTAAGGAGACCAATAGAAACTGGGCATGTG
GAGACAGAGAAGACTCTTGGGTTTCTGATA
Un rasgo esencial del modelo consistía en que todas las bases de la molécula GGCACTGACTCTCTCTGCCTATTGGTCTAT
de DNA se hallan en el interior de la doble hélice, mientras que los azúcares fosfa- TTTCCCACCCTTAGGCTGCTGGTGGTCTAC
to se disponen en el exterior. Esta distribución supone que las bases de una de las CCTTGGACCCAGAGGTTCTTTGAGTCCTTT
hebras deben estar extraordinariamente cerca de las de la otra hebra, y el modelo GGGGATCTGTCCACTCCTGATGCTGTTATG
propuesto requería un apareamiento complementario entre una base púrica (A o GGCAACCCTAAGGTGAAGGCTCATGGCAAG
G, cada una de las cuales presenta dos anillos) de una de las cadenas y una base AAAGTGCTCGGTGCCTTTAGTGATGGCCTG
GCTCACCTGGACAACCTCAAGGGCACCTTT
pirirnidínica (T o C, cada una de las cuales presenta un solo anillo, por lo que es GCCACACTGAGTGAGCTGCACTGTGACAAG
de menor tamaíio que una base púrica) de la otra cadena (Figura 3-10). CTGCACGTGGATCCTGAGAACTTCAGGGTG
Tanto la evidencia obtenida a partir de los primeros experimentos bioquí- AGTCTATGGGACCCTTGATGTTTTCTTTCC
micos como las conclusiones derivadas de los modelos moleculares sugirieron CCTTCTTTTCTATGGTTAAGTTCATGTCAT
que el apareamiento de bases complementarias (también llamado pares de ba- AGGAAGGGGAGAAGTAACAGGGTACAGTTT
ses de Watson y Crick) se formaran entre A y T por un lado y entre G y C por otro. AGAATGGGAAACAGACGAATGATTGCATCA
GTGTGGAAGTCTCAGGATCGTTTTAGTTTC
Los análisis bioquímicos de preparaciones de DNA de diferentes especies han TTTTATTTGCTGTTCATAACAATTGTTTTC
demostrado que, a pesar de que la composición de nucleótidos del DNA varía TTTTGTTTAATTCTTGCTTTCTTTTTTTTT
notablemente (por ejemplo, desde un 13% a un 36% de residuos de A en el DNA CTTCTCCGCAATTTTTACTATTATACTTAA
de diferentes tipos de bacterias), se cumple una regla general que dice que, TGCCTTAACATTGTGTATAACAAAAGGAAA
cuantitativamente, [G) = [C) y [Al= [T). La construcción de modelos moleculares TATCTCTGAGATACATTAAGTAACTTAAAA
reveló que el número de enlaces de hidrógeno efectivos que pueden formarse AAAAACTTTACACAGTCTGCCTAGTACATT
ACTATTTGGAATATAlGTGTGCTTATTTGC
entre G y C o entre A y T era mayor que para otra combinación cualquiera de es- ATATTCATAATCTCCCTACTTTATTTTCTT
tas bases. Así pues, el modelo de doble hélice para el DNA explicaba de forma TTATTTTTAATTGATACATAATCATTATAC
elegante la bioquímica cuantitativa. ATATTTATGGGTTAAAGTGTAATGTTTTAA
TATGTGTACACATATTGACCAAATCAGGGT
AATTTTGCATTTGTAATTTTAAAAAATGCT
La estructura del DNA proporciona una explicación TTCTTCTTTTAATATACTTTTTTGTTTATC
del proceso de la herencia11 TTATTTCTAATACTTTCCCTAATCTCTTTC
TTTCAGGGCAATAATGATACAATGTATCAT
Un gen contiene información biológica en una forma que ha de ser copiada GCCTCTTTGCACCATTCTAAAGAATAACAG
exactamente y transmitida desde cada célula a todas sus células hijas. Las impli- TGATAATTTCTGGGTTAAGGCAATAGCAAT
caciones del descubrimiento de la doble hélice del DNA fueron importantes, ya ATTTCTGCATATAAATATTTCTGCATATAA
que la estructura sugirió inmediatamente cómo se efectuaba la transferencia de ATTGTAACTGATGTAAGAGGTTTCATATTG
información. Puesto que cada hebra contiene una secuencia de nucleótidos que CTAATAGCAGCTACAATCCAGCTACCATTC
TGCTTTTATTTTATGGTTGGGATAAGGCTG
es exactamente complementaria de la secuencia de nucleótidos de la otra hebra, GATTATTCTGAGTCCAAGCTAGGCCCTTTT
en realidad ambas hebras contienen la misma información genética. Si llama- GCTAATCATGTTCATACCTCTTATCTTCCT
mos a las dos hebras A y A', la hebra A puede servir de molde o patrón para pro- CCCACAGCTCCTGGGCAACGTGCTGGTCTG
ducir una nueva hebra A', mientras que de la misma forma la hebra A' puede uti- TGTGCTGGCCCATCACTTTGGCAAAGAATT
lizarse para producir una nueva hebra A. Asf, la información genética puede ser CACCCCACCAGTGCAGGCTGCCTATCAGAA
AGTGGTGGCTGGTGTGGCTAATGCCCTGGC
copiada mediante un proceso en el cual la hebra A se separa de la hebra A' per-
CCACAAGTATCACTAAGCTCGCTTTCTTGC
mitiendo que cada una de ambas hebras sirva de patrón para la producción de TGTCCAATTTCTATTAAAGGTTCCTTTGTT
una nueva hebra complementaria. CCCTAAGTCCAACTACTAAACTGGG<¡_GATA
Como consecuencia directa del mecanismo de apareamiento de bases, re- TTATGAAGGGCCTTGAGCATCTGGATTCTG
sulta evidente que el DNA contiene información gracias a la secuencia lineal de CCTAATAAAAAACATTTATTTTCATTGCAA
TGATGTATTTAAATTATTTCTGAATATTTT
ACTAAAAAGGGAATGTGGGAGGTCAGTGCA
TTTAAAACATAAAGAMTGATGAGCTGTTC
Flgura 3-11 Secuencia del DNA del gen humano que codifica la 13-globina. AAACCTTGGGAAAATACACTATATCTTAAA
El gen codifica una de las dos subunidades de la molécula de la hemoglobina, CTCCATGAAAGAAGGTGAGGCTGCAACCAG
que en todos los individuos adultos transporta el oxígeno por la sangre. CTAATGCACATTGGCAACAGCCCCTGATGC
Solamente se presenta la secuencia de una de las dos hebras del DNA (la CTATGCCTTATTCATCCCTCAGAAAAGGAT
TCTTGTAGAGGCTTGATTTGCAGGTTAAAG
"cadena codificante"), ya que la otra tiene la secuencia complementaria. La
TTTTGCTATGCTGTATTTTACATTACTTAT
secuencia debe leerse de izquierda a derecha y en líneas sucesivas de arriba a TGTTTTAGCTGTCCTCATGAATGTCTTTTC
abajo de la página, como si se tratara de un texto normal en español.

106 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

 cadena patrón , Figura 3-12 Síntesis d.e DNA. La
3
adición de un desoxirribonucleótido al
cadena recién extremo 3' de una cadena
5• sintetizada
polinucleotfdica es la reacción
fundamental a través de la cual se
1
-◊-P sintetiza el DNA. Como se muestra en
1
la figura, es el apareamiento de bases
entre el ribonucleótido que se añade y
una hebra ya existente de DNA (la
hebra patr6n) lo que condiciona que la
nueva hebra de DNA tenga una
secuencia de nucleótidos
complementaria.

o11 o11 11
-o - P- O- P- 0 -P-O- CH2
1 1 1
o- o- o-

OH
desoxirribonucleósido trifosfato que entra

5'

sus nucleótidos. Cada nucleótido -A, C, T o G-- puede ser considerado como una
letra de un alfabeto sencillo de cuatro letras que es utilizado para escribir los
mensajes biológicos en forma lineal en una "cinta de teleimpresora". Los orga-
nismos se diferencias entre sí porque sus respectivas moléculas de DNA poseen
diferentes secuencias de nucleótidos, y por consiguiente, diferentes mensajes
biológicos.
Puesto que el número de posibles secuencias diferentes en una cadena de
DNA den nucleótidos de largo es de 4n, la variedad biológica que se puede gene-
rar utilizando una modesta longitud de DNA es, en principio, enorme. Una célu-
la animal típica contiene un metro de DNA (3 x 109 nucleótidos). Utilizando un
abecedario lineal de cuatro letras, un gen humano extraordinariamente peque-
ño puede llenar una cuarta parte de una página de texto (Figura 3-11), mientras
que la información genética existente en una célula humana permitiría llenar un
libro de más de 500 000 páginas. ...
Aunque el principio en el que se basa la replicación génica es elegante y
simple, la maquinaria real con la que se realiza esta copia en la célula es compli-
cada y está compuesta por un complejo de proteínas que forman una "máquina
de replicación". La reacción fundamental es la indicada en la Figura 3-12, en la
que la enzima DNA polimerasa cataliza la adición de un desoxirribonucleótido al
extremo 3' de una cadena de DNA. Cada nucleótido afiadido a la cadena es, en
realidad, un desoxirribonucleósido trifosfato; la liberción del pirofosfato de este
nucleótido activado y su hidrólisis posterior proporcionan la energía para la re-
acción de replicación del DNA, convirtiéndola de forma efectiva en una reac-
ción irreversible.

Ácidos nucleicos 107

 La replicación de una hélice de DNA empieza por la separación local de sus
doble hélice parterna de DNA
dos hebras de DNA complementarias. Cada hebra actúa Juego como patrón para
la formación de una nueva molécula de DNA, mediante la adición secuencial de
desoxirribonucleósidos trifosfato. El nucleótido que debe ser añadido en cada
caso se selecciona mediante un proceso durante el cual se forma un par de bases
complementarias con el nucleótido siguiente de la hebra patrón madre, gene-
rándose así una hebra hija de DNA que tiene una secuencia complementaria a la
de la hebra patrón (Figura 3-12). La información genética se duplica en su totali-
dad -es decir, se llegan a fonnar dos dobles hélices completas de DNA, cada una
de las cuales es idéntica en cuanto a secuencia de nucleótidos a la hélice de DNA
madre que sirvió de patrón. Puesto que al acabar el proceso, cada molécula de
DNA hija está formada por una cadena original y otra recién sintetizada, se dice
que el mecanismo de replicación es semiconservativo (Figura 3-13).

Los errores en el proceso de replicación del DNA

generan mutaciones12
Una de las características más impresionantes de la replicación del DNA es su
exactitud. Se utilizan djversos mecanismos "correctores de galeradas" para eli-
minar nucleótidos situados incorrectamente; como consecuencia de ello, la se-
cuencia de nucleótidos de una molécula de DNA se copia con menos de un error
por cada 109 nucleótidos añadidos. Sin embargo, de vez en cuando la maquina-
ria de La replicación salta o añade algunos nucleótidos, o coloca una T donde de-
bería existir una C, o una A en lugar de una G. Cada uno de los cambios de este
tipo en la secuencia de DNA constituye un error genético llamado mutación,
que será copiado en todas las generaciones futuras de células, ya que las secuen-
cias de DNA ''equivocadas" se copian tan fielmente como las "correctas". La
hélices de DNA hijas
consecuencia de un error de este tipo puede ser muy importante, ya que un solo
cambio de un nucleótido puede tener grandes efectos sobre la célula, depen- Figura 3-13 La replicación
diendo del lugar donde haya ocurrido la mutación. semiconservatlva del DNA. En cada
ciclo de replicación, cada una de las
A principios de los años 1940, los genetistas demostraron de forma conclu-
dos hebras de DNA son utilizadas
yente que los genes especifican la estructura de las proteínas. Por eso, W1a muta- como patrón para la formación de una
ción en un gen causada por una alteración en la secuencia de su DNA puede hebra complementaria de DNA. Por
acarrear la ínactivación de una proteína y no producir ningún efecto, por lo que consiguiente, las hebras originales
se Je llama mutación silenciosa. Muy raramente, una mutación origina un gen permanecen inalteradas a lo largo de
con una función útil, mejorada o nueva. En este caso los organismos portadores muchas generaciones celulares.
de la mutación tendrán una ventaja, y a través de la selección natural el gen mu-
tado puede llegar a substituir con el tiempo al gen original de la población.

La secuencia de nucleótidos de un gen determina la secuencia

de aminoácidos de una proteína13
El DNA es relativamente inerte químicamente. La información que contiene se
expresa indirectamente a través de otras moléculas: el DNA dirige la síntesis de
RNA específicos y de moléculas de proteína que, a su vez, determinan las pro-
piedades físicas y quúnicas de la célula.
Aproximadamente al mismo tiempo en que los biofisicos analizaban la es-
tmctura tridimensional del DNA por difracción de rayos X, los bioquímicos estu-
diaban intensamente la estructura química de las proteínas. Se sabía ya que las
proteínas son cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos secuencia-
les, pero todavía no se conocía con certeza que cada tipo de proteínas consiste
en una secuencia característica de aminoácidos; pero a principios de los años
1950, cuando se llegó a conocer la secuencia de la pequeña proteína insulina
(Figura 3-14), se descubrió que cada tipo de proteína consiste en una secuencia
de aminoácidos típica. Al igual que el conocimiento de la estructura del DNA
ejerció una influencia crucial sobre la composición de la base molecular de la
genética y de la herencia, la determinación de la secuencia de la insulina consti-
tuyó la clave para comprender Ja estructura y la función de las proteínas. Si la in-

108 Capítulo 3: Macromoléculas: estructura, forma e información

Cadena A Figura 3-14 Secuencia de
s,- - - -- s
1 1 aminoácidos de la insulina bovina. La
G-1-V-E-O-C-C-A-S-V-C-S-L-Y - Q- L- E- N- Y- C- N
1 S S 21 insulina es una proteína muy pequeña
1 / formada por dos cadenas
Cadena B s1
s
1 polipeptídicas, w1a de 21 y la otra de
P - V- N- Q- H- L- C- G- S-H-L-V-E-A-L-Y-L-V-C-G-E-A-G-F-F-Y-T - P - K- A
1 ~ 30 residuos de aminoácidos. Cada
cadena presenta una secuencia de
aminoácidos característica
determinada genéticamente. Los
sulina tenía una secuencia definida, genéticamente d eterrnmada, lo más proba- símbolos de una letra utilizados para
ble era que también la tuvieran las demás proteínas. Además, parecía razonable nombrar los aminoácidos son los que
suponer que las propiedades de una proteína dependerían del orden exacto en se indican en.el Panel 2-5, págs. 58-59;
el que se hallaran dispuestos sus aminoácidos constituyentes. los enlaces S-S indicados en rojo son
Tanto el DNA como las proteínas están compuestos por una secuencia lineal enlaces disulfuro entre residuos de
de subunidades, y el análisis bioquímico de las proteú1as producidas por genes cistefna. Inicialmente la proteína se
mutantes demostró que las dos secuencias son ca-lineales - es decir, los nucleó- sintetiza como una única larga cadena
tidos del DNA están dispuestos en un orden que coresponde al orden de los ami- polipeptfdica (codificada por un único
noácidos en la proteína que especifican. Resultó evidente que la secuencia del gen), la cual se divide posteriormente
DNA contiene una especificación codificada de la secuencia proteica. La pre- formando las dos cadenas.
gunta central de la biología molecular pasó a ser entonces cómo una célula tra-
duce una secuencia de nucleótidos del DNA a una secuencia de aminoácidos de
una proteína.

Porciones de la secuencia de DNA se copian en moléculas

de RNA para guiar la síntesis de protefuas14
La síntesis de una proteína implica copiar regiones específicas del DNA (los ge-
nes) en otro tipo de polinucleótido quúnica y funcionalmente diferente, conoci-
do como ácido ribonucleico o RNA. AJ igual que el DNA, el RNA está compuesto
por una secuencia lineal de nucleótidos, pero presenta dos pequeñas diferencias
químicas respecto al DNA: (1) el esqueleto de azúcar fosfato del RNA contiene r.i-
bosa en lugar de desoxirribosa, y (2) la base timina (T) está substituida por uraci-
lo (U). una base muy estrechamente relacionada que también se aparea con A
(véase Panel 3-2, págs. 104-105).
El RNA contiene toda la información de la secuencia de DNA de la que ha
sido copiado y mantiene las propiedades del DNA de apareamiento de bases.
Las moléculas de RNA se sintetizan a través de un proceso conocido como
transcripción del DNA, que en muchos aspectos se parece al de la replicación
del DNA, ya que una de las dos hebras del DNA actúa como patrón sobre el que
se examinan las posibilidades de apareamiento de bases de los ribonucleótidos.
Cuando se consigue un buen ajuste con el DNA patrón, el ribonucleótido es in-
corporado como una unidad ligada covalentemente. De esta forma, la cadena de
RNA que está creciendo lo hace nucleótido a nucleótido.
La transcripción del DNA se diferencia de la replicación el DNA en varios
puntos importantes. Por ejemplo, el RNA producido no permanece asociado al
DNA. Inmediatamente detrás de la región en la que se añaden los ribonucleóti-
dos, la hélice original del DNA se forma de nuevo y la molécula de RNA se sepa-
ra. Por consiguiente, las moléculas de RNA tienen una sola hebra. Además, las
moléculas de RNA son relativamente cortas en comparación con las de DNA, ya
que son copiadas a partir de una región limitada del DNA - suficiente para pro-
ducir una o varias proteínas (Figura 3-15). A los transcritos de RNA que dirigen la
síntesis de moléculas de proteína, se les llama moléculas de RNA mensajero
(mRNA). Otros transcritos de RNA actúan como RNA de transferencia (tRNA) o
bien forman los componentes del RNA ribosórnico (rRNA) o partículas ribonu-
cleoproteicas más pequeñas.
La cantidad de RNA sintetizado a partir de una región determinada de DNA
está controlada por proteínas reguladoras de la actividad génica, que se unen a
lugares específicos del DNA cerca de las secuencias codificantes de un gen. En
cualquier célula y en cualquier momento dado, algunos genes se están utilizan-

Ácidos nucleicos 109

 EUCARIOTAS PROCARIOTAS Figura 3-15 La transferencia de
información desde el DNA hasta la
ci\oplasrn~ protefua. La transferencia tiene lugar a
núcleo
través de un intermediario de RNA
llamado RNA mensajero (mRNA). En
DNA las células procariotas el proceso es
==-----==--- más simple que en las células
RNA
+TRANSCRIPCIÓN
+ TRANSCJIIPClÓN eucariotas. En eucariotas, las regiones
mRNA codificantes del DNA (situadas en los
+ TRADUCCIÓN exones, dibujados en color) están
+ protelna
separadas por regiones no codificantes
~ (llamadas iritrones). Tal como se indica
maduración r corte en la figura, estos intrones pueden
y empal del ANA
eliminarse a través de una reacción,
catalizada por enzimas, de
mRNA - - - -

proteína
i TRADUCCIÓN
maduración por corte y empalme
(splicing) del RNA, formando asf una
molécula de mRNA.

do para sintetizar RNA en grandes cantidades mientras que otros genes no se

transcriben en absoluto. En cada generación celular, a partir de un gen activo
pueden sintetizarse centenares de transcritos de RNA a partir del mismo seg-
mento de DNA. Cada molécula de mRNA puede ser traducida dando lugar a mu-
chos centenares de copias de una cadena polipeptídica, por lo que la informa-
ción contenida en una pequeña región del DNA puede dirigir la smtesis de
millones de copias de una proteína determinada. La protema fibro!na, por ejem-
plo, es el componente mayoritario de la seda. En cada célula de la glándula de la
seda, un solo gen de fibroína genera 104 copias de mRNA, cada una de las cuales
dirige la smtesis de 105 moléculas de fibroína -produciéndose un total de 109
moléculas de fibroína en sólo 4 días.

Las moléculas de RNA de eucariotas son cortadas y

recombinadas, eliminándose secuencias intrón15
En las células bacteriartas la mayoría de las proteínas están codificadas por una
única secuencia de DNA, larga e ininterrumpida, que se copia sin ninguna alte-
ración o modificación previa, produciendo una molécula de mRNA. En 1977, los
biólogos moleculares quedaron asombrados ante el descubrimiento de que la
mayoría de los genes eucariotas presentan sus secuencias codificantes (llamadas
exones) interrumpidas por secuencias no codificantes (llamadas intrones). Para
producir una proteína, primero se trartscribe todo el gen, incluyendo tanto sus
intrones como sus exones y generando una molécula de mRNA muy larga -el
transcrito primario. Antes de que esta molécula de RNA abandone el núcleo, un
complejo de enzimas procesadoras de RNA elimina todas las secuencias de in-
trones produciendo así una molécula de RNA mucho más corta. Después de que
esta maduración del RNA, llamada maduración por corte y empalme del RNA
(RNA splicing) haya concluido, la molécula de RNA se desplaza hasta el citoplas-
ma constituyendo ahora una molécula de m.RNA que dirige la síntesis de una
molécula de una protema determinada (Figura 3-15).
Este sistema de transferencia de información en eucariotas, aparentemente
ruinoso, se ha desarrollado probablemente debido a que supone que la smtesis
de pro tema es mucho más versátil. El trartscrito primario de RNA de algunos ge-
nes, por ejemplo, puede madurar por c011e y empalme de diferentes formas,
produciendo diferentes mRNA dependiendo del tipo de célula y del estadio de
desarrollo. Esto permite sintetizar diferentes proteínas a partir del mismo gen.
Además, como la presencia de numerosos intrones facilita los procesos de re-

110 Capítulo 3: Macromoléculas: estructura, fonna e información

 1.• posición 2. 0 posición 3.ª posición
Figura 3-16 El código genético. En el
transcurso de la síntesis proteica, los
(extremo 5')
! u e A G
(extremo 3'
! grupos de tres nuclcótidos (codones)
de una molécula de mRNA son

u Phe
Phe
Leu
Leu
Ser
Ser
Ser
Ser
Tyr
Tyr
STOP
STOP
Cys
Cys
STOP
Trp
u
e
A
G
traducidos a aminoácidos de acuerdo
con las reglas indicadas aquí. Los
codones GUG y GAG, por ejemplo, se
traducen a valina y a ácido glutámico

e
respectivamente. Obsérvese que los
Leu Pro His Arg u codones que presentan U o C como
Leu Pro His Arg e segundo nucleótido tienden a codificar
Leu Pro Gin Arg A
Leu Pro Gin Arg G los aminoácidos más hidrofóbicos
(compárese con el Panel 2-5,
págs. 58-59).
lle Thr Asn Ser u

A lle
lle
Met
Thr
Thr
Thr
Asn
Lys
Lys
Ser
Arg
Arg
e
A
G

Val Ala u

G
Asp Gly
Val Ala Asp Gly e
Val Ala Glu Gly A
Val Ala Glu Gly G

combinación genética entre exones, probablemente este tipo de disposición gé-

nica ha sido extraordinariamente importante en los albores de la historia de la
evolución de los genes -acelerando los procesos por medio de los cuales los or-
ganismos desarrollaron nuevas proteínas a partir de partes de otras ya existen-
tes, en lugar de tener que desarrollar completamente nuevas secuencias.

Las secuencias de nucleótidos del mRNA son "leídas" en grupos

de tres y traducidas a aminoácidos16
Las reglas a través de las que se traduce la secuencia nucleotídica a secuencia de
aminoácidos de una proteína, el denominado código genético, fueron descifra- ~ y
das a principios de los años 1960. Se demostró que la secuencia de nucleótidos
, ~~~~~
de la molécula de rnRNA que actúa como intermediario, era leída en orden con-
-Leu-Ser--Val--Thr-
secutivo, en grupos de tres. Cada triplete de nucleótidos, denominado un codón,
determina un aminoácido. Puesto que el RNA es un polímero lineal de cuatro
nucleótidos diferentes, existen 43 = 64 tripletes de codón posibles (recuérdese
que lo importante es la secuencia de nucleótidos de un triplete). Habitualmente 2 i~~~~~
en las proteínas tan sólo se encuentran 20 aminoácidos diferentes de modo que - Ser-- Ala --Leu--Pro-
la mayoría de aminoácidos deben ser especificados por varios codones; es decir,
el código genético es degenerado. El código (ilustrado en la Figura 3-16) ha sido
altamente conservado a través de la evolución: con pocas excepciones, es igual 3 ~~~~~
en organismos tan diversos como las bacterias, las plantas y el hombre. - Gln-Arg- -Tyr-His-
En principio, cada secuencia de RNA puede ser leída siguiendo una de las
tres posibles pautas de lectura diferentes que pueden darse según el lugar en que Flgura 3-17 Las tres pautas de lectura
empiece el proceso de decodificación (Figura 3-17). En casi todos los casos úni- posibles en la síntesis proteica. En el
camente una de estas pautas de lectura producirá una proteína funcional. Pues- proceso de traducción de una
to que no existen signos de puntuación salvo al principio y al final del mensaje secuencia de nucleótidos (azul) en una
de RNA, la pauta de lectura se establece en el inicio del proceso de traducción y secuencia de aminoácidos (verde), la
se mantiene a partir de entonces. secuencia de nucleótidos de un mRNA
es leída desde el extremo 5' hacia el
extremo 3', en grupos consecutivos de
Las moléculas de tRNA emparejan los aminoácidos 3 nucleótidos. Por consiguiente, según
con los grupos de nucleótidos 17 cual sea la "pauta de lectma" utilizada,
cada secuencia de RNA puede
Los codones de una molécula de m.RNA no reconocen directamente los amino- codificar, en principio, tres secuencias
ácidos que especifican, como hacen las enzimas con su substrato. La traducción de aminoácidos completamente
de un mRNA a proteína depende de una molécula ''adaptadora" que reconoce diferentes entre sí.

Ácidos nucleicos 111

 nucleótido 1 nucleótido 76
unión del aminoácido {extremo 3'
54-58 - -75,;;..x.; con un
nucleótido 76 aminoácido
{extremo 3') 65-18 - ---t<.A unido)

56-19 - -'<W "-

nucleótido 1
!extremo 5')

22-46
23-9

45-10 - - - - -+
44-26 - -- -~ 'fiiiii=:j(l

interacciones
poco habituales
entre bases
anticodón
{Al {B) anticodón {C)

un aminoácido y un grupo de tres nucleótidos. Estos adaptadores son un grupo Figura 3-18 tRNA para la fenllalanlna
de pequeñas moléculas de RNA conocidas como RNA de transferencia (tRNA), en levadura. (A) La molécula está
cada una de las cuales tiene una longitud de unos 80 nucleótidos. dibujada adoptando una
Una molécula de tRNA presenta una conformación tridimensional plegada, conformación de "cruce en trébol"
que se mantiene en parte por interacciones no covalentes de apareamientos de para destacar los pares de bases
complementarios (barras grises cortas)
bases como las que mantienen unidas las dos hebras de la hélice de DNA. Sin
que se forman en regiones helicoidales
embargo, en la molécula de tRNA, que es de una sola hebra, los pares de bases
internas de la molécula. (B) Se muestra
complementarios se forman entre residuos de nucleótidos de la misma cadena, en forma de esquema la conformación
la cual hace que la molécula de tRNA se pliegue de una forma característica, que real de la molécula, basada en análisis
es importante para su función de adaptador. Cuatro cortos segmentos de lamo- por difracción de rayos X. Los pares de
lécula presentan una estructura en doble hélice, dando lugar a una molécula bases complementarios se indican
que parece un "cruce en trébol" en dos dimensiones. Este cruce en trébol está como barras grises largas. Además, en
más plegado formando una conformación en forma de L que se mantiene por rojo se presentan los nucleótidos que
interacciones de enlaces de hidrógeno más complejas (Figura 3-18). En cada ex- participan en interacciones no
tremo de la "L" existen dos grupos de residuos de nucleótidos desapareados, habituales de apareamiento de bases y
que son especialmente importantes para la función de la molécula de tRNA en la que mantienen unidas diferentes
síntesis de proteínas: uno de los grupos forma el anticodón, cuyas bases pueden zonas de la molécula. Estas parejas
aparearse con las de un triplete complementario de una molécula de mRNA (el están numeradas y conectadas por
líneas de color rojo tanto en (AJ como
codón), mientras que la secuencia CCA del extremo 3' de la molécula de tRNA
en (BJ. En (BJ los pares de bases están
está wlido de forma covalente a una secuencia de aminoácidos (Figura 3-18A). numerados. (C) Una de las
interacciones de apareamiento de
El mensaje de RNA se lee de un extremo al otro bases poco habituales. Aquí, una base
por un ribosoma18 interacciona a través de enlaces de
hidrógeno con otras dos; algunas de
El proceso de reconocimiento de los codones, que transfiere la información ge- estas "triples bases" colaboran para
nética del mRNA vía tRNA a la proteína, depende de interacciones entre pares de mantener plegada esta molécula de
bases del mismo tipo de las que median la transferencia de información genéti- tRNA.
ca del DNA al DNA y del DNA al RNA (Figura 3-19). Sin embargo, la mecánica de
ordenación de las moléculas de tRNA sobre el mRNA es complicada y requiere
de la presencia de un ribosoma, que es un complejo de más de 50 proteínas di-
ferentes asociadas a varias moléculas de RNA estructural (rRNA). Cada ribosoma
es una gran máquina sintetizadora de proteínas en la que las moléculas de tRNA
se colocan por sí mismas para leer el mensaje genético codificado en la secuen-
cia de las moléculas de mRNA. El ribosoma encuentra primero un punto especí-
fico de inicio en la molécula de mRNA, que establece la pauta de lectura y deter-
mina el extremo amino terminal de la proteína. Luego, a medida que el
ribosoma se desplaza a lo largo de la molécula de mRNA, va traduciendo, codón
a codón, la secuencia de nucleótidos a secuencia de aminoácidos, utilizando

112 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

 mRNA

El ÍÍ ÍÍÍÍII ■ 11 ■ ■■ ■ ■ ■ ■
5 3
'' • Ííií Í(
CCAUCGCU AAAG 1 i ~ GGA
'

f~
-o
2
a:
z
-o
u
(/l
z 8::,
o
~ <t
a:
1- e
p,..

$
tR NA entrante,
cargado con un
amino cadena polipeptldica
(Al (B)
aminoácido
en crecimiento

moléculas de tRNA para añadir aminoácidos al extremo por el que la cadena po- Figura 3-19 Flujo de información en
lipept(dica está creciendo (Figura 3-20). Cuando un ribosoma llega al final del la síntesis proteica. (A) Los nucleótidos
mensaje, tanto él como el extremo carbox:ilo terminal de la proteína recién sinte- de la molécula de mRNA se unen
tizada se liberan del extremo 3' de la molécula de m.RNA y quedan libres en el ci- formando una copia complementaria
toplasma. de un segmento de una hebra de DNA.
Los ribosomas actúan con una eficiencia notable: en 1 segundo, un solo ri- (B) Luego, estos nucleótidos, en grupos
bosoma bacteriano añade aproximadamente unos 20 aminoácidos a una cadena de tres, se unen a conjuntos
complementarios de tres nucleótidos de
polipeptídica en formación. En el Capítulo 6 se ofrecen más detalles sobre la es-
la región anticodón de detenninadas
tructura de los ribosomas y sobre el mecanismo de la síntesis proteica.
moléculas de tRNA. En el otro extremo
de cada tipo de las moléculas de tRNA,
Algunas moléculas de RNA actúan como catalizadores19 un aminoácido detenninado se
mantiene unido a través de un enlace de
Tradicionalmente se ha considerado que las moléculas de RNA son simples cade- alta energía, y cuando se produce el
nas de nucleótidos, con una química relativamente poco interesante. En 1981, apareamiento, este aminoácido es
esta concepción quedó destrozada por el descubrimiento de una molécula de añadido al extremo en crecimiento de la
RNA con actividad catalítica, con un tipo de reactividad química tan sofisticada cadena proteica. Así, la traducción de la
como la que los bioquímicos habían asociado exclusivamente a las proteínas. Las secuencia de nucleótidos del rnRNA a
moléculas de RNA ribosómico de los protozoos ciliados Tetrahymena se sinteti- una secuencia de aminoácidos depende
zan inicialmente como un largo precursor, a paiiir del cual se sintetiza uno de los del a paramiento de bases
complementarias entre un codón del
rRNA por una reacción de corte y empalme (splicing) del RNA. La sorpresa surgió
rnRNA y el anticodón correspondiente
ante el descubrimiento de que esta reacción de corte y empalme podía desarro-
del tRNA Por consiguiente, la base
llarse in vitro en ausencia de proteínas. Por consiguiente, se demostró que la se- molecular de la transferencia de
cuencia intrón presenta una actividad catalítica, semejante a la de una enzima información en la traducción es muy
que lleva a cabo la reacción de dos etapas que se ilustra en la Figura 3-21. A conti- similar a la de la replicación y a la de la
nuación, se sintetizó en un tubo de ensayo la secuencia de 400 nucleótidos de transcripción del DNA. Nótese que
tanto la síntesis como la traducción del
rnRNA se inician en el extremo 5'.

subunidades ribosómicas
separadas
Figura 3-20 Síntesis de una proteína
por ribosomas Wlidos a una molécula
ribosoma mRNA de mRNA. Los ribosomas s; unen a una
sefial de iniciación que se halla cercana
extremo 3' al extremo 5' de la molécula de mRNA y
extremo 5'
luego se desplazan hacia el extremo 3 ',
sintetizando la proteína a medida que
avanzan. A menudo varios ribosomas se

«
desplazan simultáneamente sobre un
polipéptido en crecimiento
mismo rnRNA, de forma q ue cada uno
pollpép<ldo oompl,., ) de ellos fabrica una cadena
liberado polipeptídica independiente pero
idéntica a las otras; toda esta estructura
recibe el nombre de polirribosoma.

Ácidos nucleicos 113

 nucleótido Figura 3-21 Una molécula de RNA
{),, / molécula de ANA automaduratlva. El diagrama muestra
5• :::~ u~
cuA; G~ GUAAc:::::::::::i::: : 3' precursora la reacción de automaduracióo en la
A '
que una secuencia intrón cataliza su
secuencia propia escisión de una molécula de
del intrón RNA ribosomal en Tetrahymena.
Como se muestra en la figura, el
proceso se inicia cuando un
nucleótido G se añ.ade a la secuencia
del intrón, y en esta reacción se rompe
la cadena de RNA; entonces, el nuevo
3'~
extremo 3' de la cadena de RNA ataca
5• :::~ ~~
cu GUAA~:::3' intermediario al otro extremo del intrón,
transitorio completándose la reacción.
5' A
A

molécula
5':::~ UCUUAA~ ::: 3' deRNA
madura
+

secuencia
del intrón
eliminada

longitud del intrón y se comprobó que era capaz de plegarse formando una com-
pleja superficie y podía actuar como una enzima en reacciones con otras molécu-
las de RNA. Puede, por ejemplo, juntar dos substratos determinados -un nucleó-
tido de guanina y una cadena de RNA- y catalizar su unión covalente cortando la
cadena de RNA en un lugar específico (Figura 3-22).
En esta reacción tipo, de la cual el primer paso se presenta simulado en la
Figura 3-21, la propia secuencia intrón actúa de forma repetitiva cortando nu-
merosas cadenas de RNA. A pesar de que la maduración del RNA por corte y em-
palme se realiza habitualmente por sistemas que no son autocatalfticos (véase
Capítulo 8), en diferentes tipos de células, incluyendo hongos y bacterias, se han
descrito RNA automadurativos con secuencias inttón relacionadas con la de Te-

Pigura 3-22 Una reacción catallzada

por la secuencia intrónica purlftcada
de Tetrahymena . En esta reacción, que
corresponde al primer paso dei a Figura
3-21, tanto el substrato específico-una
m olécula de ANA substrato molécula de RNA- como un nucleótido

~
G se mantienen estrechamente unidos a
la superficie de la molécula catalítica de
+ RNA. Entonces el oucleótido se une
G covalentemente a la molécula de RNA
substrato rompiéndola en un lugar
\ nucleótido
determinado. La liberación de las dos
productos RNA cadenas de RNA resultantes deja libre la
molécula
cat;illtica secuencia del intrón para posteriores
deRNA ciclos de reacción.

ll4 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

 OH
5'

puromicina, una molécula

que mimetiza un 5'
amínoacil tRNA
mimetiza un tRNA (rojo) Figura3-23 Una reacción peptidil
unido al e-terminal de transferasa catalizada por una
un polipéptido en
crecimiento (azun
molécula de RNA ribosómico
desprotelnizada. La molécula de
puromicina mimetiza un tRNA
cargado con el aminoácido tirosina y
trahymena. Este hecho sugiere que estas secuencias de RNA podrían haber apa- en las células actúa como un potente
recido antes de que las líneas evolutivas de las células procariotas divergieran, inhibidor de la síntesis de proteínas
hace 1,5 mil millones de años. añadiéndose al extremo en
Recientemente se han descubierto algunas otras familias de RNA catalíticos. crecimiento de una cadena
Por ejemplo, la mayoría de los tRNA se sintetizan inicialmente como un RNA polipeptidica. En este modelo de
precursor más largo, y se ha descrito una molécula de RNA que juega el papel reacción el extremo de la cadena
catalítico principal en un complejo RNA-proteína que reconoce estos precurso- polipeptidica en crecimiento está
res y los corta en lugares específicos. Se conoce también una secuencia catalítica mimetizado por un hexanucleótido (en
rojo, representando un tRNA) que está
de RNA que desempefia una función importante en el ciclo vital de nwnerosos
unido covalentemente a la N-formil
viroides de plantas. Todavía es más destacable que ahora se sospecha que los ri- metionina (que representa el
bosomas ejercen su función principalmente por catálisis basada en moléculas polipéptido). Una gran molécula de
de RNA, de forma que las proteínas del ribosoma jugarían un papel de apoyo de rRNA altamente purificada cataliza la
los RNA ribosómicos (rRNA), que constituyen más de la mitad de la masa del ri- adición de purornizina a la N-formil
bosoma. El rRNA largo, por ejemplo, tiene una actividad peptidil transferasa que metionina, formando un nuevo enlace
puede catalizar la formación de nuevos enlaces peptfdicos (Figura 3-23). peptídico y liberando el
¿Cómo le es posible a una molécula de RNA actuar como una enzima? El hexanucleó tido.
ejemplo del tRNA indica que las moléculas de RNA pueden plegarse de formas al-
tamente específicas. En la Figura 3-24 se presenta una estructura tridimensional
propuesta para el núcleo de la secuencia intrón automadurativa de Tetrahymena.
Interacciones entre diferentes zonas de esta molécula de tRNA (análogas a los
poco habituales enlaces de hidrógeno en mo1éculas de tRNA-véase Figura 3-18)
son responsables de plegados posteriores que generan una compleja superficie

Figura 3-24 Visión tridimensional

del núcleo catalítico de la secuencia
intrónica de RNA ilustrada en las
Figuras 3-21 y 3-22. (A) La molécula
3' plegada, con las interacciones de
enlaces de hidrógeno en rojo. Esta
molécula, de unos 240 nucleótidos, se
presenta inmediatamente después del
corte inical del extremo 5' del intrón
(amarillo). (B) Dibujo esquemático de
intrón
51 i CWM/fh7.,½ll1//ll.f.».h7( 3•
la molécula presentada en (A), en su
__J L__ forma desplegada. (Adaptado de L.
exón exón
Jaeger, E. WesthoffyF. Michel,J. Mol.
(A) (B) Biol. 221: 1153-1164, 1991.)

Ácidos nucleicos 115

tridimensional con actividad catalítica. Una yuxtaposición de átomos poco fre-
cuente puede estirar enlaces covalentes y, por lo tanto, conseguir que determina-
dos átomos de la cadena plegada del RNA sean extraordinariamente reactivos.
Como se explica en el Capítulo 1, el descubrimiento de las moléculas de RNA
con actividad catalftica ha cambiado profundamente nuestra visión de cómo
aparecieron las primeras células.

Resumen
La información genética se halla en la secuencia lineal de nucleótidos del DNA.
Cada molécula de DNA consiste en una doble hélice formada a partir de dos hebras
complementarias de nucleótidos, emparejadas mediante enlaces de hidrógeno entre
los pares de bases G-C y A-T. La duplicación de la información genética se produce
mediante la polimerización de una nueva hebra complementaria de cada una de las
dos hebras primitivas de la doble hélice, durante el proceso de replicación del DNA.
La expresión de la información genética almacenada en el DNA comprende la
traducción de una secuencia lineal de nucleótidos del DNA a una secuencia co-lineal
de aminoácidos de una proteína. Un segmento acotado de DNA se copia primero en
una hebra complementaria de RNA. Este transcrito primario es cortado y reempal-
mado (spliced) eliminándose las secuencias de intrones y generando una molécula
de mRNA. Finalmente, el mRNA es traducido a prote{na a través de un complejo
conjunto de reacciones que tienen lugar en un ribosoma. Los aminoácidos utiliza-
dos para la síntesis proteica son unidos primero a una familia de moléculas de
tRNA, cada una de las cuales reconoce, mediante interacciones de apareamiento
de bases complementarias, grupos determinados de tres nucleótidos del mRNA.
A c011tinuación, la secuencia de nucleótidos del mRNA es leída de un extremo al
otro en grupos de tres, de acuerdo con un código genético universal.
Otras moléculas de RNA actúan en las células como agentes catalíticos seme-
jantes a las enzimas. Estas moléculas de RNA se pliegan generando una superficie
que contiene nucleótidos que han adquirido una reactividad extraordinaria. Uno
de estos catalizadores es el rRNA grande del ribosoma, que cataliza la formación de
enlaces peptfdicos durante la s{ntesis proteica.

Estructura de las proteínas2º

Las células están formadas en gran parte por proteínas, que constituyen más de la
ntitad del peso seco de la célula (Tabla 3-1). Las proteínas deterntinan la forma y
la estructura de la célula y también actúan como los principales instrumentos de re-
conocimiento molecular y como catalizadores. A pesar de que es cierto que el DNA
almacena la información para generar una célula entera, tiene poca influencia di-
recta sobre los procesos celulares. El gen de la hemoglobina, por ejemplo, no puede
transportar oxígeno: ésta es una propiedad de la proteína especificada por el gen.
Las moléculas de DNA y de RNA son cadenas de nucleótidos, químicamente
muy semejantes entre sí. En cambio, las proteínas están formadas por un con-
junto de 20 aminoácidos muy diferentes, cada uno de los cuales presenta una
personalidad qu(mica distinta (véase Panel 2-5, págs. 58-59). Esta variedad hace
posible la enorme versatilidad de las propiedades químicas observada en las dis-
tintas proteínas, y posiblemente explica por qué durante la evolución se han se-
leccionado las proteínas en lugar de las moléculas de RNA para catalizar la ma-
yoría de las reacciones celulares.

La forma de una molécula proteica está determinada

por la secuencia de sus aminoácidos21
Muchos de los enlaces de una larga cadena polipeptídica permiten la libre rota-
ción de los átomos que unen, lo cual confiere ·a1 esqueleto de la proteína una
gran flexibilidad. Por lo tanto, cualquier molécula proteica puede, en principio,

116 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

adoptar un número ilimitado de formas diferentes (conformaciones). Sin embar- pol lpéptido desplegado
go, la mayoría de las cadenas polipeptídicas se pliegan adoptando una sola con-
cadenas laterales cadenas laterales
formación particular. Esto es debido a que los esqueletos de los diferentes ami- polares no polares

~
noácidos, a modo de cadenas laterales de la cadena principal, se asocian entre sí
y con el agua formando varios enlaces no covalentes débiles (véase Panel 3-1,
págs. 96-97). Siempre que las cadenas laterales apropiadas se encuentren en po-
siciones cruciales en la cadena, se desarrollarán importantes fuerzas que hacen
que una conformación particular sea especialmente estable.
La mayoría de las proteínas pueden plegarse espontáneamente en su forma
correcta. Debido al tratamiento con algunos disolventes, puede conseguirse que ~--&fll.. :.---,,~ 'y
una proteína se despliegue, o desnaturalice, obteniéndose una cadena polipeptí- /
I , J , ; r ·-
~;'if' '1
dica flexible que ha perdido su conformación nativa. Normalmente cuando se
retira el solvente desnaturalizante, la proteína se pliega espontáneamente adop-
tando su conformación original, lo cual indica que toda la información necesaria
ll
para determinar el plegamiento se halla contenida exclusivamente la secuencia
de aminoácidos.
Uno de los factores más importantes que condicionan el plegamiento de
una proteína es la distribución de sus cadenas laterales polares y no polares. Las
cadenas laterales hidrofóbicas, muy abundantes, tienden a agruparse en el inte-
rior de la molécula, lo cual les permite evitar el contacto con el entorno acuoso
(como las gotas de aceite se vuelven a unir después de haber sido dispersadas
mecánicamente en el agua). Por el contrado, las cadenas laterales polares tien-
la región central las cadenas laterales
den a disponerse cerca de la parte externa de la molécula proteica, donde pue- hidrofóbica polares, situadas en la
den interactuar con el agua y con otras moléculas polares (Figura 3-25). Puesto contiene las superficie exterior de
que los enlaces pe ptídicos también son polares, tienden a interactuar entre sí cadenas la molécula, pueden
latera les no forma r enlaces de
y con las cadenas laterales polares, para formar enlaces de hidrógeno (Figura polares hidrógeno
3-26); casi todos los residuos polares enterrados dentro de la proteína están apa-
reados de esta forma (Figura 3-27). Así pues, los enlaces de hidrógeno desempe- conformación plegada en un
ambiente acuoso
ñan un papel importante en mantener unidas diferentes regiones de la cadena
polipeptfdica de una molécula proteica plegada, y son de una importancia cru- Figura 3-25 Plegado de una proteína
cial para muchas de las interacciones de enlace observadas en las superficies de adoptando una conformación
las proteínas. globular. Las cadenas laterales de los
aminoácidos polares tienden a situarse
en el exterior de la proteína, donde
pueden interaccionar con el agua; las
cadenas laterales de los aminoácidos
ácido glutamínico
no polares quedan enterradas en el
interior, formando un núcleo
hidrofóbico "escondido" del agua.

1
-C-C-N-C-
W 1 1 ?i
- C- C-Nr-C-
1

1 1 1 1 1 1
H H

1
o
1 11 1
- C-C- N-C-
1 1 1
1-1,

serina Figura 3-26 Enlaces de hidrógeno.

Algunos de los enlaces de hidrógeno
enláU de bl rpgal)o >enlace e hidf eno an111C$ da hldró11eno (indicados en color) que se pueden
entreá~dédoa entra át9mQS de un entre dos ~n,,
entacee~ coa .,-.Jape peptldico '/ yna laterales de !lrtllnqáéido formar entre los aminoácidos de una
t,e'déna lateral tle lfn proteína. Los enlaces peptíd.icos se
amínóécllfo
---- presentan sombreados en gris.

Estructura de las proteínas 117

 F

Figura 3-27 Detalles de enlaces de

hidrógeno en una proteína. En esta
región de la enzima lisozima, se
forman enlaces de hidrógeno entre dos
cadenas lacerales (azul), entre una
·7::
cadena lateral y un átomo de un enlace
> ' peptídico (amarillo) o entre átomos de
dos enlaces peptídicos (rojo). Para
'
. --~~~--<J?o referencia, véase Figura 3-26. (Según
C.K. Mathews y K.E. van Holde,
,/ Biochemistry. Redwood City, CA:

,7t h ...¿,___--UI
Benjamin/Cummings, 1990.)

Las proteínas secretadas o las proteínas de la superficie celular a menudo

forman enlaces covalentes adicionales intracatenarios. De fonna más notable, la
formación de enlaces disulfuro (también denominados enlaces S-S) entre los
dos grupos -SH de dos cisteínas cercanas de una cadena polipeptídica plegada
(Figura 3-28) a menudo sirven para estabiUzar la estructura tridimensional de
proteínas extracelulares. Estos enlaces no son necesarios para el plegamiento es-
pecífico de las proteínas ya que el plegamiento de las proteínas normalmente
tiene lugar en presencia de agentes reductores que impiden La formación de en-
laces S-S. De hecho, muy raramente se forman enlaces S-S (si es que se forman
alguna vez) en moléculas proteicas que se hallen en el citosol, ya que la elevada
concentración de agentes reductores -SH en el citosol rompe estos enlaces.
ELresultado neto de todas las interacciones individuales entre aminoácidos
consiste en que la mayoría de las moléculas proteicas se pliegan espontáneamente
adoptando conformaciones características y definidas de forma precisa. Las que
soh compactas y globulares tienen un núcleo interno compuesto de grupos de ca-
denas laterales hidrofóbicas -dispuestas siguiendo una ordenación densa, casi cris-
talina- mientras que la superficie exterior, muy compleja e irregular, está formada
por las cadenas laterales más polares. La localización y las características qu(micas
de los diferentes átomos de esta intrincada superficie, hacen que cada proteína sea
única y permiten a la molécula fijarse a otras superficies macro moleculares y a cier-
tas moléculas pequeñas (véase más adelante). Desde los puntos de vista quúnico y
estructural, las proteínas son las moléculas conocidas más sofisticadas.

Figura 3-28 Formación de un enlace

disulfuro. El dibujo ilustra la~
' 1
formación de un enlace disulfuro
(covalente) entre las cadenas laterales
de residuos de cisteína vecinos, en una
oxidantes CH proteína.
s
reductores
r enlace
d isulfuro
xs
r/' e ·
c1$tejna

118 Capítulo 3 :•Macromoléculas: estructura, forma e Wormación

 Diferentes cadenas proteicas presentan esquemas
de plegamiento iguales22
Aunque toda la información necesaria para el plegamiento de una cadena pro-
teica se halla contenida en su secuencia de aminoácidos, aún no hemos apren-
dido a "leer" esta información y así poder predecir la estructura tridimensional
detallada de una proteína a partir de su secuencia. Por consiguiente, la confor-
mación plegada sólo puede ser determinada mediante un elaborado análisis por
difracción de rayos X de cristales de la proteína, o si la proteína es muy pequeña
por técnicas de resonancia magnética nuclear (véase Capítulo 4). Hasta aho ra
con estas técnicas se han analizado completamente más de 100 tipos de proteí-
nas. Cada una de estas proteínas tiene una conformación específica tan irregular
y complicada que necesitaríamos un capítulo entero de este libro para describir
todos los detalles tridimensionales de cada una de ellas.
Al comparar las estructuras tridimensionales de diferentes moléculas protei-
cas, se pone de manifiesto que, aunque la conformación completa de cada proteí-
na es única, en diferentes regiones de estas macromoléculas aparecen repetidos
varios esquemas de plegamiento. Dos de estos esquemas son particularmente fre-
cuentes, porque resultan de las interacciones regulares por enlaces de hidrógeno
entre los propios enJaces peptídicos más que entre las cadenas laterales de algunos
aminoácidos. Ambos patrones de plegamiento fueron predichos correctamente en
1951 al estudiar los modelos basados en los diferentes esquemas de difracción de
rayos X de la seda y del cabello. Los dos patrones regulares de plegamiento descu -
biertos entonces reciben hoy el nombre de lámina p, que se presenta en la fibroína
de la seda, y de hélice cx, que se presenta en la proteína cx-queratina de la piel y de
sus formaciones tales como el cabello, las uñas y las plumas.
El núcleo de la mayoría (aunque no de todas) de las proteínas globulares pre-
senta extensas regiones de lámina p. En el ejemplo de la Figura 3-29, que mues-
tra parte de una molécula de anticuerpo, se forma una lámina p antiparalela

r
HOOC Figura 3-29 La lámina 8 es una
estructura frecuente formada por
zonas de cadenas polipeptídlcas en
las proteínas globulares. En la parte
2,5nm
superior se muestra un dominio de 115

l
aminoácidos de una molécula de
inm unoglobulina; consiste en una
estructura en forma de sandwich de
dos láminas ¡3, una de las cuales se
presenta en color. En la parte inferior
se m uestra en detalle una lámina j3
antiparalela peñecta, siendo R las
cadena lateral
de un aminoácido -..._1 i) cadenas laterales de los aminoácidos.
carbono Obsérvese q ue cada enlace peptídico
nitrógeno
está unido a través de un enlace de
hidrógeno a un enlace peptídico
vecino. Las estructuras laminares
reales de-las proteínas globulares
suelen ser algo menos regulares que la
lámina j3 dibujada aquí, y además la
enlace de H mayoría de láminas se hallan
ligeramente deformadas (véase Figura
3-31).

enlace peptldico oxigeno

i - - - - - - - - - - 1,39nm

Estructura de las proteínas

119
 ¿:9-

•-.

hemo

~
'·'";ooc~~-. / ~)
" , ~. . . ' ff--;;:J
~ 11.,
~- ---~/
IA)

cuando una cadena polipeptídica extendida se pliega sobre sí misma hacia ade- Figura 3-30 Una hélice o. es otra
lante y hacia atrás, de forma que cada sección de la cadena queda orientada en estructura frecuente formada por
dirección opuesta a la de las secciones inmediatas. Esto da lugar a una estructu- zonas de la cadena polipeptídica de
ra muy rígida que se mantiene por enlaces de hidrógeno entre los enlaces peptí- una proteína. (A) La molécula de
dicos de las cadenas vecinas. A menudo tanto las láminas p antiparalelas como mioglobina, cuya función es
transportar oxígeno, tiene 153
las láminas p paralelas, estrechamente relacionadas con las anteriores (forma-
aminoácidos de longitud y presenta
das por regiones de cadenas polipeptídicas que están orientadas en la misma di- una hélice o: (dibujada en color).
rección), actúan como una trama sobre la que se estructura la proteína globular. (Bl Detalle de una hélice o: perfecta.
Se genera una hélice cr. cuando una misma cadena polipeptídica gira regular- (Cl Como en el caso de la lámina ~.
mente sobre sí misma dando lugar a un cilindro rígido en el que cada enlace pep- cada enlace peptídico está unido a un
tídico está unido regularmente por enlaces de hidrógeno a otros enlaces peptfdi- enlace peptídico vecino a través de
cos vecinos de la cadena. Muchas proteínas globulares contienen breves regiones un enlace de hidrógeno. Obsérvese que
de estas hélices a (Figura 3-30). Las porciones de las proteínas transmembrana para mayor claridad en (B) se han
que atraviesan la bicapa lipídica casi siempre son hélices a. debido a las constric- omitido tanto las cadenas laterales [que
ciones impuestas por eJ ambiente lipídico hidrofóbico (véase Capitulo 10). sobresalen radialmente a todo lo largo
Normalmente, una hélice a aislada oo es estable por sí sola en ambientes de la hélice y que en (C) se señalan
acuosos. Sin embargo, dos hélices a idénticas que presenten una disposición re- como R] como los átomos de hidrógeno
en el carbono a de cada aminoácido
petitiva de cadenas laterales no polares se enrollan progresivamente una alrede-
(véase también Figura 3-31).
dor de la otra formando una estructura especialmente estable denominada héli-
ce superenrollada (véase pág. 132). En muchas proteínas fibrosas se presentan
largas zonas de hélices superenrolladas semejantes a varillas, como en las fibras
intracelulares de a-queratina que refuerzan la piel y sus apéndices.
En la Figura 3-31 se presentan modelos de espacio lleno de una hélice a y de
una lámina p, con y sin sus cadenas laterales.

Las proteínas son moléculas asombrosamente versátiles23

Debido a la variedad de las cadenas laterales de sus aminoácidos, las proteínas
son notablemente versátiles en cuanto al tipo de estructuras que pueden formar.
Veamos, por ejemplo, dos abundantes proteínas segregadas por las células del
tejido conjuntivo - la colágena y la elastina- ambas presentes en la matriz extra-
celular. En las moléculas de colágena, tres cadenas polipeptídicas distintas ricas
en el aminoácido prolina y con un aminoácido glicina de cada tres residuos, es-
tán enrolladas entre sí generando una triple hélice regular. Estas moléculas de

120 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

 (Al
Figura 3-31 Modelos espaciales
compactos de una hélice o-. y de una
lámina 13 con (derecha) y sin
(izquierda) las cadenas laterales de
sus aminoácidos. (A) Una hélice o:
(parte de la estructura de la
mioglobina). (B) Una región de
lámina ~ (parte de la estructura de un
dominio de una in.munoglobullna). En
las fotografias de la izquierda, cada
cadena lateral está representada por
un único átomo sombreado en negro
(los grupos R de las Figuras 3-29 y
3-30), mientras que a la derecha se
muestra la cadena lateral entera. (Por
cortesía de Richard J. Feldmann.)

(B)

colágena están, a su vez, empaquetadas formando fibrillas en las que las molé-
culas de colágena adyacentes están unidas por enlaces covalentes cruzados en-
tre los residuos vecinos de lisina, dando a las fibrillas una enorme resistencia a la
tensión (Figura 3-32).

fibra elástica
.1.,....u .....--;~~~:¡:¡:=:;::;::::::'::¡¡,-.-.tl¡--,,.......,-•sección corta de una
50 nmT(,__.~ =--
' -'-......'--t~ 1-'-'- "'
J '----''- 4........
~ f'--...L..~~)__fibrilla
-- de colágena

/ ~ molécula de
colágena
300 x 1,5 nm

RELAJACIÓN
1 triple
EXTENSIÓN
1,5 nm hélice de
colágena
(A) l molécula de elastina

•.-. ~ enlace-Cruzado••••.•
Flgura 3-32 Contraste entre la colágena y la elastina. _
(A) La colágena es una triple hélice formada por tres cadenas proteicas
extendidas que se enroscan entre sí. En el espacio extracelular muchas •• ___ __ _ _..___ ..
moléculas de colágena, en forma de varilla, están entrelazadas mediante
enlaces cruzados formando fibrillas de colágena inextensibles (arriba)
(B)
con una resistencia a la atracción semejante a La del acero. (B) Las cadenas
polipeptídicas de elastina están unidas entre sí mediante enlaces cruzados,
formando fibras elásticas. Cuando la fibra es estirada, cada molécula de elastina
se desenrolla adoptando una conformación más extendida. El notable contraste
entre las propiedades ffsicas de la elastina y las de la colágena radica por
completo en que sus secuencias de aminoácidos son diferentes.

Estructura de las proteínas 121

 La elastlna es un caso que se encuentra en el extremo opuesto. Sus cadenas
polipeptfdicas, relativamente libres y desestructuradas, están unidas por enlaces
covalentes cruzados, generando una trama elástica parecida al caucho que per-
mite que tejidos tales como los de las arterias y de los pulmones se deformen y
dilaten sin sufrir ningún da.fío. Tal como se ilustra en la Figura 3-32, la elastici-
dad es debida a la capacidad de las distintas moléculas proteicas para desenro-
llarse de manera reversible cada vez que se les aplique una fuerza de tensión.
Hay que destacar que la misma estructura química básica - una cadena de
aminoácidos- pueda formar tantas estructuras diferentes: una trama elástica se-
mejante al caucho (elastina), un cable inextensible con una resistencia a la ten-
sión semejante a la del acero (colágena) o cualquier otra de entre la amplia va- triple hélice
de colágena
riedad de superficies catalíticas de las proteínas globulares que actúan como de 29 nm de
enzimas. La Figura 3-33 ilustra y compara la gama de formas que en principio longitud
podría adoptar una cadena polipeptfdica de 300 aminoácidos de longitud. Como
ya hemos dicho, la conformación adoptada realmente por una proteína deter-
minada depende de su secuencia de aminoácidos. hélice ex de
45 nm de largo

Las proteínas presentan diferentes niveles

de organización estructural24
Al describir la estructura de una proteína, resulta útil distinguir varios niveles de
organización. La secuencia de aminoácidos se denomina estructura primaria de
lámina~ de
la proteína. Las interacciones regulares de enlaces de hidrógeno entre fragmentos 7 x 7 x 0,8 nm
contiguos de la cadena polipeptídica dan lugar a hélices a y a láminas ~. lo cual
constituye la estructura secundarla de la proteína. Además, ciertas combinacio-
nes de hélices a y láminas ~ se empaquetan formando unidades globulares enla-
zadas de forma compacta, cada una de las cuales se denominan dominio protei- esfera de
co. Normalmente los dominios están construidos a partir de una zona de una 4,3 nm
de diámetro
cadena polipeptíctica de entre 50 y 350 aminoácidos, y parece que son las unida-
des básicas a partir de las cuales se construyen las proteínas (véase más adelan-
cadena extendida de
te). Mientras que las protemas más pequefias pueden presentar un solo dominio, ~100 nm de longitud
las protefuas mayores presentan varios de ellos, normalmente conectados por ca-
Figura 3-33 Algunas formas y
denas polipeptícticas de longitud relativamente variable. Finalmente, los polipép-
tamafios que puede presentar una
tidos inctividuales a menudo se asocian constituyendo subunidades de moléculas
molécula proteica típica de 300
mayores, a veces denominadas agregados moleculares o complejos proteicos, en residuos de aminoácidos de longitud.
los cuales las subunidades están unidas entre sí por un elevado número de débi- La estructura adoptada está
les interacciones no covalentes; en el caso de proteínas extracelulares, a menudo determinada por la secuencia de
estas interacciones están estabilizadas por enlaces ctisulfuro. aminoácidos. (Adaptado de O.E.
La estructura tridimensional de una protema puede representarse de dife- Metzler, Bioquímica. Barcelona:
rentes maneras. Consideremos la extraordinariamente pequefia proteína inhibi- Ediciones Omega SA, 1981.)
dora de la tripsina pancreática básica (BPTI, de Basic Pancreatic Trypsin Inhibi-
tor), que contiene 58 residuos de aminoácido plegados en un solo dominio. La
BPTI puede representarse como una imagen estereoscópica mostrando todos
sus átomos a excepción de los de hidrógeno (Figura 3-34A) o como un modelo
molecular espacial en el que la mayoría de los detalles no puedan observarse de
forma muy clara (Figura 3-34B). También puede representarse de una forma
más esquemática, omitiendo todas las cadenas laterales de los residuos de ami-
noácidos y todos los átomos reales, de forma que sea fácil de seguir el curso de la
cadena polipeptfdica principal (Figuras 3-34C, D y E). Una proteína de tamafio
mectio tiene alrededor de seis veces más residuos de aminoácidos que la BPTI, y
muchas proteínas son de un tamafio más de 20 veces mayor. Dibujos esquemá-
ticos como éstos son fundamentales para representar la estructura de proteínas
grandes como éstas. En este libro se utilizarán de forma habitual.
La Figura 3-35 muestra cómo se puede resolver la estructura de una gran pro-
teína en ctiferentes niveles de organización, construyendo cada nivel sobre el ante-
rior de una forma jerárquica. Estos niveles de complejidad organizativa creciente
pueden corresponder a las etapas a través de las que una proteína acabada de sin-
tetizar se va plegando hasta alcanzar su estructura nativa dentro de la célula.

122 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

 (A) (B)

COOH

COOH (C) (D) (E)

Figura 3-34 Proteína inhibidora de la trlpsina pancreádca básica (BPTI, de Baslc

Pancreadc Trypsin lnhibitor). Conformación tridimensional de esta pequeña proteína,
vista en 5 representaciones utilizadas habitualmente. (A) Representación estereoscópica
que muestra la posición de todos los átomos excepto los de hidrógeno. La cadena principal
se presenta en lineas gruesas y las cadenas laterales en líneas finas. (B) Modelo molecular
mostrando el radio de van der Waals de todos los átomos (véase Panel 3-1, págs. 96-97).
(C) Modelo de esqueleto de alambre compuesto por líneas que conectan los carbonos a a lo
largo del esqueleto polipeptfdi.co. (D) "Modelo de cinta" que representa todas las regiones
de interacciones regulares por enlaces de hidrógeno, en forma de hélices (hélices a) o como
grupos de flechas Oáminas !}), las cuales apuntan hacia el extremo carboxilo terminal de la
cadena. (E) "Modelo de tubo" que muestra el curso de la cadena polipeptfdica omitiendo
cualquier detalle de ella. En los tres paneles de la parte inferior de la figura el motivo en
horquilla beta se ha dibujado en verde. Téngase en cuenta que el núcleo de todas las
proteínas globulares está densamente empaquetado de átomos. Por lo tanto, la impresión
de una estructura abierta producida por la observación de los modelos (C), (D) y (E) es
engaftosa. (By C por cortesía de Richard J. Feldmann; A y D por cortesía de Jane Richardson.)

123
~
hélicea tf!,,j?

//
·I
z• .
'• .
dominio

lámina~
J
subunidad proteica (monómero) molécula proteica (dímero)

estructura estructura terciaria estructura cuaternaria

secundaria

Los dominios están formados por cadenas polipeptídicas Figura 3-35 Tres niveles de
organización de una proteína. La
que se pliegan adelante y atrás~ generando delgadas estructura tridimensional de una
circunvoluciones en la superficie de la proteína24 proteína puede describirse en
Un dominio proteico puede concebirse como la unidad estructural básica de términos de diferentes niveles de
una estructura proteica. El núcleo de cada dominio está compuesto fundamen- plegamiento, cada uno de los cuales se
construye sobre el nivel precedente de
talmente por un conjunto interconectado de láminas ~. hélices a o de ambas co-
una forma jerárquica. Aquí, estos
sas. Estas estructuras secundarias regulares están favorecidas debido a que per-
niveles se ilustran utilizando la
miten la formación de una gran cantidad de enlaces de hidrógeno entre los
proteína activadora de catabolito
átomos del esqueleto de la proteína, lo cual es esencial para estabilizar el inte- (CAP, de Catabolite Activator Protein),
rior del dominio, donde el agua no es asequible para formar enlaces de hidróge- una_proteína reguladora de genes
no con el oxígeno polar deJ carbonilo o con el hidrógeno de la amida del enlace bacterianos que presenta dos
peptídico. dominios. Cuando el dominio mayor
Existe un número limitado de maneras de combinar hélices a con láminas~ se une a AMP cíclico provoca un
para formar una estructura globular, por lo que determinadas combinaciones de cambio de conformación de la
estos elementos, denominadas motivos, !le presentan repetidamente en el nú- proteína que permite al dominio
cleo de muchas proteínas no relacionadas entre sí. Un ejemplo de ello lo consti- menor unirse a una secuencia
tuye el motivo en horquilla beta encontrado en la BPTI (coloreado en verde en la específica de DNA. La secuencia de
Figura 3-34D). Consiste en dos cadenas~ antiparalelas unidas por una fina vuel- aminoácidos se denomina estructura
primaria y el primer nivel de
ta formada por un asa de la cadena polipeptídica. Otro ejemplo es el motivo
plegamiento estructura secundaria. Tal
beta-alfa-beta, en el que dos cadenas ~ paralelas están conectadas por un tramo
como se indica sombreado en
de hélice a (Figura 3-36). En el Capítulo 9 se comentan otros motivos comunes, amarillo, la combinación de los niveles
como los diferentes motivos asociados a DNA encontrados en diversas familias de plegamiento segundo y tercero
de proteínas reguladoras de genes. mostrados aquí, se denomina
Varias combinaciones de motivos forman el dominio proteico, en el cual la habitualmente estructura terciaria y el
cadena polipeptfdica tiende a curvarse arriba y abajo a lo largo de toda la estruc- cuarto nivel (la unión de subunidades)
tura, a veces formando una lámina ~ o una hélice a, y cambiando de dirección estructura cuaternaria de una proteína.
súbitamente dando una vuelta cerrada cuando llega a la superficie del dominio. (Modificado de un dibujo de Jane
Como resultado de ello, un dominio típico es una estructura compacta, la super- Richardson.)
ficie de la cual está recubierta de asas protuberantes de cadenas polipeptídicas
(Figura 3-37). Las regiones en asa, de longitud variable y superficie irregular, a
menudo forman los lugares de unión para otras moléculas. Debido a que las re-
giones en asa están expuestas al agua, son ricas en aminoácidos hidrofflicos, por
lo que frecuentemente se pueden predecir sus posiciones a partir de un estudio
detallado de la secuencia de aminoácidos de la proteína.

124 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

De entre la gran cantidad de cadenas polipeptídicas
posibles, únicamente un número relativamente
pequeño de ellas llegaría a ser útil
Puesto que cada uno de los 20 aminoácidos es químicamente distinto y cada
uno de ellos puede, en principio, presentarse en cualquier posición de una
cadena proteica, existen 20 x 20 x 20 x 20 =160 000 posibles cadenas polipeptídi-
cas diferentes de 4 aminoácidos de longitud o, análogamente, 20" posibles cade-
nas polipeptídicas diferentes den aminoácidos de longitud. Asf, se podrían pro-
ducir más de 10390 proteínas diferentes de una longitud de 300 aminoácidos, es
decir, de un tamaño normal.
Sabemos sin embargo que únicamente un pequeño número de estas posi-
bles proteínas adoptaría una conformación tridimensional estable. La gran ma-
yoría de cadenas tendría un gran número de conformaciones diferentes de Figura 3-36 Ejemplo de un motivo
energía aproximadamente igual, cada una de ellas con propiedades químicas proteico habitual. En el motivo beta-
distintas. Estas proteínas con propiedades tan variables no serían útiles, y por alfa- beta, dos cadenas paralelas
consiguiente, serían eliminadas por la selección natural durante el transcurso de adyacentes que forman una lámina ~
la evolución. Las proteínas actuales tienen una estructura y unas propiedades están conectadas a través de una
químicas sorprendentemente sofisticadas debido a sus propiedades únicas de hélice a. Como en el caso del motivo
plegado. No sólo sucede que la secuencia de aminoácidos es tal que condiciona de horquilla beta, destacado en la
que sólo resulte extremadamente estable una sola de las conformaciones posi- Figunt 3-34, este motivo se halla en
muchas proteínas diferentes.
bles, sino que además esta conformación tiene la forma y las propiedades quí-
micas adecuadas para permitir que la proteína realice una función catalítica o
estructural determinada en la célula. Las proteínas están construidas de una ma-
nera tan precisa que el can1bio de tan sólo unos cuantos átomos de un amino-
ácido puede trastornar toda Ja estructura y provocar una alteración catastrófica
de la función de la proteína.

Normalmente las nuevas proteínas se desarrollan

por alteraciones menores de proteínas antiguas 25
Las células disponen de mecanismos genéticos que permiten que durante la
evolución los genes se dupliquen, se modifiquen y se recombinen. Por consi-
guiente, una vez se ha desarrollado una proteína con propiedades de superficie
útiles, su estructura básica puede ser incorporada a muchas otras proteínas.
A menudo, las proteínas de función relacionada aunque diferente, de organismos Figura 3-37 Modelos de cinta de la
estructura tridimensional de algunos
dominios de proteínas organizados de
forma diferente. (AJ Citocromo b 56v una
proteína de dominio único compuesto
casi completamente por hélices a.
(B) Dominio que w1e NAD• de la láctico
deshidrogenasa, compuesto porw1a
combinación de hélices ex. y de láminas~-
(C) Dominio variable de w1a cadena
ligera de w1a inmunoglobulina,
compuesto por un sandwich de dos
láminas~- En estos tres ejemplos las
hélices a se presentan en verde mientras
que las cadenas organizadas en láminas
~ se señalan como flechas rojas. Nótese
que generalmente la cadena
polipepódica cruza hacia adelante y
hacia atrás a través de todo el dominio,
~\
adoptando curvas cerradas solamente

~/ en la superficie de la proteína.
A menudo las regiones en asa (amarillo)
constituyen los lugares de unión de
otras moléculas. (Dibujos por cortesía
(A) (B) (C) de Jane Richardson.)

Estructura de las proteínas 125

(Al Figura 3-38 (A) Comparación de las
149 186 secuencias de aminoácidos de dos
QUIMOTRIPSINA - -- - --ANTPORLQQASLPLLSNTNCKK- - YWGTKI KDA M I CAGAS- miembros de la famllla de enzimas
111111 1 111 1 1 111 serina proteasas, Se muestran las
ELASTASA - - - ---GQLAQTLQQA YLPTVDYA I C SSSSYWGSTVKNSMVCAGGDG
zonas carboxilo terminales
(aminoácidos 149 a 245) de las dos
'\\1// proteínas. Los aminoácidos idénticos
GVSSCMG DSGG PLVCKKNGAWTLVG I VSWGSS - TCSTS - T PGVYARVTALVNWVQQTLAA N
1 1 1111111 1 11 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 se presentan conectados por barras de
V RSGCQG DSGG PLHCLVNGQYAVHGVTSFVS RLGCNVTRKPTVFTRVSAYI SW IN N VI ASN color y se destaca el residuo de serina
187 ,;,¡,, 245
del lugar activo de la enzima (posición
195). En las secciones de la cadena
(Bl
polipeptídica encerradas en cajas
amarillas, cada aminoácido ocupa una
A'I = A la = alanina G • Gly • glicina 1M = Met = metionina S = Ser = serina
C = Cys = cisteína H = His = histidina N • Asn • asparagina íT/ = Thr = t reonina
posición espacial altamente
D • Asp = ácido aspártico 1 = lle = isoleucina P = Pro = prolina = Val • valina equivalente en la estructura
E = Glu ª ácido glutámico f< • Lys = lisina Q = Gin = g lutamina Wi = Trp = t riptófano tridimensional de las dos enzimas
F = Phe = fenilalanina L • Leu • leucina R = Arg • arginina V = Tyr = tirosina
(véase Figura 3-39). (B) Los códigos
estándar de una letra y de tres letras
que se utilizan para designar los
actuales, tienen secuencias de aminoácidos similares. Se ha creído que estas fa- aminoácidos. (Modificado de J. Greer,
milias de proteínas evolucionaron a partir de un gen ancestral único que duran- Proc. Natl. Acad. Sci. USA 77: 3393-
te el transcurso de la evolución se duplicó dando lugar a otros genes en los que 3397, 1980.)
gradualmente se fueron acumulando cliferentes mutaciones, generándose así
proteínas con funciones nuevas.
Consideremos la familia de las enzimas que degradan proteínas (enzimas
proteolíticas) denominadas serina proteasas, que incluye a las enzimas cligesti-
vas quimotripsina, tripsina y elastasa y algunas de las proteasas de la cascada
enzimática de la coagulación de la sangre y de la fijación del complemento. Al
comparar dos de estas proteínas se observa que alrededor de un 40% de las posi-
ciones de sus secuencias están ocupadas por el mismo aminoácido (véase Figu-
ra 3-38). La semejanza de sus conformaciones triclirnensionales, determinadas
mediante cristalografía de rayos X, es aún más notable: la mayor parte de los
complicados giros y vueltas de sus cadenas polipeptíclicas, de varios cientos de
aminoácidos, son idénticos (Figura 3-39).
El caso de las serina proteasas se repite en centenares de otros casos de fa-
milias proteicas. En muchos casos, la secuencias de aminoácidos han divergido
mucho más que en el caso de las serina proteasas, de forma que no podemos es-
tar seguros de la relación familiar entre dos proteínas sin determinar sus estruc-
turas tridimensionales. Por ejemplo, las proteínas a2 de levadura y la proteína

Figura 3-39 Comparación entre las

conformaciones de las dos serlna
proteasas presentadas en la Figura
3-38. La elastasa se presenta en (A) y La
quimotripsina en (B). A pesar de que
ambas proteínas solamente tienen
iguales los aminoácidos que s.e sefialan
en verde, sus comormaciones son muy
similares. El lugar activo, sefialado con
un círculo rojo, presenta un residuo
activo de serina (véase Figura 3-57). La
quimotripsina presenta más de dos
extremos de cadenas polipeptfdicas ya
que se forma por la rotura proteolítica
del quimotripsinógeno, un precursor
inactivo.
QUIMOTRIPSINA

(Al (Bl

126 Capítulo 3: Macromoléculas: estructura, forma e información

 (A)

NH2

(C)

levadura • • •
H2 N GHRFT KENVRILESWFAK NIENPYLD TKGLENLMKNT S L S RIO I
RTAFS SEOLARLKREF~EN - ---- ~ COOH
Drosophila

angrelada de Drosophila son dos proteínas reguladoras de genes de la familia Figura 3-40 Comparación de
homeodominio. Solo son iguales en 17 de sus 60 residuos de aminoácidos, de homodominios de unión al DNA de
forma que sólo resulta evidente la relación que existe entre ambas cuando se dos organismos separados por más de
comparan sus estructuras tridimensionales (Figura 3-40). mil millones de años de evolución.
(A) Estructura esquemática.
A menudo, los diferentes miembros de una gran familia de proteínas tienen
(8) Localización de las posiciones de
funciones bastantes diferentes. Algunos de los cambios de aminoácidos que di-
los carbonos a. Las estructuras
ferencian estas enzimas fueron seleccionados en el transcurso de la evolución tridimensionales mostradas fueron
probablemente porque daban lugar a cambios en la especificidad del substrato y determinadas por cristalografía de
en las propiedades reguladoras, confiriéndoles las distintas funciones que pre- rayos X de la proteína a2 de la levadura
sentan en la actualidad. Otros cambios de aminoácidos parecen ser "neutros", (verde) y de la proteína angrelada de
no teniendo efectos ni beneficiosos ni perjudicales sobre la estructura y la fun- Drosophila (rojo). (C) Comparación de
ción básicas de una proteína. Puesto que la mutación es W1 proceso aleatorio, las secuencias de aminoácidos de la
también debieron producirse muchos cambios perjudiciales que alteraron la es- región de las proteínas mostradas en
tructura tridimensional de estas proteínas lo suficiente como que resultaran (A) y (B). Los puntos naranja señalan la
inactivas. Estas proteínas inactivas debieron perderse en cuanto los organismos posición de un inserto de tres
individuales que las producían se encontraron en W1a situación de desventaja y aminoácidos de la proteína a2.
fueron eliminados por La selección natural. Por consiguiente no debe sorpren- (Adaptado de C. Wolberger et al., Cell
67: 517-528, 1991.)
demos que las células contengan grupos enteros de cadenas polipeptídicas afi-
nes que tienen ancestros comunes pero funciones diferentes.

Las nuevas proteínas pueden desarrollarse por recombinación

de dominios polipeptfdicos preexistentes26
Cuando una célula ha producido un cierto número de superficies proteicas esta-
bles, se pueden generar nuevas superficies con diferentes propiedades de unión,
mediante la combinación de dos o más proteínas a través de interacciones no
covalentes, produciendo un complejo proteico. Este proceso de unión de proteí-
nas globulares que genera agregados proteicos mayores y funcionales es habi-
tual en las células. Muchos complejos proteicos tienen pesos moleculares de
más de un millón de daltons, a pesar de que un una cadena polipeptídica típica
tiene un peso molecular de alrededor de 40 000 daltons (entre 300 y 400 amino-
ácidos) y de que un número relativamente reducido de cadenas alcanza un ta-
mafio tres veces superior a éste.
Un camino alternativo de generar una nueva proteína a partir de cadenas
preexistentes consiste en unir las secuencias de DNA correspondientes, produ-
ciéndose un gen que codifica una larga cadena polipeptídica única. Se cree que

Estructura de las proteínas 127

 dominio X dominio A dominio X dominio B Figura 3-41 Evolución de un nuevo
lugar de unión a un ligando. El
principio general por el cual la
yuxtaposición en el curso de
la evolución de superficies de proteína
separadas ha permitido incrementar el
número de proteínas que presentan
nuevos lugares de unión para otras
moléculas (ligandos, véase pág. 135).
Como se indica aquí, a menudo los
lugares que interaccionan con los
ligan dos se localizan en la interfase
las proteínas en las que diferentes zonas se pliegan de forma independiente en entre los dos dominios proteicos y
dominios globulares distintos, han evolucionado de esta forma, quizás después están formados por regiones en asa de
de existiI durante prolongados períodos de tiempo como complejos proteicos la superficie de la proteína (véase
también Figura 3-42).
formados a partir de polipéptidos independientes. Muchas proteínas tienen una
estructura "multidominio" de este tipo, y tal como cabría esperar a raíz de las
consideraciones evolutivas mencionadas antes, a menudo ocurre que un punto
importante de unión a otra molécula se encuentra en el lugar en el que se yuxta-
ponen dos dominios diferentes (Figura 3-41). Así, en el caso de la proteína multi-
dominio cuya estructura tridimensional se muestra en la Figura 3-42, la superfi-
cie proteica de un dominio que une NAD' aparentemente se combina con la
superficie de un segundo dominio que une un azúcar, constituyendo parte de
un proceso de evolución de un lugar activo que utiliza NAD+ para catalizar la
oxidación de un azúcar.
Existe otra manera, especialmente frecuente en las largas proteínas fibrosas
como la colágena, de reutilizar una secuencia de aminoácidos (véase Figura 3-32).
En estos casos se forma una estructura a partir de múltiples repeticiones inter-
nas de una secuencia ancestral de aminoácidos. Es evidente que la unión de se-
cuencias de aminoácidos a través de la unión de secuencias preexistentes de
DNA codifican te es una estrategia mucho más eficaz para la célula que la alter-
nativa de obtener nuevas secuencias proteicas mediante mutación aleatoria del
DNA.

Figura 3-42 Estructura de la enzima

glucolítica gliceraldehído 3-fosfato
deshidrogenasa. La proteína está
compuesta por dos dominios, que aquí
se presentan en colores diferentes, con
regiones de hélice a (representadas
por cilindros) y zonas de lámina B
(representadas como flechas). Los
detalles de la reacción que cataJiza esta
enzima se muestran en la Figura 2-22.
Nótese que los tres subsrratos que
intervienen en la reacción se unen a la
enzima en una región intermedia entre
los dos dominios. (Por cortesía de Alan
J. Wonacott.)

128 Capítulo 3: Macromoléculas: estructura, forma e información

 PROTEÍNA CAP EGF
H2N • COOH H2N-@- COOH

REPRESOR LAG QUIMOTRIPSINA

H2rl . COOH H2N---COOH

REPRESOR GRO UROQUINASA

H2N _,._ H2N-0 ■ - COOH

H2N --------41 --1---------

PROTEINA OUINASA DEPENDIENTE DE cGMP

COOH
FACTOR IX
H2N ~ C O O H

H2N

(Al
----------41 --1-
SUBUNIDAD REGULADORA DE LA ,PROTEÍNA QUINASA DEPENDIENTE DE cAMP
COOH

100 aminoácidos
H2N

(B)
■ ■ ■ ■
PLASMINÓGENO

■ - COOH

Las homologías estructurales pueden contribuir en la asignación Figura 3-43 Barajado de dominios.
Durante la evolución de las proteínas
de funciones a las protemas descubiertas recientemente27
se produjo un extenso barajado de
El desarrollo de técnicas de secuenciación rápida del DNA ha permitido deter- bloques de secuencias de proteína
minar la secuencia de aminoácidos de un gran número de proteínas a partir de (módulos proteicos). En la figura, las
las secuencias de nucleótidos de sus genes. Así, el disponer de una siempre cre- zonas señaladas con marcas de la
ciente base de datos sobre protefnas hace posible realizar de forma rutinaria un misma forma y color están
estudio exhaustivo por ordenador para buscar posibles secuencias homólogas relacionadas evolutivamente pero no
son idénticas. (A) La proteína
entre la de una proteína acabada de sintetizar y las de otras proteínas estudiadas
activadora de gen por catabolitos
previamente. A pesar de que, por ahora, solamente se han secuenciado un pe-
(CAP, de Catabolite GenActivator
quefio porcentaje del total de proteínas de los organismos eucariotas, resulta ha- Protein) presenta un dominio
bitual ya encontrar que una proteína que se acaba de secuenciar es homóloga a (triángulo azul) que se une
alguna región de otra proteína conocida, lo cual indica que la mayoría de las específicamente a una secuencia de
proteínas pueden descender de un número de tipos de proteínas ancestrales re- DNA, y un segundo dominio
lativamente reducido. Como era de esperar, a menudo las secuencias de muchas (rectángulo rojo) que une AMP cíclico
proteínas grandes muestran signos de haber evolucionado a través de la unión (véase Figura 3-35). El dominio que se
de dominios preexistentes generando nuevas combinaciones de ellos, un proce- une a DNA está relacionado con el de
so conocido como barajado de dominios ("domain shuffling") (Figura 3-43). muchas otras proteínas reguladoras de
Estos estudios comparativos entre proteínas también son importantes debi- genes, como las proteínas represoras
do a que normalmente una relación estructural supone una relación funcional. lac y ero. Además, se han encontrado
dos copias del dominjo que une AMP
Así, el descubrir una homología entre la secuencia de aminoácidos de la proteí-
cíclico en proteína quinasas de
na estudiada y la de una proteína de función conocida puede suponer el ahorro
eucariotas reguladas por la unión de
de muchos años de investigación. Tales homologías entre secuencias indicaron, nucleótidos cíclicos. (B) Las serina
por ejemplo, que algunos genes reguladores del ciclo celular en células de leva- proteasas semejantes a quimotripsina
dura y otros genes que inducen la transformación de células de mamífero en cé- están formadas por dos dominios
lulas cancerosas son proteína quinasas. De esta forma se pudo reconocer que (marrón). En algunas proteasas
muchas de las proteínas que controlan la génesis de la forma de la mosca del relacionadas que están fuertemente
vinagre Drosophila son proteínas reguladoras de genes, mientras que otras pro- reguladas y más especializadas los dos
teínas también implicadas en este control se pudieron clasificar como serina dominios proteasa están conectados a
proteasas. uno o más dominios homólogos a
EL descubrimiento de homologías entre domjnios también puede ser útil en dominios encontrados en el factor de
otro sentido. Resulta mucho más difícil determinar la estructura tridimensional crecimiento epidérmico (hexágono
verde), a la proteína que une calcio
de una proteína que conocer su secuencia de aminoácidos. Sin embargo, es po-
(triángulo amarillo) o al dominio
sible intuir la conformación de un dominio de una proteína que se acaba de se-
"kringle" (cuadrado azul) que
cuenciar si este dominio es homólogo a otro dominio de una proteína cuya con- contienen tres enlaces disulfuro
formación ha sido determinada anteriormente por difracción de rayos X. internos.
Asumiendo que los gjros y torcimientos de las cadenas polipeptídicas están con-
servados en ambas proteínas a pesar de las diferencias que existan en la secuen-
cia de aminoácidos, a menudo se puede esbozar la estructura de una nueva pro-
teína con una exactitud razonable (Figura 3-40).
Cada afio se añaden muchas nuevas secuencias de proteínas a la base de
datos, con lo que paulatinamente se incrementa la posibilidad de encontrar ho-
mologías útiles. La comparación entre secuencias de proteínas es una herra-
mienta de la biología celular cada día más importante.

Estructura de las proteínas 129

 subunldad
~ \ lu~arde
. yn1ón

l Figura 3-44 Formación de un dímero a partir de

un solo tipo de subunidad proteica. U na proteína
con un solo lugar de unión que reconozca una zona
de sf misma, a menudo genera dfmeros simétricos.
Normalmente, estos dfmeros se asocian con otras
d/mero subunidades formando tetrámeros y agregados
mayores (no se muestra).

Figura 3-45 Modelo de cinta de un

Las subunidades proteicas pueden ensamblarse dímero formado a partir de dos
formando grandes estructuras28 subunidades proteicas idénticas
(monómeros). La proteína mostrada
Los mismos principios que permiten que varios dominios proteicos se asocien es la protema activadora de gen por
formando lugares de unión, también permiten la formación de estructuras mu- catabolito (CAP) de bacteria ilustrada
cho mayores en la célula. Las estructuras supramoleculares tales como los com- previamente en la Figura 3-35. (Por
plejos enzimáticos, los ribosomas, los filamentos proteicos, los virus y las mem- cortesía de Jane Richardson.)
branas no se sintetizan en forma de moléculas gigantes unidas covalentemente;
en lugar de ello se forman por agregados no covalentes de muchas moléculas
preformadas, que en la estructura final se denominan subunidades.
El uso de subunidades pequeñas para construir grandes estructuras presenta
varias ventajas: (1) la construcción de una gran estructura a partir de una o algu-
nas subunidades menores repetidas reduce la cantidad de información genética
necesaria; (2) puesto qtie las subunidades se asocian a través de múltiples enlaces
de energía relativamente baja, tanto el ensamblaje como la disgregación resultan
fáciles de controlar; y (3) el ensamblaje de subunidades minimiza los errores en la
síntesis de la estructura ya que en el transcurso del ensamblaje pueden actuar
mecanismos de corrección que excluyan las subunidades defectuosas.

Un solo tipo de subunidad proteica puede interaccionar consigo

misma formando agregados geométricos regulares29
Si una proteína tiene un lugar de unión que es complementario de una región de
su propia superficie, se ensamblará espontáneamente formando una estructura
mayor. En el caso más sencillo, un centro de unión se reconoce a sí mismo y for-
ma un d(mero simétrico. Muchas enzimas y otras proteínas forman dímeros de

estructuras ensambladas Figura 3-46 Cuando un solo tipo de _

subunidad proteica interacciona
consigo misma, se pueden generar
anillos o hélices. En la Figura-3-5 se
muestra cómo se forma una hélice; se
genera un anillo en lugar de una hélice
si las subunidades se unen entre ellas,
deteniéndose el crecimiento de la
hélice cadena.

'--... 1ugares
de unión

130 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

 Figura 3 . 47 Un filamento de actina.
En este importante filamento, que se
discute en detalle en el Capítulo 16,
existen aproximadamente dos
subunidades proteicas globulares por
vuelta.

este tipo, que frecuentemente actúan como subunidades en la formación de

agregados mayores (Figuras 3-44 y 3-45).
Si el lugar de unión de una proteína es complementario de una región de su
superficie que no incluya al propio lugar de unión, se formará una cadena de sub-
unidades. Determinadas orientaciones de los dos lugares de unión harán que
la cadena se cierre pronto sobre sf misma formando un anillo de subunidades
(Figura 3-46). Sin embargo es más frecuente que se produzca un largo polímero
de subunidades; cuando cada subunidad se una a la siguiente de forma idéntica,
las subunidades del polímero se dispondrán siguiendo una hélice prolongada
indefinidamente (véase Figura 3-5). Un filamento de actina, por ejemplo, es una
estructura helicoidal formada a partir de una sola subunidad: una proteína glo-
bular denominada actina; los filamentos de actina son componentes mayorita-
rios del citosol de la mayoría de las células eucariotas (Figura 3-47). Como discu-
timos más adelante las proteínas globulares también pueden asociarse con
moléculas semejantes formando grandes láminas o tubos (véase Figura 3-49).

A menudo las proteínas superenrolladas colaboran en la

construcción de grandes estructuras en las células30
Normalmente cuando la resistencia mecánica es especialmente importante, los ·
agregados suprarnoleculares se construyen a partir de subunidades fibrosas en
lugar de subunidades globulares. Estos agregados pueden estabilizarse por un
gran número de regiones de contactos proteína-proteína que se producen cuan-
Figura 3-48 Estructura de una hélice
superenrollada. En (A) se presenta una
bélica a sencilla, con las cadenas
laterales de los aminoácidos sucesivos
sefialadas siguiendo la secuencia de
siete elementos ''abcdefg" (de abajo a
arriba). En esta secuencia los
aminoácidos "a" y "d" coinciden sobre
la superficie del cilindro formando una
"banda" (sefialada en rojo) que gira
lentamente alrededor de la hélice a.
Típicamente, las proteínas que forman
hélices superenrolladas tienen

l
banda da aminoácidos hidrofóbicos en las
aminoácidos
hidrofóblcos posiciones "a" y "d". Por lo tanto, como
"a" y "'d" se muestra en (B), las dos hélices a
11 nm pueden enroscarse una sobre la otra de
forma que las cadenas laterales

J hidrofóbicas de una hélice a "

interaccionen con las cadenas laterales
hidrofóbicas de la otra, mientras que
las otras cadenas laterales, más
hidrofllicas, quedan expuestas
libremente al entorno acuoso. (C) La
HOOC COOH estructura atómica de una hélice
superenrollada, determinada por
cristalografía de rayos X. Las cadenas
laterales en rojo son hldrofóbicas. (C,
0,5 nm
de T. Alber, Curr. Opin. Genet. Devel.
(A) (B) (C) 2:205-210, 1992. © Current Science.)

Estructura de las proteínas 131

 Figura 3-49 Las subunidades
lámina proteicas globulares empaquetadas
empaquetada de forma hexagonal pueden generar

•-• / de forma
hexagonal
tanto una lámina plana como un
tubo.

subunidad "'

tubo
helicoidal

do las subunidades se enrollan una respecto a la otra formando una hélice mul-
tihebra. Una unidad estructural particularmente estable utilizada repetidamente
en este sentido, es la denominada hélice superenrollada (coiled-coil). Se forma
por el apareamiento de dos subunidades de hélice o. que tienen una distribu-
ción repetida de cadenas laterales no polares. Normalmente las dos subunida-
des de hélice o. son idénticas y corren en paralelo (es decir, en la misma direc-
ción amino-carboxilo terminal). Se enrollan gradualmente una alrededor de la
otra generando un filamento rígido de un diámetro de w1os 2 nm (Figura 3-48).
En algunas familias de proteínas reguladoras de genes las hélices superenrolla-
das actúan como dominios de dimerización. Más frecuentemente, una hélice
superenrollada puede extenderse más de 100 nm y actuar como un bloque de
construcción de una gran estructura fibrosa, como el filamento fino en la célula
muscular.

Las proteínas pueden ensamblarse formando láminas,

tubos o esferas31
Algunas subunidades proteicas se ensamblan formando láminas planas en las
que las subunidades se disponen siguiendo un patrón de anillos hexagonales.
A veces, las proteínas especializadas en transporte a través de membranas pre-
sentan una disposición de este tipo en el interior de l a bicapa lipídica. Un pe-
queño cambio de la geometría de las subunidades puede hacer que una lámina
hexagonal se convierta en un tubo (Figura 3-49) o, si se producen más cambios,
en una esfera hueca. Moléculas proteicas tubulares y esféricas que se unen espe-
cíficamente al RNA y al DNA forman la cubierta de los virus.
La formación de estructuras cerradas, como anillos, tubos y esferas, propor-
ciona una estabilidad adicional al incrementar el número de enlaces que se
pueden formar entre las subunidades proteicas. Además, debido a que estructu-
ras como éstas se forman por interaciones cooperativas mutuamente depen-
dientes entre subunidades, puede inducirse la formación o la disgregación del
complejo a través de cambios relativamente pequeños que afecten a las subuni-
dades individuales. Estos principios quedan ilustrados de forma espectacular en
las proteínas cápsides de muchos virus simples que adoptan la forma de una es-
fera hueca. A menudo, estas cubiertas están formadas por cientos de subunida-
des proteicas idénticas que envuelven y protegen el ácido nucleico vírico (Figura
3-50). La proteína de estas cápsides ha de tener une estructura particularmente
adaptable, ya que ha de establecer muchos tipos diferentes de contactos y tam-
bién alterar su disposición para permitir la salida del ácido nucleico al iniciar la
multiplicación vírica cuando el virus ha entrado en la célula.

Muchas estructuras celulares son capaces de autoensamblarse32

,La información necesaria para el ensamblaje de muchos agregados macromole-
culares celulares ha de hallarse en las propias subunidades, ya que en condicio-

132 Capítulo 3: Macromoléculas: estructura, forma e información

 Figura 3-50 Estructura de un virus
esférico. En muchos virus se
~ e r o s libres empaquetan subunidadades proteicas
idénticas generando un caparazón
esférico (una cápside) que contiene el
partícula
incompleta
genoma vírico compuesto de RNA o de
DNA (véase Figura 6-72). Por razones
geométricas, no se pueden
empaquetar de una forma simétrica
precisa más de 60 subunidades
idénticas. Sin embargo, cuando
/ domioio de,ro,=ióo pueden existir pequeñas
dominio de corteza irregularidades estructurales, se puede
generar una cápside mayor utilizando
más subunidades. Por ejemplo, el virus
del tomate achaparrado (TBSV, de
Toma to Bushy Stunt Virus) es esférico,
de unos 33 nm de diámetro, formado
por 180 copias idénticas de una
¡
L-dímeros
libres
proteína de la cápside de 386
aminoácidos y un genoma de RNA de
4500 nucleótidos. Para formar una
cápside tan grande, la proteína ha de
poder colocarse en tres ambientes algo
diferentes, cada uno de los cuales se
presenta en color en la partícula de Ja
figura. También se muestra una
propuesta sobre el proceso de
ensamblaje; la estructura
tridimensional precisa se ha
determinado por difracción de rayos X.
(Dibujos por cortesía de Steve
partícula Harrison.)
vírica
intacta
(90 dímeros)

nes adecuadas las subunidades aisladas puedes ensamblarse espontáneamente

en el tubo de ensayo dando lugar a la estructura final. El primer agregado ma-
cromolecular del que se demostró que era capaz de autoensamblarse a partir de
sus elementos constituyentes fue el virus del mosaico del tabaco (TMV, de To-
bacco Mosaic Virus). Este virus es una larga varilla en la que un cilindro de pro-
teína se halla dispuesto alrededor de un núcleo helicoidal de RNA (Figura 3-51).
Si se mezclan en solución el RNA y las subunidades proteicas disociadas, se ob-
serva que se recombinan formando partículas víricas completamente activas. El
proceso de ensamblaje es sorprendentemente complejo e incluye La formación
de anillos dobles de proteína que actúan como intermediarios que se afíaden a
la cubierta vírica en crecimiento.
Otro agregado macromolecular complejo que se puede reensamblar a partir
de sus elementos constituyentes es el ribosoma bacteriano. Estos ribosomas es-
tán compuestos por unas 55 moléculas proteicas diferentes y 3 molécuJas dife-
rentes de rRNA. Si los 58 componentes se incuban en condiciones apropiadas, es-
pontáneamente forman la estructura original. Lo que es más importante, estos
ribosomas reconstruidos son capaces de llevar a cabo síntesis proteica. Como ca-
bía esperar, el proceso de reensamblaje de los ribosomas sigue una vía específica:
primero ciertas proteínas se fijan al RNA; luego, este complejo es reconocido por
otras proteínas, y así sucesivamente hasta que la estructura está completa.
Todavía no está claro cómo se reguJan algunos de los procesos más compli-
cados de autoensamblaje. Por ejemplo, parece que muchas estructuras de la cé-
lula tienen una longitud exactamente definida, que es m uchas veces superior a

Estructura d e las pro temas 133

 50nm

la de las macromoléculas que las componen. En muchos casos todavía constitu-

ye un enigma cómo se consigue esta determinación de la longitud. En la Figura
3-52 se ilustran tres posibles mecanismos de este proceso. En el caso más senci-
llo, un núcleo proteico u otra macromolécula proporciona un soporte que deter- (8)
mina el tamaño final del ensamblaje. ~ste es el mecanismo que determina la Figura 3-51 Estructura del virus del
longitud de la partícula TMV en la que el núcleo está constituido por la cadena mosaico del tabaco. (A) Micrografía
de RNA. De forma similar se ha demostrado que es una proteína de núcleo la electrónica del virus del mosaico del
que determina la longitud de los filamentos finos del músculo y de las largas co- tabaco CTMV, de Tobacco Mosaic Virus)
las de algunos virus bacterianos (Figura 3-53). formado por una única larga molécula
de RNA rodeada por una cubierta
proteica cilíndrica que está compuesta
No todas las estructuras biológicas se forman por una densa disposición helicoidal
por autoensarnblaje33 de subunidades proteicas idénticas.
(B) Modelo que muestra parte de la
Algunas estructuras celulares mantenidas por enlaces no covalentes no son ca- estructura del TMV. Una molécula de
paces de autoensamblarse. Una mitocondria, un cilio o una miofibrilla no pue- RNA de una sola hebra, de 6000
den formarse espontáneamente a partir de una solución de sus componentes nucleótidos, se empaq1;1eta formando
macromoleculares porque parte de la información necesaria para el ensamblaje una cubierta helicoidal construida a
es suministrada por enzimas especiales y por otras proteínas celulares que reali- partir de 2130 copias de una proteína
zan la función de plantilla o patrón y que no aparecen en la estructura final una de cubierta de 158 residuos de
vez ensamblada. Incluso algunas estructuras pequeñas carecen de alguno de los aminoácido de longitud. En el tubo de
ingredientes necesarios para su ensamblaje. Por ejemplo en la formación de un ensayo a partir de RNA purificado y
pequeño virus bacteriano la estructura de la cabeza, compuesta por un solo tipo de moléculas de proteína se pueden
de subunidad proteica, se ensambla sobre un armazón transitorio compuesto auto ensamblar partículas del virus con
plena capacidad de infección. (A por
por una segunda proteína. Puesto que esta segunda proteína no aparece en la
cortesía de Robley Wllliams; B por
partícula vírica final, la estructura no puede reensamblarse espontáneamente cortesía de Richard J. Feldmann.)
después de haber sido disgregada. Se conocen otros ejemplos en los que la de-
gradación proteolftica es un paso esencial e irreversible del proceso de ensam-
blaje. Éste es el caso de las cápsides de ciertos virus bacterianos e incluso de al- Figura 3-52 Tres posibles sistemas a
gunos agregados proteicos sencillos, como por ejemplo la proteína estructural través de los que se puede formar un
colágena y la hormona insulina (Figura 3-54). Sobre la base de estos ejemplos re- gran agregado proteico de una
lativamente simples parece muy probable que el ensamblaje de una estructura longitud determinada.
tan compleja como una mitocondria o un cilio implique por un lado una orde- (A) Coensamblaje a lo largo de un
nación espacial y temporal suministrada por otros componentes celulares, y por núcleo proteico alargado o de otra
otro procesos irreversibles catalizados por enzimas degradativas. macromolécula, las cuales actúan como
dispositivo de medida de longitud.
(B) El final del ensamblaje se produce
wz debido a la tensión que se acumula en
la estructura polimérica a medida que
se van afiadiendo más sub unidades, de
forma que a partir de una cierta
longitud, la energía necesaria para
añadir otra subunidad a la cadena es
excesiva. (C) Ensamblaje tipo "pie de

ilmüR) rey", en el cual dos tipos de moléculas

semejantes a un rodillo, de longitud
diferente, forman un complejo
(A) ENSAMBLAJE SOBRE (8) TENSIÓN ACUMULADA (C) PIE DE REY escalonado que crece hasta que sus
UN NÚCLEO finales coinciden exactamente.

134 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

! Resumen
La conformación tridime11,sio11al de una mol.écula proteica está determiriada por su
secuencia de aminoácidns. La estructura plegada está estabiliuula por interacciones
no covakntes entre diferentes mnas de la cadena polipeptfdica. Los aminoácidns cuyo
residuo es hidrofóbico tienden a agruparse en el interior de la molécula; las interaccio-
nes locales por enlaces de hidrógeno entre los enlaces peptfdicos vecinos dan lugar a
hélices o: y láminas~- Muchas prote{nas se construyen a partir de unidades modulares
que son regiones globulares conocidas como dominios; tfpicamente las prote{nas pe-
queñas presentan un único dominio mientras que las protefnas más grandes tienen
varios dominios unidns entre sf a través de cortas mnas de la_cadena polipeptfdica.
A medida que las prote{nasfueron evolucionando1 los dominiosfueron modificándose
y combinándose con otros dominios construyéndose as{ nuevas prote{nas.
Las prote{nas pueden unt-rse entres{ formando grandes estructuras a través de
las mismas fuerzas 110 covalentes que determinan el plega.do de las prote{nas. Las
protefnas que presentan lugares de unión para su propia superficie se pueden en-
samblar formando d{meros, anillos cerra.dos estructuras esféricas o polfmeros heli-
coidales. Algunas mezclas de prote{nas y de ácidos nucleicos se pueden ensamblar
espontáneamente en un tubo de ensayo produciendo estruct1tras complejas pero
muchos procesos de ensamblaje presentan pasos irreversibles de modo que no todas 100 nm

las estructuras de la célula son capaces de reensamblarse espontáneamente des- Figura 3-53 EJectronmicrograffa del
pués de haber sido disociadas en sus elementos constituyentes. bacteriófago lambda. La punta de la
cola del virus se une específicamente a
una proteína determinada de la
Las proteínas como catalizadores34 superficie de una célula bacteriana, y a
continuación un DNA densamente
empaquetado, situado en la cabeza del
Las propiedades químicas de una molécula proteica dependen casi completa-
virus, es inyectado a la célula a través de
mente de los residuos de aminoácidos que quedan expuestos en su superficie y
la cola del virus. La cola tiene una
que son capaces de formar ~nlaces débiles no covalentes con otras moléculas. longitud precisa, determinada por el
Cuando una molécula proteica se une a otra molécula, a esta segunda molécula mecanismo que se muestra en la
se la denomina ligando. Puesto que la interacción eficaz entre una molécula pro- Figura 3-52A.
teica y un ligando requiere que se formen simultáneamente entre ambas molécu-
las varios enlaces débiles, los únicos ligandos que se pueden fijar fuertemente a proínsulina
una proteína determinada son los que se adaptan exactamente a su superficie.
La región de una proteína que se asocia con un ligando recibe el nombre de
lugar de unión de dicha proteína y suele tener forma de cavidad, constituida por
una disposición específica de aminoácidos en la superficie de la proteína. A me- SH SH )
1
nudo estos aminoácidos pertenecen a zonas muy distantes de la cadena poli- 1 1: ....-

peptídica (Figura 3-55) y representan una pequeña fracción del número total de
aminoácidos presentes. El resto de la molécula proteica es necesario para man-
tener la cadena polipeptídica en posición correcta y para suministrar Jugares de
fl SH SH

unión adicionales con finalidad reguladora; normalmente el interior de la proteí-

na únicamente es importante en cuanto confiere a la superficie de la molécula
una forma y una rigidez adecuadas.

La conformación de una proteína determina eliminación del péptido

de unión, quedando
sus propiedades químicas2º así una molécula

A menudo los residuos superficiales de una proteína interaccionan de tal mane- 1 completa de insulina,
de dos cadenas

ra que alteran la reactividad química de algunos residuos determinados de ami- s-s

noácidos. Estas interaciones son de diferentes tipos. insulina

Figura 3-54 La hormona pollpeptídica insulina no puede formarse de

nuevo de forma espQntánea sl se rompen sus puentes disulfuro. Se sintetiza

l
la reducción separa
como una gran proteína (proinsulina), la cual es dividida por una enzima irreversiblemente
después de que la cadena polipeptídica se haya plegado adoptando una forma las dos cadenas
específica. La escisión de parte de la cadena polipeptídica de la proinsulina SH SH SH SH
supone una pérdida irreparable de la información necesaria para que la :1 : 1 +n I t •
proteína se pliegue espontáneamente aq.optando su conformación normal. SH SH

Las proteínas como catalizadores 135

--...
 Figura 3-55 Lugar de unión a ligando
de la proteína activadora de un gen
por catabolito (CAP, de Catabolite
Gene Activator Pro tein). La unión por
enlaces de hidrógeno entre CAP y su
ligando, el AMP cíclico (verde) se
determindó por análisis cristalográfico
de rayos X del complejo. Como se
indica, las dos sub unidades idénticas
del dímero cooperan formando este
lugar de unión (véase también Figura
3-45). (Por cortesía de Tom Steitz.)

En primer lugar, zonas vecinas de la cadena polipeptfdica pueden interac-

cionar de manera que restrinjan el acceso de moléculas de agua a otras zonas de
la superficie proteica. Puesto que las moléculas de agua tienden a forma enlaces
de hidrógeno, compiten con los ligandos por ciertos residuos de aminoácidos de
la superficie proteica (Figura 3-56). Por consiguiente, la intensidad de los enla-
ces de hidrógeno (y de las interacciones iónicas) entre las proteínas y sus ligan-
dos queda altamente incrementada cuando las moléculas de agua son excluidas.
A primera vista resulta difícil imaginar un mecanismo que pueda excluir de la
superficie de una proteína una molécula tan pequeña como la del agua sin afec-
tar el acceso del propio ligando. Sin embargo, y debido a su clara tendencia a
formar enlaces de hidrógeno, las moléculas de agua se hallan formando una am-
plia red mantenida por estos enlaces (véase Panel 2-1, págs. 50-51) y a menudo
el separarse de la red e introducirse en una grieta de la superficie proteica resul-
ta energéticamente desfavorable para las distintas moléculas individuales.
En segundo lugar, la agrupación de residuos de aminoácidos polares veci-
nos puede alterar su reactividad. Por ejemplo, si debido al plegamiento de la
proteína varias cadenas laterales con carga negativa son inducidas a agruparse,
en contra de su repulsión mutua, la afinidad de cada residuo de aminoácido por
un ion de carga positiva aumenta marcadamente. Determinadas cadenas latera-
les pueden también interaccionar una con otra a través de enlaces de hidrógeno,
los cuales pueden activar grupos laterales normalmente no reactivos (como el
- CHzOI-1 de la serina, que se muestra en la Figura 3-57) transformándolos en
grupos altamente reactivos capaces de intervenir en reacciones que generan o
rompen enlaces covalentes determinados.
Por consiguiente, la superficie de cada molécula proteica tiene una reactivi-
dad química característica que depende no sólo de las cadenas laterales de ami-
noácidos que quedan al descubierto, sino que depende también de la exacta
Figura 3-56 Competencia por la
orientación de estas cadenas entre sí. Por esta razón, dos conformaciones ligera-
formación de enlaces de hidrógeno.
mente diferentes de la misma molécula proteica pueden ser enormemente dife-
La habilidad de las moléculas de agua
rentes en cuanto a sus propiedades químicas. para favorecer la formación de enlaces
A menudo, cuando la reactividad de las cadenas laterales resulta insuficien- de hidrógeno con grupos de la
te, las proteínas utilizan la ayuda de determinadas moléculas no polipeptídicas superficie de la protema reduce
que fijan a su superficie. Estos ligandos actúan de coenzimas en las reacciones notablemente la tendencia de estos
catalizadas enzimáticamente y pueden estar tan fuertemente unidas a la protef- grupos a unirse unos con otros.

136 Capítulo 3: Macromoléculas: estructura, forma e información

 H H serina reactiva
1 Ser 195
1 ..... ' 1 / / ....
11
e-o0 H- N
,,,.e,,,._
"'-N
" H-0-CH .PC'-N-H ::0 0 - C
'-.../ \ / 2
\ j -,,. / I \ '
C=C His57 C=C
I
H
reordenación de
los enlaces de
hidrógeno

na que llegan a formar parte efectiva de la propia proteína. Ejemplos de este Figura 3-57 Un aminoácido
caso los hallamos en los grupos hemo (que contienen hierro) de la hemoglobina extraordinariamente reactivo en el
y de los citocromos, en la tiamina pirofosfato de las enzimas implicadas en la lugar activo de una enzima. El
transferencia de grupos aldehído y en la biotina de las enzimas que participan ejemplo que se muestra es la "tríada
en la transferencia de grupos carboxilo. La mayoría de coenzimas son moléculas catalítica" que se presenta en la
quimotripsina, en la elastasa y en otras
orgánicas muy complejas, seleccionadas en base a la reactividad química que
serina proteasas (véase Figura 3-39).
adquieren cuando se unen a la superficie de una proteína. Además de su lugar
La cadena lateral del ácido aspártico
reactivo, una coenzima tiene otros residuos que la ftjan a su proteína huésped induce a la histidina a eliminar el
(Figura 3-58). La Figura 3-59A muestra un modelo espacial compacto de una en- protón de la serina 195, lo cual activa la
zima unida a su coenzima. serina para formar un enlace covalente
con el substrato de la enzima
El primer paso de la catálisis enzimática hidrolizando un enlace peptídico
como se ilustra en la Figura 3-64.
es la unión del substrato35
Una de las funciones más importantes de las proteínas consiste en actuar como
enzimas, catalizando reacciones químicas determinadas. En este caso el ligando
es la molécula de substrato y la unión del substrato a la enzima es un preludio
esencial de la reacción química (Figura 3-59B). Si denominamos a la enzima E,
aJ substrato, S y al producto P, la reacción básica es E + S .:= ES .:= EP ~ E + P.
A partir de esta simple representación de una reacción catalizada por una enzima,
podemos ver que existe un límite a la cantidad de substrato que cada molécula
de enzima puede procesar en un tiempo dado. Si se incrementa la concentra-
ción de substrato, la velocidad a la que se forma el producto también se incre-
menta, hasta alcanzar un valor máximo (Figura 3-60). En este punto la molécula
de enzima se halla saturada de substrato y la velocidad de reacción (denominada
Vm:1.l depende únicamente de la velocidad a la que sea procesada la molécula de
substrato. Esta velocidad dividida por la concentración de la enzima constituye Figura 3-58 Coenzimas. Las
coenzimas, como la tiamina pirofosfato
(TPP) mostrada aquí en gris, son
pequeñas moléculas que se unen a la
superficie de una enzima permitiéndole
catalizar reacciones específicas. La
reactividad del TPP depende de su·
átomo de carbono ''acídico", que
intercambia rápidamente S,!J átomo de
hidrógeno por un átomo de carbono
de una molécula de substrato.
Probablemente otras regiones de la
molécula de TPP actúan como "asas"
mediante las cuales la enzima mantiene
a la coenzima en posición correcta.
Probablemente las coenzirnas
evolucionaron primero en un "mundo
de RNA", donde se unían a moléculas
de RNA para colaborar con ellas en los
procesos de catálisis (se discute en el
Capítulo 1).

Las protemas como catalizadores 137

 Figura 3-59 Modelos de espacio
lleno, generados por ordenador, de
dos enzimas. En (A) se presenta el
citocromo c unido a su coenzima
hemo. En (B) se presenta la lisozima de
la clara de huevo, con un substrato
oligosacárido unido. En ambos casos
el ligando unido se presenta en rojo.
(Por cortesía de Richard J. Feldmann.)

(Al (B)

el número de recambio. A menudo el número de recambio es de aproximada-

mente 1000 moléculas de substrato procesadas cada segundo por cada molécula
de enzima pero puede llegar a alcanzar valores mayores en casos extremos.
El otro parámetro cinético utilizado con frecuencia para catacterizar a una
enzima es su Kw que es la concentración de substato que permite alcanzar la
mitad de la velocidad máxima de la reacción (Figura 3-60). Una KM baja significa
que la enzima alcanza su máxima velocidad catalítica a una baja concentración
del substrato, y por lo general indica que la enzima se une a su substrato muy
fuertemente.

Las enzimas aceleran las reacciones estabilizando determinados

estados de transición36
Las enzimas consiguen que las reacciones químicas se produzcan a velocidades
extremadamente altas -mucho más que a través de cualquier catálisis sintética.
Esta eficiencia puede ser atribuida a varios factores. En primer lugar, la enzima
actúa aumentando la concentración local de las moléculas de substrato en el lu-
gar catalítico y manteniendo los átomos adecuados en una orientación correcta
para la reacción que se producirá a continuación. Sin embargo, lo más impor-
tante es que una parte de la energía de fijación contribuye directamente a la ca-
tálisis. Antes de formar los productos finales de la reacción, las moléculas del
substrato pasan a través de una serie de formas intermedias de geometría y dis- Figura 3-60 Cinética enzitnátlca. La
tribución electrónica alteradas y son las energías libres de estas formas interme- velocidad de una reacción enzimática
(VJ aumenta cuando aumenta la
dias y en especial las de los estados de transición más inestables, los principales
concentración del substrato, hasta
determinantes de la velocidad de la reacción. Las enzimas presentan mayor afi-
alcanzar un valor máximo Wmax>• En
nidad por estos estados inestables de transición de los substratos que por sus este punto, todos los Jugares de unión
al substrato de las moléculas
enzimáticas están ocupados;--y la
velocidad de la reacción está limitada
Vmax por la velocidad del l?roceso' de
t
e:
catálisis sobre la superficie de la
enzima. Para la mayoria de las enzimas
•O
·g la concentración de substrato a la que
'"~ la velocidad es igual a la mitad de la
Q)

..
"O
"O
"O
·g
velocidad máxima (KM) constituye una
medida de la fuerza con que la enzima
se une al substrato; cuanto mayor es el
-.;
> valor de la Kw menor es la fuerza de
KM concentración de substrato- unión.

138 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

formas estables, y estas interacciones disminuyen las energías de los estados de energía de activación para una
reacción no catalizada
transición acelerando así una reacción determinada (Figura 3-61).
Una clara demostración de cómo al estabilizar un estado de transición se pue-
de incrementar enormemente la velocidad de la reacción la constituye la produc-
ción intencionada de anticuerpos que actúan como enzimas. Consideremos por
ejemplo la hidrólisis de un enlace amida, que es similar al enlace peptídico que
une aminoácidos adyacentes en las proteínas. Eh una solución acuosa un enlace t
,!!!
amida se hidroliza muy lentamente mediante el mecanismo ilustrado en la: Figura e>
Q)
3-62A. En el compuesto intermedio central, o estado de transición, el carbono car- e:
Q)

bonilo se halla unido a cuatro átomos situados en los vértices de un tetraedro. Se

puede obtener un anticuerpo que actúe como una enzima generando anticuerpos
que se unan fuertemente a un análogo estable de este compuesto intermedio tetraé-
progreso _
drico, muy inestable, tal como se ilustra en la Figura 3-62B. Este anticuerpo catalí- de la reacción
tico se une al compuesto intermedio tetraédrico y lo estabiliza, incrementando así energía de activación para
más de 10 000 veces la velocidad de hidrólisis espontánea del enlace amida. una reacción catallzada

Figura 3-61 Las enzimas aceleran las

Las enzimas pueden facilitar la formación y la rotura de enlaces reacciones químicas disminuyendo la
energía de activación. A menudo
covalentes a través de una catálisis ácida y básica simultánea37 tanto las reacciones no catalizadas (Al
Las enzimas son mejores catalizadores que los anticuerpos catalíticos. Además como la catalizada por una enzima (Bl
de unirse fuertemente al estado de transición, el lugar activo de una enzima con- se producen a través de diversos
tiene átomos situados en el espacio de forma precisa que aceleran la reacción al- estados de transición. El estado de
terando la distribución de los electrones de los átomos implicados en la forma- transición de mayor energía (S1 y 8S1 )
ción y la rotura de los enlaces covalentes. Los enlaces peptfdicos, por ejemplo, es el que determina la energía de
activación y limita la velocidad de la
pueden ser hidrolizados en ausencia de una enzima exponiendo un polipéptido
reacción (S=substrato; P=producto de
a una base fuerte o a un ácido fuerte, como se explica en la Figura 3-63B y C. Sin la reacción).
embargo, las enzimas son únicas en hacer posible la catálisis ácida y básica si-
multánea, ya que impiden que los residuos ácidos y básicos necesarios se com-
binen unos con otros (como ocurriría si estuvieran en solución) al mantenerlos
unidos a la rígida estructura de la proteína (Figura 3-63D).
Hay que precisar la adecuación entre una enzima y su substrato. Un pequefio
cambio introducido mediante ingeniería genética en el lugar activo de una enzima
puede tener consecuencias extraordinarias. Por ejemplo, al reemplazar un ácido glu-
tárnico por un ácido aspártico en una enzima se desplaza la posición del ion carboxi.-
lato catalítico alrededor de 1A (aproxi.madamente el radio de un átomo de hidróge-
no), y ello es suficiente para reducir la actividad de la enzima más de cien veces.

Figura 3-62 Anticuerpos catalíticos.

H
o
--N ~.H
t
C- - -
H
¡
(A) HIDRÓLISIS DE UN ENLACE AMIDA

--N ~ ' C-
H Q H
H --
--N - H +
1
La estabilización de un estado de
transición por un anticuerpo genera
una enzima. (A) La reacción de la
hidrólisis de un enlace amida se
H pIOduce a través de un intermedio
O H• H
H/ '-H interm ediario tetraédrico, que es el estado de
agua tetraédrico transición de alta energía de la
reacción. (B) La molécula mostrada a
(B) ANÁLOGO DEL ESTADO DE TRANSICIÓN PARA LA HIDRÓLISIS DE LA AMIDA
la izquierda se unió covaientemente
a una proteína y se utilizó como
o

6'z,H\ >O
NO
,.,.e1 1 ~

j
antígeno para generar un anticuerpo
que resultó unirse fuertemente a la
región de la molécula señalada en
amarillo. Este anticuerpo también se
une fuertemente al estado de
transición en (A), por lo que actúa
como una enzima que cataliza
2 o)-OH eficientemente la hidrólisis del enlace
amida de la molécula que se muestra a
análogo amida la derecha.

Las proteínas como catalizadores 139

 Figura 3-63 Catálisis ácida y catálisis
básica (A) El inicio de la reacción no
catalizada que se presenta en la Figura
(f> 3-62A se ha dibujado aquí, utilizando
LENTO ft
el sombreado en azul como un
· -N
/ indicador esquemático de la
H distribución electrónica del agua y de
los enlaces carbonilo. (B) Un ácido
tiende a dar un protón (H+) a otros
átomos. En combinación con el
oxígeno del carbonilo, un ácido hace
IA) no i:_atálisls (B) catálisii; ~cida IC) <tatáltsis ,bá_!!ica 1D) Cí!tálisís que los electrones tiendan a separarse
ácida y básica del carbono carbonilo, haciendo que
este átomo atraiga mucho más
fuertemente el oxígeno electronegativo
de la molécula de agua que ataca el
enlace. (C) Una base tiende a captar
Además, las enzimas pueden incrementar las velocidades tt•; en combinación con un hidrógeno
de reacción formando enlaces covalentes intermedios de la molécula de agua atacante, una
con sus substratos38 base hace que los electrones se
desplacen hacia el oxígeno de la
Además de los mecanismos comentados antes, muchas enzimas aceleran la veloci- molécula de agua, haciendo que
dad de la reacción que catalizan interactuando de manera covalente con uno de sus constituya un grupo más reactivo del
substratos, de modo que el substrato queda unido a un residuo de aminoácido o a carbono carbonilo. (D) Al presentar
una molécula de coenzima. Generalmente cuando un substrato entra en el lugar de una disposición adecuada de átomos
unión de la enzima, se une covalentemente a el.la y entonces reacciona con un se- en su superficie, una enzima puede
gundo substrato sobre la superficie de la enzima que rompe el enlace covalente que realizar una catálisis ácida y básica
se acaba de formar. Al final de cada ciclo de reacciones se regenera la enzima libre. simultáneamente.
Consideremos, por ejemplo, el mecanismo de acción de las serina proteasas.
La reacción que catalizan, la hidrólisis de un enlace peptídico, está enormemente
acelerada debido a la afinidad de la enzima por el compusto intermediario tetraé-
drico de la reacción. Pero una serina proteasa hace mucho más que lo que hace un
típico anticuerpo catalítico: en lugar de esperar a que una molécula de oxígeno del
agua ataque el carbono carbonilo, hace que la reacción transcurra mucho más rá-
pidamente utilizando en primer lugar para este fin una cadena lateral de un amino-
ácido situada en el Jugar adecuado Oa setina activada de la Figura 3-57). Este paso
rompe el enlace peptídico pero libera la enzima unida covalentemente al grupo
carboxilo. Entonces, en un segundo paso muy rápido, este compuesto intermedio
covalente se destruye por la adición cataJizada enzimáticamente de una molécula
de agua, lo cual completa la reacción y regenera la enzima libre (Figura 3-64). A pe-
sar de que esta reacción en dos etapas es menos directa que la reacción en una eta-
pa (en la que el agua se añade directamente al enlace peptídico), es mucho más rá-
pida debido a que cada etapa tiene una energía de activación relativamente baja.

Las enzimas aceleran las reacciones químicas pero no pueden

hacerlas energéticamente más favorables
Por muy sofisticada que sea una enzima, no puede hacer que la reacción qtúmica
que cataliza resulte más o menos favorab le desde el pw1to de vista energético. La
enzima no puede alterar la diferencia de energía libre que existe entre los subs-
tratos iniciales y los productos finales de la reacción. Como ocurre en las simples
interacciones de enlace antes mencionadas, cualquier reacción química tiene un
punto de equilibrio en el que los flujos de la reacción en ambas direcciones son
iguales; por consiguiente, en este punto ya no se produce ningún cambio neto de
concentración (véase Figura 3-9). Si una enzima acelera la velocidad de la reac-
ción en un sentido A+ B ➔ AB en un factor de 108, también debe acelerar en un
factor de 108 la velocidad de la reacción contraria AB ➔ A + B. El cociente entre las
velocidades de una y otra reacciones depende únicamente de las concentracio-
nes de A, de B y de AB. El punto de equilibrio es siempre exactamente el mismo,
independientemente de si la reacción está catalizada por una enzima o no.

140 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

 intermediario
tetraedrico
Ser Ser Ser
---CH O ~ NH - - - CH2 O J"'"""'""'>, NH, ·--CH2 O r-:-'\ NH
2, ,,, ~ /e~ 2 '- ~ _,;, C~ - '\. ~ / C~ l
o- e o - e; o-e
/ ' ¡ substrato /
.!:i NH polipeptídico

•J:)
NH
~ ~ ~ COOli
H NH

~ COOH ~: } COOH
primer péptido
liberado
,/ H

(A) (8) (C)

intermediario
tetraédrico
Ser
---CH 2, O~ é c : ) NH1
o- e ✓
I
o
O~ c~ NH1
H "-H e/
N+

H
is~) /
OH
segundo péptido
liberado

,/ H

(E) (FI

Las enzimas pueden determinar el sentido de una vía acoplando Figura 3-64 Algunas enzimas forman
determinadas reacciones a la hidrólisis del ATP39 enlaces covalentes con sus substratos.
En el ejemplo mostrado aquí, un grupo
La célula viva es un sistema químico que se halla lejos del equilibrio. El producto carbonilo de una cadena polipeptídica
de cada enzima suele actuar como substrato de otra enzima de la vía metabólica (en verde) forma un enlace covalente
y es consumido rápidamente. Lo que es más importante, por medio de las vías con un residuo de serina activado
catalizadas enzimáticamente descritas en el Capítulo 2, muchas reacciones son específicamente (véase Figura 3-57) de
impulsadas en una dirección gracias a su acoplamiento a la hidrólisis energética- una serina proteasa (en gris), el cual
mente favorable del ATP a ADP y fosfato inorgánico. Para que esta estrategia sea rompe la cadena polipeplfdica.
efectiva, los niveles de ATP se mantienen en unos valores nada cercanos a los de Cuando La porción no unida de la
cadena polipepddica se ha alejado por
equilibrio, con un cociente elevado entre ATP y sus productos de hidrólisis (véa-
difusión, se produce un segundo paso
se Capítulo 14). Por consiguiente, este acervo de ATP actúa como una "batería
en el cual una molécula de agua
de reserva" manteniendo un flujo continuo de átomos y de energía a través de la hidroliza el nuevo enlace covalente
célula a través de vías determinadas por las enzimas presentes. Para un sistema formado, separando así la porción de
vivo, la proximidad al equilibrio químico significa degeneración y muerte. la cadena polipeptídica de la superficie
de la enzima y liberando la serina para
Los complejos multienzimáticos ayudan a incrementar otro ciclo de reacción. Nótese que en
la velocidad del metabolismo celular40 esta reacción los intermediarios
tetraédricos inestables (en a.marillo)
La eficiencia de las enzimas respecto a su función aceleradora de las reacciones son los estados de transición, y que
químicas es crucial para el mantenimiento de la vida. En efecto, las células han ambos son estabilizados por la enzima.
de luchar contra procesos inevitables de degeneración que avanzan inexorable-
mente hacia el equilibdo químico. Si las velocidades de las reacciones deseables
no fueran superiores a las de las recciones opuestas, la célula pronto moriría.
"'
Midiendo la velocidad de utilización del ATP podemos tener una idea aproxima-
da de la velocidad a la que se procude el metabolismo celular. Una célula típica
de mamífero recambia (es decir, degrada por completo y substituye) todo su
acervo de ATP, cada 1 o 2 minutos. Para cada célula esta renovación representa
La utilización de una 107 moléculas de ATP por segundo (y para el cuerpo huma-
no, aproximadamente un gramo de ATP cada minuto).

Las proteínas como catalizadores 141

 La velocidad de las reacciones celulares es elevada gracias a la eficiencia de
los catalizadores enzimáticos. De hecho, muchas enzimas importantes trabajan
de una forma tan eficiente que es imposible mejorarla: en estos casos el factor li-
mitante de la velocidad de la reacción no es la velocidad intrínseca de la acción
enzimática sino la frecuencia a la que la enzima interaciona con su substrato. De
una reacción como ésta se dice que está limitada por la difusión.
Si una reacción está lin1itada por la difusión, su velocidad depende de las Figura 3-65 Compartimentación. Se
concentraciones de la enzima y del substrato. Así, para que una secuencia de re- puede conseguir un gran incremento
en la concentración de las moléculas
acciones se produzca con gran rapidez ha de existir una elevada concentración
interactuantes al confinarlas en el
de cada uno de los intermediarios metabólicos y de cada una de las enzimas que
mismo compartimiento rodeado de
intervienen en ella. Dado el enorme número de reacciones diferentes que se de- membrana, en una célula eucariota.
sarrollan en una célula, existen límites a las concentraciones que se pueden al-
canzar de los substratos. De hecho, la mayoría de metabolitos se hallan a con-
centraciones micromolares (10-i; M) y las enzimas a concentraciones mucho
menores. ¿Cómo es posible mantener velocidades metabólicas muy elevadas?
La respuesta reside en la organización espacial de los componentes celulares.
Las velocidades de reacción pueden ser incrementadas sin aumentar la concentra-
ción de los substratos, reuniendo las diversas enzimas implicadas en una secuencia
de reacciones y formando un gran complejo proteico denominado complejo mul-
tienzimático. De esta manera, el producto de la enzima A es transferido directa-
mente a la enzima B, y así sucesivamente hasta el producto final, con lo que las ve-
locidades de difusión no limitan la velocidad de reacción ni siquiera cuando la
concentración de substrato en toda la célula es muy baja. Estos complejos multien-
zimáticos son muy frecuentes (en la Figura 2-41 se mostraba la estructura de uno
de ellos, la piruvato deshidrogenasa) e intervienen en casi todos los aspectos del
metabolismo, incluyendo los procesos genéticos centrales del DNA y del RNA, y en
la síntesis de proteínas. De hecho es posible que muy pocas enzimas de las células
eucariotas difundan libremente en solución. Por el contrarío, la mayoría de las en-
zimas pueden haber desarrollado zonas de unión que les permitan concentrarse
con otras proteínas de función relacionada en determinadas regiones de la célula,
incrementándose asfla velocidad y la eficiencia de las reacciones que catalizan.
Las células disponen además de otro sistema de incrementar la velocidad de
las reacciones metabólicas. Éste depende del enorme sistema de membranas in-
tracelulares de las células eucariotas. Estas membranas pueden segregar ciertas
substancias y las enzimas que actúan sobre ellas, dentro del mismo comparti-
miento rodeado de membrana, como el retículo endoplasmático o el núcleo ce-
lular. Si, por ejemplo, el compartimiento ocupa un total de un 10% del volumen
celular, la concentración de los reactantes dentro del compartimiento sería 10
veces mayor que en una célula similar no compartimentada (Figura 3-65). Las
reacciones que podrían estar limitadas por la velocidad de difusión, pueden de
esta manera incrementar su velocidad en este mismo factor.
En el Capítulo 5 se dan más detalles de la estructura y función de las proteínas.
En él se discute de qué forma las células construyen diminutas máquinas proteicas.

Resumen
La función biológica de u11a prote(11a depende de las propiedades qu(micas detall,a-
\
das de su supe,jicie. Los lugares de unión para ligandos están constituidos por cavi-
dades de la superficie en las ciuiws diversas cadenas Iateraws se localizan de una for-
ma precisa gracias al plegamiento de la protelna. De esta forma, las cadenas 1,aterales
de aminoácidos nomialmente no reactivas puede hallarse activadas. Las enzimas
aceleran enormemente las velocidades de las reaccio1ies uniéndose a los estados de
transición de alta energf,a, de una forma especialmente i,itensa; también desarroll,an.
catálisis ácidas y básicas simultáneamente. A menudo, las velocidades de las reaccio-
nes enzimáticas son tan rápidas que únicame,ite está11 limitadas por la difusión; las
velocidades pueden i11crementarse aún más si las enzimas que actúan de fonna se-
cuencial se llalla unidas fonnando un mismo complejo multienzimático o si las enzi-
mas y sus substratos se halla11 confinadas eri el mismo compartimiento de la célula.

142 Capítulo 3: Macromoléculas: estructura, forma e información

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144 Capítulo 3 : Macromoléculas: estructura, forma e información

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Bibliografía 145
enética molecular
11
Función de las protefuas
Mecanismos genéticos
básicos
Tecnología del DNA
recombinante
El núcleo celular
El control de la expresión
génica

Electronrnicrograffa de barrido de cromosomas

humanos en metafase.
(Por cortesía de Terry D. Allen.)
Serie de seis imágenes de un modelo anatómico de un poliovirus, cuya estructura tridimensional se conoce con
exactitud a partir de cristalografía de rayos X. Cada imagen está ampliada tres veces respecto a la anterior,
hasta que al final podemos ver una región del virus a nivel de resolución atómica. En el centro de la última
imagen puede verse claramente la cadena lateral del aminoácido triptófano. (Por cortesía de James Hogle).
 unción de las proteínas
5
• Las protefuas como
máquinas

• Nacinúento, ensamblaje y
muerte de las protefuas

proteínas constituyen la mayor parte de la masa seca de la célula y desempe-

las funciones predominantes de la mayoría de los procesos biológicos. Sin
bargo, para poder entender lo que son las proteínas, primero hay que inten-
ntender cómo es una célula. En el Capítulo 3 presentamos una introducción
mental de la estructura de las proteínas, junto con una visión general de las
romoléculas biológicas, discutiendo su química y su conformación. Sin em-
go, las proteínas no son sólo rígidos grumos de material de superficie quími-
~ ente reactiva. Disponen de zonas móviles estructuradas de manera muy
isa, cuyas acciones mecánicas están acopladas con eventos químicos. Preci-

E ente es este acoplamiento entre química y movimiento lo que provee a las

reínas de capacidades extraordinarias que están en la base de todos los pro-
os dinámicos de las células vivas. Sin comprender cómo actúan las proteínas
mo moléculas con zonas móviles resulta difícil apreciar el resto de la biología
lular.
En este capítulo, que inicia las secciones más avanzadas del libro, utiliza-
os ejemplos seleccionados para mostrar de qué manera funcionan las proteí-
tas, no sólo como catalizadores sino también como sofisticados transductores
e movimientos, integradores de señales, y componentes de máquinas protei-
compuestas por muchas subunidades. La discusión se basa en avances que
an revelado las estructuras tridimensionales detalladas de muchas proteínas;
esalta los principios generales e intenta sentar las bases de descripcioñes de
-tructuras celulares específicas y de procesos que se detallan en capítulos pos-
riores.
En la última parte del capítulo describimos la vida y la muerte de las proteí-
ias - desde su plegamiento, guiado por chaperones moleculares, hasta su des-
cción por proteolisis dirigida- poniendo énfasis en la construcción molecular
e la mayoría de las proteínas y de los complejos proteicos.

r s proteínas como máquinas

Empezaremos considerando de qué manera se puede alterar la conformación de
proteína debido a la unión de otra molécula denominada ligando. Demos-

É emos las profundas implicaciones de este fenómeno aparentemente simple

cribiendo algunas de las muchas maneras por las que las células utilizan las
raciones de las proteínas inducidas por ligandos.

207
 o- o- o- o-
1 1 1 1 1
-o- P- 0 - P-Q,- P- 9 - CH 2 0- P- O- P - 0-CH 2
11 11 11 11 11
o o o o- o o
ATP 1 ADP
+
+ O= P- 0 -
hexoquinasa
1
o
1
CH 2

H
HO OH

OH
glucosa g lucosa 6-fosfato

La unión de un ligando puede cambiar la conformación Figura 5-1 La reacción catalizada por
de una proteína1 la hexoquinasa. En el primer paso de
la degradación de la glucosa se
El primer ejemplo trata de la enzima hexoquina.sa, la cual está presente en casi transfiere un grupo fosfato desde el
todas las células. Esta enzima cataliza una etapa temprana del metabolismo de ATP hasta la glucosa, formando
los azúcares -la transferencia del fosfato terminal de una molécula de ATP a la glucosa 6-fosfato. Entonces la glucosa
glucosa, formando glucosa 6-fosfato (como se discute en el Capítulo 2). La hexo- 6-fosfato es procesada mediante series
quinasa se une fuertemente a glucosa, lo cual incrementa notablemen te la afini- de otras enzimas que catalizan la
dad de la enzim a por el ATP, que se une a un lugar vecino de la proteína. Enton- cadena de reacciones conocidas como
glucolisis. La glucolisis transforma la
ces, algunas cadenas laterales de determinados aminoácidos de la proteína
glucosa en piruvato y produce una
catalizan la transferencia del fosfato, y los dos productos -la glucosa 6-fosfato y
ganancia neta de moléculas de ATP
el ADP- se liberan, acabando el ciclo de reacción (Figura 5-1). para la célula (véase Figura 2-21).
La hexoquinasa de levadura está compuesta por dos dominios. Los lugares
de unión para la glucosa y para el ATP se hallan en una hendidura situada en tre
estos dominios, y cuando la glucosa se une, los dominios se desplazan uno hacia
el otro cerrando la hendidura (Figura 5-2).
Este tipo de desplazamiento de dominios en respuesta a la unión de un li-
gando es un proceso habitual y fácil de explicar. En el caso de la hexoquinasa, en
la cara interna de cada dominio existen lugares de un ión para diferentes zonas
de la molécula de glucosa. El cambio desfavorable de la energía libre de la proteí-
na que ocurre cuando los dominios se desplazan uno respecto al otro cerrando
la hendidura queda más que compensado por la energía libre liberada cuando la
hendidura se cierra sobre la glucosa; en otras palabras, los enlaces no covalentes
que forma la glucosa con la proteína "unen" los dos dominios, uno contra otro,
haciendo que la proteína salte de una conformación abierta a otra cerrada.

dominio 1 "igura 5-2 El cambio de

conformación de la hexoquinasa
causado por la unión de glucosa. Las
>111\ glucosa
líneas trazan el curso del esqueleto
hidrocarbonado de la hexoqui.nasa.
Estas estructuras fueron determinadas
por análisis de difracción de rayos X de
cristales de la proteína, sin y con
glucosa. La unión de glucosa cambia la
proteína desde una conformación
abierta a una conformación cerrada.
ABIERTA
dominio 2

208 Capítulo 5 : Función de las protemas

ABIERTA
molécula

º~-X
r- V
glucosa

~
CERRADA
IL
I 1t'-'-)_ _~_U'J_ro_ c_e_rr_aa_
-a_ _ ___.1 ¡"¡ i), --•ttfüo/o l:l!ITll'ua

Como discutimos a continuación, las proteínas cuyos cambios de confor- Figura 5-5 Unión cooperativa
mación acoplan dos lugares de unión separados de su molécula, han sido selec- causada por el acoplamiento
cionadas durante la evolución ya que permiten a la célula relacionar la presencia conformacional entre dos lugares de
de una molécula a la presencia o ausencia de cualquier otra molécula. Este tipo unión distantes. En este ejemplo tanto
la glucosa como la molécula X se unen
de acoplamiento conformacional se denomina alostería. Una proteína cuya acti-
mejor a la conformación cerrada de
vidad está regulada de esta forma se denomina proteína alostérica y la transición una proteína con dos dominios. Tanto
que sufre se denomina transición alostérica. · la glucosa como la substancia X
dirigen la proteína hacia su
Dos ligandos cuyos lugares de unión están acoplados pueden conformación cerrada, por Jo que cada
ligando colabora con el otro para que
afectar recíprocamente la unión del otro2
se una a la proteína. Así pues, se dice
Cuando dos ligandos prefieren unirse a la misma conformación de una proteína que la glucosa y la molécula X se unen
alostérica, consideraciones termodinámicas básicas aseguran que cada ligando de forma cooperativa a la proteína.
incrementa la afinidad de la proteína por el otro ligando. Este concepto se deno- La figura es muy similar a las Figuras
mina conexión (linkage). Está bien ilustrado por el ejemplo considerado en la Fi- 5-3 y 5-4; la única diferencia es que
gura 5-5, en el que la unión de la glucosa a la hexoquinasa incrementa la afinidad mientras que el lugar de unión para el
ATP se localiza en la hendidura de la
de la enzima por la molécula X, y viceversa. La relación de conexión es cuantitati-
hexoquinasa, el lugar de unión para la
vamente recíproca de forma, por ejemplo, que si la glucosa tiene un gran efecto
molécula X se localiza fuera de esta
sobre la unión de X, X también tendrá un gran efecto sobre la unión de glucosa. hendidura.
Si dos ligandos se unen a conformaciones diferentes de una proteína alosté-
rica, la conexión será negativa. Por regla general un ligando estabiliza la confor-
mación particular de la proteína a la que se une; si esta conformación es dife-
rente de la favorecida por el otro ligando, la unión del primer ligando dificultará
la unión del segundo ligando. Así, si el cambio de conformación inducido por la
glucosa reduce la afinidad de la proteína por la molécula X, la unión de X dismi-
nuirá la afinidad de la proteína por la glucosa (Figura 5-6).
Las relaciones mostradas esquemáticamente en las Figuras 5-5 y 5-6 están en
la base de la biología celular. Parecen tan obvias que hoy las damos por sentadas.
Pero su descubrimiento, en 1950, seguido por una descripción general de la alos-
tería en 1960, resultó revolucionario. En estos ejemplos X se une a un lugar que es
diferente del lugar donde ocurre la catálisis, por lo que no tiene por qué haber
ninguna relación con la glucosa o con cualquier otro ligando que se wia al lugar
activo. En el caso de enzimas que estén reguladas de esta manera, la molécula X
puede activar (Figura 5-5) o inactivar (Figura 5-6) la enzima. Por mecanismos de
este tipo las proteínas alostéricas pueden actuar como interruptores generales
que permiten que una molécula de una célula afecte el destino de otra molécula.

Las transiciones alostéricas colaboran en la regulación

del metabolismo3
Como describimos en el Capítulo 2, a menudo el producto final de una vía meta-
bólica inhibe la enzima que inicia dicha vía. Debido a esta retroalimentación ne-

210 Capítulo 5: Función de las proteínas

 (Al 10% cerrada (B) 100% cerrada (C) 0% cerrada (D) 50% cerrada

Figura 5-6 Unión competitiva generada por el acoplamiento

conformacional entre dos lugares de unión distantes entre sí. El diseño de
esta figura es el mismo que el descrito para la Figura 5-5, pero aquí la
molécula X prefiere unirse a la conformación abierta, mientras la glucosa
prefiere la cerrada. Ahora la glucosa y la molécula X dirigen la proteína hacia
conformaciones opuestas (cerrada y abierta respectivamente), por lo que la
presencia de uno de los ligandos interfiere con la unión del otro. Figura 5 - 7 Cinética de actividad
enzimática respecto a la
concentración de ligando inhibidor,
-.obre el flujo de la vfa, la concentración intracelular del producto final se para enzimas alostérlcas formadas
iu---=·~e aproximadamente constante a pesar de los grandes cambios de las por diferente número de
subunidades. En el caso de una
,~~~-.ones químicas de la célula. En este tipo de regulación por retroinhibición
enzima con una sola subunidad (línea
~-:iciones alostéricas son esenciales. Por ejemplo, las enzimas que actúan
roja), la disminución desde el 90%
- ::pio de una vía generalmente pueden existir en dos conformaciones. Una hasta el 10% de actividad (indicada por
-~ eS activa y une al substrato en su lugar activo catalizando su conversión
puntos en la curva) requiere un
- :c:-a substancia de la vfa. La otra es una conformación inactiva que une al incremento en la concentración de
LD final de la vfa en un lugar diferente, el lugar regulador. Cuando se acu- inhibidor de unas 100 veces. La
~ producto final se une a la enzima transformándola en su conformación actividad enzimática se calcula a partir
... \·éase Figura 2-38). de la relación de equilibrio simple
:'.a enzima que participa en una vfa metabólica también puede ser activada K=[Il [Pl / [IPJ. donde Pes la proteína
.-..:. rransición alostérica inducida por la unión de un ligando. En este caso el activa, I es el inhibidor e IP es la
es una molécula que se acumula cuando la célula es deficiente en un proteína inactiva unida al inhibidor.
::o de la vía; como el ligando se une preferentemente a la forma activa de Ésta es la curva que se aplicaría a
cualquier unión simple entre dos
_.na, dirige la enzima hacia su conformación activa. Muchas enzimas que
moléculas A y B (véase Figura 3-9).
---.=_an en procesos catabólicos que producen ATP proporcionan ejemplos de
Contrariamente una enzima alostérica
~limentación positiva; estas enzimas son estimuladas por un incremen- formada por varias subunidades puede
concentración de ADP, que tiene lugar cuando los niveles de ATP dismi- responder a variaciones de la
Para estas enzimas el ADP tiene un papel puramente regulador, en con- concentración de inhibidor de una
- _;n. el papel de substrato que juega el ATP en la función de la hexoquinasa. manera semejante a un interruptor: la
respuesta escalonada se debe a que el
ligando se une a la proteína de una
forma cooperativa, como se explica en
la Figura 5-8. La lfnea verde representa
el resultado teórico esperado en el
caso de unión cooperativa de dos
moléculas de inhibidor a tma enzima
alostérica con 2 subunidades, y la línea ·
2 subunidades azul el resultado teórico esperado de
una enzima con 4 subunidades. Como
= indican los puntos de las curvas, las
enzimas más complejas caen del 90%
al 10% de actividad con incrementos
menores de la concentración de
5 10 inhlbidor que la enzima compuesta
concentración de inhibidor--- por una sola subunidad.

'T""".'?'ÚJas como máquinas 211

 figura 5-8 Una transición cooperativa alostérlca. Diagrama esquemático enzima activa
que ilustra de que forma la conformación de una subunidad puede afectar la

~
de sus vecinas, en una proteína simétrica compuesta por dos subunidades
alostéricas idénticas. La unión de una sola molécula de un ligando inhibidor
(amarillo) a una subunidad de la enzima se produce con dificultad debido a
que modifica la conformación de esta subunidad, y por lo tanto destruye la
simetría de la enzima. Sin embargo, cuando se ha completado este cambio inhibidor
conformacional, la energía obtenida al recuperar la estructura simétrica de la - - n -t:R~NSICIÓN
Ü DIFICIL
proteína hace que la segunda conformación una el ligando mucho más
U substr=
fácilmente, sufriendo el mismo cambio conformacional que la otra
subunidad. La unión de la primera molécula de ligando incrementa la
afinidad de la otra subunidad por la misma molécula de ligando, por lo que la
respuesta de la enzima a variaciones de la concentración del ligando es
mucho más marcada que la de una enzima monomérica (véase la Figura 5-7).

A menudo las proteínas forman agregados simétricos

que sufren transiciones alostéricas cooperativas4
Una enzima que esté regulada por retroalimentación negativa y que conste de
ur¡a sola subunidad con un único lugar regulador: puede disminuir desde el 90%
hasta el 10% de actividad en respuesta a un incremento de unas 100 veces de la
concentración del ligando inhibidor (Figura 5-7, línea roja). Aparentemente, las
respuestas de este tipo no son suficientemente marcadas para una regulación
celular óptima, y la mayoría de enzimas que se activan o inhiben por la unión de
un ligando consisten en agregados simétricos de subunidades idénticas. Me-
diante esta disposición, la unión de una molécula de ligando al lugar de unión
de una de las subunidades puede provocar una alteración alostérica en esta sub-
unidad que puede ser transmitida a la otra subunidad vecina, favoreciendo así
que ésta también una otra molécula de ligando. Como resultado de esta transi-
ción alostérica cooperativa, una variación relativamente pequeña de la concen-
tración del ligando en la célula puede hacer pasar todo el agregado de una con-
formación casi completamente activa a otra casi completamente inactiva, o vice-
versa (Figura 5-7, linea azul).
Los principios que permiten que se produzca una transición cooperativa del
"todo o nada" son más fáciles de visualizar en el caso de una enzima formada
por un dímero simétrico. En el ejemplo mostrado en la Figura 5-8, la primera
molécula del ligando inhibidor se une con una gran dificultad ya que su unión
destruye una interacción favorable entre las dos moléculas idénticas del dímero.
Sin embargo, ahora se une mucho más fácilmente la segunda molécula de ligan-
do ya que su unión recupera los contactos monómero-monómero del dímero si-
métrico (y también inactivando completamente la enzima). Puede obtenerse
una respuesta incluso más marcada a la unión de un ligando mediante agrega-
dos mayores, como en el caso de la enzima formada por 12 cadenas polipeptídi-
cas que discutiremos a continuación.

La transición alostérica de la aspartato transcarbamilasa

se conoce a nivel atómico5
Una de las enzimas utilizadas en los primeros estudios de retroalimentación ne-
gativa es la aspartato transcarbamilasa de E. coli. Cataliza la importante reacción
carbamilfosfato + aspartato ➔ N-carbamilaspartato, que inicia la síntesis del
anillo pirimidínico de los nucleótidos C, U y T. Uno de los productos finales de
esta vía, el citosín trifosfato (CTP), se une a la enzima inactivándola cuando las
concentraciones de CTP son elevadas.
La aspartato transcarbamilasa es un gran complejo formado por seis sub-
unidades reguladoras y seis subunidades catalíticas. Las subunidades catalíticas
están dispuestas en forma de dos trímeros, cada uno de ellos dispuesto como un
triángulo equilátero. Ambos trímeros se mantienen uno contra otro a través de

212 Capítulo 5: Función de las proteínas

 H rnr>t:, 9 Transición entre los
ENZIMA INACTIVA: ESTADO T
estados Ry T en la enzima asparlalo
subunidades transcarbamilasa. La enzima está
catalíticas compuesta por un complejo de seis
subunidades catalíticas y seis
subunidades reguladoras. La
estructura de las formas inactivas
n
(estado y de las formas activas
(estado R) se han determinado por
cristalografía de rayos X. La enzima
se inhibe cuando aumenta la
concentración de CTP. Cada una de
las subunidades reguladoras puede
unir una molécula de CTP, el cual es
uno de los productos finales de la vía.
Mediante esta regulación por
retroalimentación negativa se impide
6CTP~ ~ 6CTP
que la vía produzca más cantidad de
CTP de la que necesita la célula.
(Basado en K.L. Krause, K.W. Volz y
W.N. Lipscomb, Proc. Natl. Acad. Sci.
USA82:1643-1647, 1985).

ENZIMA ACTIVA: ESTADO R

,;ur 1:> Parte del interruptor

si/no de la subunidad catalítica de la
aspartato transcarbamilasa.
Variaciones en las interacciones entre
enlaces de hidrógeno indicadas son
parcialmente responsables del "salto"
que sufre el Jugar activo de esta
enzima desde la conformación activa
(amarilla) a la inactiva. Los enlaces
de hidrógeno se indican como finas
Uneas rojas. Los aminoácidos que
participan en las interacciones entre
las dos subunidades se indican en
rojo mientras que los que forman el
lugar activo de la enzima se muestran
en azul. La parte superior de la figura
muestra el lugar catalítico en el
interior de la enzima; la parte inferior
muestra la superficie externa de la
enzima. (Adaptado de E.R. Kantrowitz
y W.N. Lipscomb, Trends Biochem. Sci.
15:53-59, 1990.)

estado R (activo)
estado T (inactivo)

213
::-oteínas como máquinas
las subunidades reguladoras, que hacen de puente entre ellos. La molécula com-
pleta puede sufrir transiciones alostéricas del "todo o nada" entre dos conforma-
ciones, los estados T ("tenso") y R ("relajado") (Figura 5-9).
La unión de los substratos (carbamilfosfato y aspartato) a los trímeros cata-
líticos empuja a la aspartato transcarbamilasa a su estado R, catalíticarnente ac-
tivo, del que entonces se disocian las moléculas de CTP, reguladoras. Contraria-
mente, la unión de CTP a los dímeros reguladores empuja la enzima a su estado
T, catalíticamente inactivo, del cual se disocian los substratos. Este "tira y afloja"
entre el CTP y los substratos es idéntico, en principio, al descrito previamente en
la Figura 5-6 para el caso de una proteína alostérica más sencilla. Sin embargo,
aquí el tira y afloja ocurre en una molécula simétrica con muchos lugares de
unión, por lo que el efecto es una transición alostérica cooperativa que puede
activar la enzima rápidamente cuando se acumulan los substratos (transfor-
mándola en su estado R) o inactivarla repentinamente cuando se acumula CTP
(transformándola en su estado T).
Una combinación de bioquímica y de cristalografía de rayos X ha revelado
una gran cantidad de fascinantes detalles de esta transición alostérica. Cada sub-
unidad reguladora tiene dos dominios, y la unión de CTP hace que ambos domi-
nios se desplacen uno respecto al otro, de forma que actúan como un elevador
que hace rotar los trímeros catalíticos acercándolos entre sí, en el estado T (véa-
se Figura 5-9). Cuando esto ocurre se forman enlaces de hidrógeno entre las su-
bunidades catalíticas opuestas que ensanchan la hendidura que forma el lugar
activo en cada subunidad catalítica, destruyendo así los lugares de unión para el
substrato (Figura 5-10). Añadiendo grandes cantidades de substrato se obtiene
el efecto contrario, favoreciendo la formación del estado R mediante la unión de
moléculas de substrato en la hendidura de cada subunidad catalítica y oponién-
dose así al cambio conformacional descrito. Las conformaciones intermedias
entre los estados R y T son inestables, de forma que la enzima fundamentalmen-
te salta entre las formas R y T, produciéndose una mezcla de ambas formas, la
composición de la cual varía en función de las concentraciones relatiyas de CTP
y de substratos.

La fosforilación de proteínas es un mecanismo

habitual de dirigir transiciones alostéricas
en las células eucariotas6
En una bacteria como E. coli la actividad de las proteínas está regulada funda-
mentalmente por una miríada de pequeñas moléculas de la célula, que se unen
específicamente a determinadas proteínas causando transiciones alostéricas
que controlan la actividad de estas proteínas. Muchas de las proteínas reguladas
de esta manera son enzimas que catalizan reacciones metabólicas; otras trans-
ducen señales o activan o inactivan genes (como ejemplo, véase la Figura 9-27).
Sin embargo, algunas proteínas bacterianas están controladas de forma diferen-
te - mediante la unión covalente de un grupo fosfato a una cadena lateral de un
aminoácido. Cada grupo fosfato tiene dos cargas negativas, por lo cual su unión
a una proteína puede generar un cambio estructural, por ejemplo atrayendo en-
tre sí a dos grupos de aminoácidos cargados positivamente (Figura 5-11). A su
vez, un cambio de este tipo que ocurra en un lugar de la proteína puede alterar
la conformación de otra zona de la proteína - por ejemplo controlando alostéri-
camente la actividad de un lugar de unión alejado.
La fosforilación reversible de las proteínas es la estrategia más utilizada para
controlar la actividad en las células eucariotas. Se cree que más del 10% de las
10 000 proteínas de una célula típica de mamífero se fosforilan. El fosfato se
transfiere desde una molécula de ATP mediante una proteína quinasa y es elimi-
nado mediante una proteína fosfatasa. Las células eucariotas contienen una
gran variedad de estas enzimas, muchas de las cuales juegan un papel central en
la señalización intracelular (como se discute en al Capítulo 15).

214 Capítulo 5 : Función de las proteínas

 figura 5-1 J Influencia de un grupo
fosfato sobre una proteína. El grupo
fosfato, cargado negativamente, que se
muestra aquí está unido
covalentemente a una cadena lateral
de una treonina de la proteína quinasa
dependiente de AMP cíclico que
grupo fosfato
se discute en el Capítulo 15. Como se
determinó por cristalografía de rayos
X, el fosfato está rodeado de diversas
c.ade.\'\a\i. \ate.1:a\e.s de. aro.i.n<lác.i.d<ls
ca1.-g,aC1.a\i.1)1)'5\.\\.,¡a-·rn.1':íl.\1': C'l.1':\a 1>1.1:>1>\.a
fosfotreonina
proteína. (Adaptado de S.S. Taylor et
a\., Annu. Rev. CeU. Biol. a:429-<\62,
1992. ©1992Annual Reviews Inc.)

arginina

., ~ucariota contiene muchas proteína quinasas

'-:l.$

rinl:=a. qu.inasas que fosforilan proteínas en las células eucariotas pertene-

_..::: familia de enzimas, 12.s cuales contienen un dominio catalítico de
~os (quinasa) similar (Figura 5-12). Los diversos miembros de la fa-
_.......u....

n diferentes secuencias de aminoácidos a ambos lados del domi-

a menudo dentro del dominio tienen diferentes secuencias for-
-·éanse las cabezas rojas de flecha en la Figura 5- 12). Algunas de
as adicionales de aminoácidos permiten que cada quinasa reco-
..S.camente el conjunto de proteínas que fosforita. Otras secuencias
ten que cada quinasa esté regulada de forma diferente, de manera
s,c::- activada o inhibida en respuesta a diferentes señales específicas,
~.mos más adelante.
- :-211do las diferencias en la secuencia de aminoácidos entre los
:e una familia p roteica puede construirse un "árbol evolutivo", que al
~ ia el patrón de duplicación génica y de divergencia que ha dado lu-
- - a (véase Figura 8-76). En la Figura 5-13 se presenta un árbol evolu-
:-:i:eína quinasas. No resulta sorprendente que a menudo las quina-
=~ funciones relacionadas se localicen en ramas vecinas del árbol: ~
::odas las proteína quinasas que participan en procesos de señaliza-
"'"( ~
sforilando cadenas laterales de tirosina se hallan agrupadas en la
:ior izquierda del árbol. Las otras quinasas mostradas fosforilan ca-
es de serina o de treonina, y muchas de ellas están agrupadas, al pa-
~1/ / fl)
' asa de
unión del
, fosfato
"'ll 5-12Estructura tridimensional de un dominio proteína quinasa.
_,-rructura del dominio quinasa de la quinasa dependiente de AMP cíclico. asa
S....perpuestas al dibujo de la estructura, las cabezas de flecha rojas indican cata lít ica
~es en que se han encontrado insertos de entre 5 y 100 aminoácidos en
·Tos miembros de la familia de proteína quinasas. Estos insertos están
.;:-alizados en asas sobre la superficie de la enzima, donde otros ligandos
=:;:eractúan con la proteína. Así. los insertos diferencian las distintas quinasas
::onfiriéndoles la capacidad de interaccionar con otras proteínas. El ATP
dador de un grupo fosfato en la reacción) y el péptido que será fosforilado
5c unen en el lugar activo de la enzima, que abarca desde el asa que une el
~po fosfato (amarillo) hasta el asa catalítica (naranja). (Adaptado de
C R Knighton et al., Science 235:407-414, 1991. © 1991 the AAAS.)

215
 Cdc7
Árbol evolutivo de
subfamilia algunas proteína quinasas. A pesar de
MAP quinasa
subfam111a de qumasas
que las células eucariotas superiores
dependientes de cic "ª contienen centenares de tales
control del ciclo enzimas, en la figura sólo se muestran
receptor celular)
PDGF algunas de las que se discuten en este
subfamilia receptor Cdk2 \ libro.
de tirosina EGF Cdc2
quinasas

Src
quinasa dependiente
de AMP cíclico
quinasa
dependiente
de GMP cíclico
proteína quinasa C

quinasa dependiente
q uinasa de la 2
de Ca •/calmodulina
cadena ligera
de la miosina
L__

subfamilia de quinasas
de receptores de serina

recer, según su función - en la señalización transmembrana, en la amplificación

de señales, en el control del ciclo celular, etc.
En la Figura 5-14 se ilustra la reacción básica catalizada por una proteína
quinasa. Un grupo fosfato es transferido desde una molécula de ATP hasta un
grupo hidroxilo de una cadena lateral de una serina, una treonina o una tirosina
de una proteína. Esta reacción es esencialmente unidireccional debido a la gran
cantidad de energía libre liberada cuando se rompe el enlace fosfato-fosfato,
produciéndose ADP (véase Figura 2-28). Sin embargo, las fosforilaciones catali-
zadas por proteína quinasas pueden revertirse mediante un segundo grupo de
enzimas denominadas proteína fosfatasas, las cuales eliminan el fosfato (véase
Figura 5-14). Hay varias familias de proteína fosfatasas, algunas de las cuales son
muy específicas eliminando grupos fosfato únicamente de una o unas cuantas
proteínas, mientras que otras son relativamente inespecíficas, actuando sobre
una gran diversidad de proteínas. El nivel de fosforilación de una proteína deter-
minada en una célula en un momento dado depende de las actividades relativas
de las proteína quinasas y fosfatasas que actúan sobre ella.

La estructura de la proteína quinasa Cdk muestra de qué forma

una proteína puede actuar como un microchipª
El centenar de proteína quinasas diferentes que tiene una célula eucariota están
organizadas en complejas redes de etapas señalizadoras que ayudan a coordinar

Las enzimas que

controlan \a fosforüación de las

r- PROTElNA QUINASA ~
\)1'.0te{nas en las células. La reacción
catalizada por una proteína quinasa

~:t~~;tde ~ -
serln~,
treonma -
-( 1H
:_2)o
_)
o-
1
- P - 0-
ll
o
añade un fosfato a una cadena lateral
de un aminoácido, mientras que la
reacción catali:z.ada poI una fosfatasa
elimina este fosfato.
o tirosina _ ':__)

r
'--- PROTEINA FOSFAT~SA

216 Capítulo 5: Función de las proteínas

 .=.:cS celulares, dirigen el ciclo celular y transmiten señales extracelula- ENTRADAS
• de la célula. Muchas de las señales implicadas han de ser integra-
-.:-adas. Cada proteína quinasa (y otras proteínas señalizadoras) ac-
e ementos de procesamiento, o "microchips" en los procesos de
:Jna parte importante de la regulación de estas proteínas proviene
.;.e ejercen los fosfatos que les añaden otras proteína quinasás de la
-.'""""-:....actos grupos fosfato activan la proteína mientras que otros grupos

p:oteína quinasa dependiente de ciclina (Cdk, de Cyclin-Dependent

- -~ constituye un buen ejemplo de un elemento de procesamiento
~ quinasas de esta clase son los componentes centrales del siste-
. ""n celular de las células eucariotas (como se discute en el Capítulo
Lélula de vertebrado, una enzima Cdk se activa e inhibe sucesiva-
-:ras la célula atraviesa las diferentes fases de su ciclo de división, y
~cavada afecta a varios aspectos del comportamiento celular a tra- la Cdk quinasa se activa sólo si las
e;ecrns sobre las proteínas que fosforila. Ahora conocemos la estruc- respuestas a todas las preguntas
-¿;;.sional de las enzimas de esta importante clase de proteína quina- son sí

-· .za.remos para demostrar de qué forma una proteína puede actuar SALIDA
-~ochip.
~:eína Cdk sólo es activa como proteína quinasa cuando está unida a Figura 5-15 Una Cdk como un
..,.__,...,,.-__ " llamada ciclina. Sin embargo, como se ilustra en la Figura 5-15 la elemento integrador. En el Capítulo
17 se discute la función de estos
..i ciclina sólo es una de las tres entradas de información necesarias
reguladores centrales sobre el ciclo
.a Cdk: además, se ha de añadir un fosfato a una cadena lateral de celular.
ada treonina y se ha de eliminar otro grupo fosfato de la proteína
- unido covalentemente a una cadena lateral de una determinada ti-
a Cdk integra un conjunto específico de componentes celulares
(B) lugar de activación
. - - --..., de la fosforilación

+
+
+

activación de la
fosf9rilación
sobre treonina

7-~ péptido

Estructura tridimensional de una Cdk. (A) Diagrama de la estructura

~ ada por análisis de difracción de rayos X. En rojo claro se muestra
.Glientras que sus tres fosfatos se representan en amarillo. (B) El proceso
~ activación de la enzima incluye la fosforilación de una treonina
~ d a en la cola de una asa flexible (rojo) que, de no estar fosforilada,
.:i:xeso del substrato proteico al lugar activo del dominio quinasa. Esta activación
::=::ere la unión de ciclina, como se ilustra en la Figura 5-17. (A, adaptado de fosfotreonina

a._:ie,;:=::rer al., Nature 363:595-602, 1993. © 1993 Macmillan Magazines Ltd.)

como máquinas 217

- una ciclina, una proteína quinasa y una proteína fosfatasa- y se activa única-
mente en el caso de que cada uno de estos componentes adquiera su estado
de actividad adecuado. Por ejemplo, algunas ciclinas aumentan y disminuyen de
concenh·ación en determinadas etapas del ciclo celular, incrementando gra-
dualmente de cantidad hasta que repentinamente empiezan a ser destruidas en
un punto determinado del ciclo. La repentina destrucción de una ciclina (por
proteolisis dirigida) inmediatamente inhibirá una enzima Cdk determinada, lo
cual constituye un importante sistema de controlar determinados procesos in-
tracelulares, como por ejemplo la mitosis.
La estructura tridimensional de la Cdk (Figura 5-16A) sugiere una explica-
ción molecular para la regulación de esta enzima. La proteína Cdk en sí misma
es inactiva, por dos razones: su lugar de unión al ATP está distorsionado y existe
una asa de unos 20 aminoácidos que bloquea el acceso del substrato al centro
activo. La unión de la ciclina por un lado elimina la distorsión y por otro permite
la adición de un grupo fosfato activador a la cola del asa flexible; se cree que este
fosfato es atraído por un hueco formado por aminoácidos cargados positiva-
mente, de forma que el asa se estira y baja permitiendo el acceso al lugar activo
(Figura 5-16B). Sin embargo, la unión de la ciclina también permite la rápida
adición de un fosfato inhibidor, que interfiere <;:on el lugar del ATP, lo cual colo-
ca la Cdk en un estado inactivo. Finalmente, la quinasa es activada cuando una
fosfatasa específica elimina el fosfato inhibidor (Figura 5-17).

Las proteínas que unen e hidrolizan GTP son reguladores

celulares ubicuos9
Hemos descrito de qué forma la célula puede utilizar la adición o la eliminación
de grupos fosfato de una proteína para controlar la actividad de la proteína. En
los ejemplos discutidos hasta ahora el fosfato es transferido desde una molécula
de ATP a una cadena lateral de un aminoácido de la proteína, a través de una re-
acción catalizada por una proteína quinasa específica. Las células eucariotas
.también utilizan otra vía para controlar la actividad de las proteínas mediante la
adición o eliminación de fosfatos. En este caso, el fosfato no se añade directa-
mente a la proteína; por el contrario, forma parte del dinucleótido de guanina
GTP, el cual se une fuertemente a la proteína. Cuando la proteína está unida a
GTP, es activa. La pérdida del grupo fosfato ocurre cuando el GTP unido es hi-
drolizado a GDP, a través de una reacción catalizada por la propia proteína;
cuando la proteína está unida a GDP, es inactiva.
Las proteínas que unen GTP (también denominadas GTPasas debido a que
también catalizan la hidrólisis de GTP) constituyen una gran familia de proteí-
nas, que tienen un dominio globular de unión a GTP similar. Cuando el GTP
unido es hidrolizado a GDP, este dominio sufre un cambio de conformación que
inactiva la proteína. En la Figura 5-18 se ilustra la esh·uctura tridimensional de Figura 5-17 Modelo detallado de la
una pequeña proteína que une GTP, denominada Ras. activación de la Cdk. Este modelo,
basado en la estructura tridimensional
de la Cdk, explica por qué Cdk se
inactiva sólo si se cumplen las tres
P inh ibidor
condiciones diferentes que se indican
asa q ue bloquea el
lugar de en la Figura 5-15. En el paso A se une
lugar del substrato
' \
¡
' \
una ciclina, lo cual conduce a la unión
¡
del fosfato inhibidor en el paso B. La
fosforilación activadora se produce en
el paso C, pero la enzima sólo se activa
después de que se haya eliminado el
fosfato inhibidor, en el paso D. La
degradación repentina de la ciclina,
P activador tras el paso D, hace que la enzima se
ENZIMA ENZIMA inactive, liberándose el fosfato
INACTIVA ACTIVA
activador, con lo que el sistema
L_ LA DEGRADACIÓN DE LA CICLI NA RESTAURA LA ENZIMA INACTIVA __j vuelve al estado inactivo inicial.

218 Capítulo 5 : Función de las proteínas

 Figura 5-18 Estructura de la
proteÚla Ras, en su forma unida a
GTP. Esta proteína relativamente
pequeña ilustra la estructura de un
dominio de unión a GTP, que se halla
presente en otras proteínas que unen
GTP (como ejemplo, véase Figura
5-20). Las regiones mostradas en rojo
cambian su cmúormación cuando la
molécula de GTP es hidrolizada a GDP
y fosfato inorgánico por la proteína; el
GDP queda unido a la proteína
mientras que el fosfato inorgánico es
~ p liberado. Más adelante se explica el
GTP papel especial que juega la "hélice
hélice interruptor" en las proteínas
interruptor
relacionadas con Ras (véase Figura
lugar de 5-20).
hidrólisis del GTP

-.•Rí:na Ras juega un papel crucial en la señalización celular (como se

-.,;:rulo 15). Unida a GTP es activa y estimula cascadas de fosfori-
:>ínas en la célula. Sin embargo, generalmente está en su forma
- n GDP. Se activa cuando cambia la molécula de GDP que tiene
e.e GTP, en respuesta a señales extracelulares como factores de
-~ se unen a receptores de la membrana plasmática (véase Figura
p:ureína Ras actúa como un interruptor si-no, cuya actividad está
11""""-.""" oor la presencia o ausencia de un fosfato extra sobre una molécula
.:::.o la actividad de la proteína Cdk está controlada por la presen-
- -5 grupos fosfato sobre determinadas cadenas laterales de amino-
••=,_., - ~a S-17).

as controlan la actividad de las proteínas

GTP, determinando si se une GDP o GTP 10
12. proteína Ras y de otras proteínas que unen GTP está controla-
- " reguladoras que determinan cuándo se une GDP y cuándo
zc::::.idad de la proteína Cdk está controlada por ciclinas, proteína
1::_'la fosfatasas. Ras se inactiva por una proteína activadora de
e GTPase-Activating Protein), la cual se une a la proteína Ras in-
;olizar la molécula de GTP que lleva unida, formanqo GDP - que
_:-remente a ella- y fosfato inorgánico (P¡) - que es rápidamente
~eína Ras quedará en su conformación inactiva, unida a GDP,
.::me con una proteína liberadora de nucleótidos de guanina
~ e Nucleotide Releasing Protein), la cual se une al complejo
-"'-"=º que Ras libere su GDP. El lugar, ahora vacío, de unión a nu-
rado inmediatamente por una molécula de GTP (el GTP está
__ ,tla a concentraciones mucho mayores que las de GDP), por lo
~ Ras mediante la adición indirecta del fosfato eliminado por la
~ .\sí, en cierto sentido los papeles de GAP y de GNRP son aná-
p,oteína fosfatasa y de la proteína quinasa, respectivamente (Fi-

alostérica de la protema EF-Tu muestra de qué manera

moléculas pueden generar grandes movimientos11
es; uno de los miembros de una familia de GTPasa.s reguladoras
• a;;¡;:-~ C2da una de las cuales está formada por un dominio de unión a

_ __ _..,,.m:ímiinas
219
 ENTRA DA DE LA SEÑAL ENTRADA DE LA SEÑAL Figura 5-19 Comparación entre los
dos principales mecanismos de
señalización de las células eucariotas.
En ambos casos una proteína de señal

D .J7_, GNRP
es activada mediante la adición de un
grupo fosfato, e inactivada mediante la
eliminación de este fosfato. Para
enfatizar las similitudes de ambos
~
procesos, ATP y GTP se han dibujado
como APPP y GPPP, y ADP y GDP
como APP y GPP respectivamente.
PROTEÍNA GAP Como se muestra en la Figura 5-17, la

Q : p
'
FOSFATADA adición de un fosfato a una proteína
también puede inhibirla.

SALIDA DE LA SENAL SA LIDA DE LA SEÑA L

(A) SENALIZACIÓN POR FOSFORILACIÓN (B) SEÑALIZACIÓN POR PROTEÍNA QUE U NE GTP

GTP de unos 200 aminoácidos. En el transcurso de la evolución, este dominio

también se ha unido a otros dominios proteicos, generando una gran familia de
proteínas que unen GTP, entre las que se hallan las proteínas G triméricas aso-
ciadas a receptores (discutidas en el Capítulo 15), proteínas reguladoras del trá-
fico de vesículas entre compartimientos intracelulares (discutidas en el Capítulo
13) y proteínas que se unen al RNA de transferencia y que son necesarias para
que se produzca la síntesis proteica en los ribosomas (discutidas en el Capítulo
6) . En cada caso, una importante actividad biológica está controlada por un
cambio en la conformación de la proteína, producido por la hidrólisis de GTP en
un dominio semejante a Ras.
La proteína EF-Tu proporciona un buen ejemplo de cómo actúan los com-
ponentes de esta familia de proteínas. EF-Tu es una molécula muy abundante
en células bacterianas, donde actúa como un factor de elongación en la síntesis
proteica, cargando en el ribosoma cada molécula aminoacil-tRNA. La molécula
de tRNA forma un íntimo complejo con la forma de EF-Tu unida a GTP. En este
complejo el aminoácido unido al tRNA está enmascarado; su desenmascara-
miento, necesario para que se produzca la síntesis proteica, tiene lugar sobre el
ribosoma cuando el tRNA es liberado tras la hidrólisis del GTP unido a EF-Tu (la
Figura 6-31 ilustra el funcionamiento de EF-Tu, preciso como un reloj) .
La estructura tridimensional de EF-Tu, tanto en su forma unida a GTP como
a GDP, se ha determinado por cristalografía de rayos X. Estos estudios revelan
cómo ocurre el desenmascaramiento del tRNA. La disociación del fosfato inor-
gánico (P¡), procedente de la reacción GTP➔ GDP + P¡, genera una ligelisima de-
formación lde unas décimas de nanómetro) del luiar de unión a GTP, tal como
acune en \a proteína 1\as. r.ste \igern movi.mi.ento, equi.va\ente únicamente a a\-
gunas veces el diámetro de un átomo de hidrógeno, genera un cambio de con-
lG\Tt\o.C,\Ól\ C\_\le se \ltG'Qo.'?,o. a. la la.ti() de una. \)ie1.a. crnda.l de b.élke <Y.., \\aro.a.da hé-
lice interruptor, en el dominio semejante a Ras de la proteína. Al parecer la
hélice interruptor actúa como un pestillo que se une específicamente a una zona
de otro dominio de la molécula, manteniendo la proteína en una conformación
"cerrada". E\ cambio de conformación desencadenado por la hidiólisis de GTP
hace que la hélice interruptor se desenganche, dejando que los dominios de la
proteína, ahora separados, se desplacen una distancia de unos 4 nanómetros, li-
berando así la molécula de tRNA que estaba unida (Figura 5-20).
Este ejemplo pone de manifiesto de qué forma l~s. células apr~vechan ~~­
bios químicos sencillos que ocurren sobre la superficie de pequenos domm1os

220 Capítulo 5 : Función de las proteínas

 lugar /\..
de unión / '
del tRNA dominio 1

<p . .
1

·.... :,
•

ugar
unión
de GTP
) élice

dominio 2

-~eicos para modificar grandes proteínas con sofisticadas funciones. En la 1gura 5-20 El gran cambio
-=:sición de Ras a EF-Tu hemos entrado en un mundo que "huele" a biología. conformacional de EF-Tu está
producido por la hidrólisis de GTP.
(A) Estructura tridimensional de EF-Tu
reínas que hidrolizan ATP realizan trabajo mecánico cuando une GTP. El dominio superior
- las células 12 es homólogo a la proteína Ras y la
hélice a en rojo es la "hélice
,:ambios alostéricos de forma pueden utilizarse para regular reacciones quí-
interruptor" que se desplaza cuando el
"· pero también para generar movimientos ordenados en las células. Su- GTP se ha hidrolizado, como se
- i amos, por ejemplo, que se necesita una proteína que "camine" a lo largo de muestra en la Figura 5-18. (B) El
.:::::.o hilo, como es el caso de una molécula de DNA. En la Figura 5-21 se cambio de conformación de la hélice
-=--sua esquemáticamente cómo una proteína alostérica puede hacerlo adop- interruptor en el dominio 1 hace que
~ una serie de cambios conformacionales. Sin embargo, si no hubiera nada los dominios 2 y 3 giren, como una
- :....rigiera estas modificaciones para que siguieran una secuencia ordenada, sola unidad, unos 90° hacia el
~ perfectamente reversibles y la proteína se desplazaría al azar, arriba y observador, liberando el tRNA. (A,
a lo largo del filamento. adaptado de Berchtold et al., Nature
?ociemos considerar la situación desde otro punto de vista. Como el moví- 365:126-132, 1993. © 1993, Macmillan
~ -=----~ direccional de una proteína produce trabajo, las leyes de la termodiná- Magazines Ltd; B, por cortesía de
Mathias Sprinzl y Rolf Hilgenfeld.)
dlcen que un movimiento como éste ha de consumir energía libre de otra
== de lo contrario la proteína podría utilizarse para construir una máquina
--imiento continuo). Por lo tanto, sean cuales fueren las modificaciones
- .mroduzcamos en el modelo mostrado en la Figura 5-21, como añadir ligan-
, que favorezcan determinadas conformaciones, sin un aporte de energía la
~--:-..tla p roteica deambulará sirl rumbo.
µm o se puede conseguir que las modificaciones conformacionales sean
_ ..___-,:1:cionales? Para lograr que todo el ciclo se produzca en una dirección
- ~-- con que una cualquiera de sus etapas sea irreversible. Una manera de
,.....,~_·.:.=..:..'u e,,¡, u\.\\.\.1.a't e.\ mecan:...,¡,m() (\U.e acabam()S de describir \)ara diriiir las
- -:-- :>...ostéúcas en una mo\écu\a ~toteka med.\.ante \aru.ó.ró\\s1s ue C.í."\?.
debido a la gran cantidad de energía libre que se libera cuando se
_ .,..._~.a GTP, resulta muy improbable que la proteína EF-Tu pueda añadir
._-~-:e una molécula de fosfato al GDP, invirtiendo así la hidrólisis de

221
 Figura 5-21 Una proteína alostérica "que anda". A pesar de que sus tres
conformaciones diferentes le permiten desplazarse al azar adelante y atrás
mientras se mantiene unida a un filamento, la proteína no puede moverse
uniformemente en una sola dirección.

GTP. Este mismo principio se aplica a la hidrólisis del ATP, y la mayoría de las
proteínas que son capaces de caminar en una dirección recorriendo largas dis-
tancias (la llamadas motores proteicos) lo hacen hidrolizando ATP.
En el modelo altamente esquemático de la Figura 5-22, la unión de ATP im-
pulsa la transformación del motor proteico de la conformación 1 a la conforma-
ción 2. Entonces, el ATP unido se hidroliza produciendo ADP y fosfato inorgáni-
co (P¡), lo cual genera un cambio de la conformación 2 a la conformación 3.
Finalmente, la liberación del ADP y del P¡, que estaban unidos a la proteína, im-
pulsa a la proteína de nuevo a adoptar la conformación l. Las transiciones 1 ➔ 2
➔ 3 ➔ 1 están impulsadas por la energía de hidrólisis del ATP, por lo que estas
series de cambios conformacionales serán efectivamente irreversibles en condi-
ciones fisiológicas (es decir, la probabilidad de que el ADP se recombine con P;
formando ADP por la ruta 1 ➔ 3 ➔ 2 ➔ 1 es extremadamente baja). Así pues, el
ciclo entero de reacciones se producirá únicamente en una dirección, haciendo
que la molécula proteica se desplace siempre hacia la derecha en este ejemplo.
Muchos proteínas generan movimientos direccionales a través de este mecanis-
mo, incluyendo las DNA helicasas, enzimas que se impulsan a sí mismas a lo lar-
go del DNA a velocidades tan elevadas como 1000 nucleótidos por segundo.

La estructura de la miosina revela de qué forma

los músculos generan fuerza13
En el Capítulo 16 discutimos de qué manera diversos movimientos celulares es-
tán producidos por motores proteicos que se desplazan rápidamente a lo largo
de filamentos proteicos, dirigidos por ciclos repetidos de hidrólisis de ATP (véa-
se Figura 5-22). El mejor conocido de estos motores proteicos es la miosina, cu-
yos movimientos dirigidos a lo largo de filamentos de actina genera movimien-
tos intracelulares y contracción muscular. Las estructuras tridimensionales de la
miosina (y de la actina) se han determinado mediante análisis de cristalografía
de rayos X, lo cual nos permite vislumbrar el mecanismo interno de un motor H UNIÓN
DEATP
biológico. La estructura del dominio de la cabeza de la miosina (Figura 5-23) su-
giere de qué forma la hidrólisis de ATP se puede acoplar a la generación de fuer-
za. Se cree que la unión y la hidrólisis del ATP generan una serie de cambios de
conformación ordenados que desplazan la punta de la cabeza unos 5 nanóme-
tros, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 5-24). Este movimiento,
acoplado a la formación y rotura de interacciones con la actina, repitiéndose en
cada ciclo de hidrólisis del ATP, propulsa la molécula de miosina unidireccional-
mente a lo largo del filamento de actina (véase Figura 16-91). Así en la miosina,
como en la proteína EF-Tu discutida anteriormente, una pequeña perturbación
del lugar de unión del nucleótido, a través de transiciones alostéricas que au-
mentan el efecto, genera movimientos proteicos ordenados mucho más acusa-
dos, que están en la base de la biología celular.
~--- ----~ 3
1 LIBERACIÓN
000+®
ADP
Figura 5-22 Una proteína alostérica "motor". Una transición ordenada
entre tres conformaciones está impulsada por la hidrólisis de una molécula
de ATP unida a ella. Debido a que una de estas transiciones está acoplada a la
hidrólisis de ATP, el ciclo es esencialmente irreversible. Al repetirse el ciclo la
proteína se desplaza siempre en la misma dirección (hacia la derecha en la
figura) a lo largo del filamento .
•
222 Capítulo 5 : Función de las proteínas
 Lugar de unión Figura 5-23 Estructura de la cabeza
de la actina
de la miosina. En este diagrama
estereoscópico del dominio cabeza de
la miosina, se produce hidrólisis de
ATP en el lugar activo. ELC indica la
cadena ligera esencial (de Essential
Light Chain) mientras que RLC indica
la cadena ligera reguladora (de
Regulato1y Light Chain); ambas
contribuyen, a lo largo de la cadena
pesada de la miosina, al dominio
cabeza. (De L Rayment et al., Science
261 :50-58, 1993. © 1993 the AAAS.)

-;:eínas alostéricas unidas a membrana y dirigidas por ATP

eden actuar como bombas iónicas o trabajar en sentido
crso, sintetizando ATP 14
--~~~ de generar fuerza mecánica, las proteínas alostéricas pueden utilizar la
_;a de la hidrólisis del ATP para realizar otras formas de trabajo, como el
eo específico de iones al interior o al exterior de la célula. Un importante
-'.o al respecto es la ATPasa Na•-K+, que se encuentra en la membrana plas-
_:!. de todas las células animales, y que bombea 3 Na• hacia el exterior de la
:· 2 K• hacia el interior en cada ciclo de cambios conformacionales dirigi-
por la hidrólisis del ATP (véase Figura 11-11). En la mayoría de las células
_::mba impu1sada por ATP consume más de\ 30% de\ tata\ de la energía que
::>:-e la célula. Bombeando continuamente Na• hacia el exterior y K• hacia el
- , mantiene la concentración de Na• mucho menor en el interior de lacé-
-c -e en el exterior y la de K+ mucho mayor en el interior que en el exterior,

-.:::.ndo así dos gradiente iónicos (en direcciones opuestas) a través de la

rana p lasmática. Estos y otros gradientes iónicos a través de diferentes
.::-!allas de la célula pueden almacenar energía, tal como lo hace una dife-
, de nivel de agua a cada lado de las paredes de una presa. La energía se
- para dirigir cambios conformacionales en una gran variedad de proteínas
"neas asociadas a membrana, que realizan trabajo útil. El gran gradiente de
_ ua,·és de la membrana plasmática, por ejemplo, dirige muchas otras bom-
~ teicas unidas a dicha membrana, que transportan glucosa o determina-
~inoácidos hacia el interior de la célula; tanto la glucosa como los aminoá-
son arrastrados hacia el interior mediante el influjo simultáneo de Na• que
- ¿ cuando el Na• se desplaza a favor de su gradiente de concentración.
Figura 5-24 Visión conceptual de un
gran cambio de conformación en la
miosina, probablemente causado por
la unión e hidrólisis de ATP. Este
modelo está basado en la estructura
mostrada en la Figura 5-23. En el
unión e hidrólisis siguiente paso en el proceso de
I deATP hidrólisis, la molécula de fosfato
1
inorgánico producida (arriba) se libera
I
/ a la solución. (Según l. Rayment et al.,
I
Science 261:58-65, 1993. © 1993 the
AAAS.)

- --=--poteínas como máquinas 223

 Las bombas alostéricas asociadas a membrana dirigidas por la hidrólisis de
ATP también pueden actuar en sentido inverso, utilizando la energía del gra-
diente iónico para sintetizar ATP. De hecho, la energía asequible en el gradiente
de H+a través de la membrana mitocondrial interna se utiliza de esta forma por
el complejo proteico alostérico unido a membrana, ATP sintasa, el cual sintetiza
la mayor parte del ATP que necesita la célula animal, tal como discutiremos en el
Capítulo 14.

Las transiciones alostéricas acopladas energéticamente permiten

a las proteínas actuar como motores, como relojes, como factores
de ensamblaje o como transductores de informaci6n15
Muchas proteínas sufren cambios conformacionales ordenados acoplados a la
liberación de energía que se produce cuando un nucleósido trifosfato (tanto ATP
como GTP) se hidroliza a nucleósido difosfato (ADP o GDP respectivamente). Al-
gunos de estos cambios comprenden la unión covalente del grupo fosfato a la
proteína (fosforilación proteica), pero muchos otros no, como la miosina. Gene-
ralmente cada cambio se desencadena por un evento específico (la unión de la
rniosina a la actina, por ejemplo, desencadena la hidrólisis de ATP por la miosi-
na), lo cual marca una dirección y ordena las interacciones de las macromolécu-
las en la célula.
La capacidad de utilizar la energía de un nucleósido trifosfato para dirigir
cambios alostéricos en proteínas ha resultado crucial para la evolución de las célu- --:¡~urt. 5-25 Algunos dispositivos
las, exactamente de la misma forma en que Ja capacidad de utilizar Ja energía eléc- fabricados con proteínas. En estos
trica ha resultado crucial para el desarrollo de la tecnología moderna. En ambos ejemplos la energía de hidrólisis de
casos se han abierto enormes posibilidades para desarrollar aparatos útiles. Por nucleósido trifosfato se utiliza para
ejemplo, proteínas como Cdk actúan como inte1Tuptores integradores sofisticados dirigir cambios de conformación en
(véase Figura 5-15), recibiendo la información del entorno de la célula y del estado proteínas alostéricas. (A) Un
transductor de información, como una
del ciclo celular y utilizándola para coordinar el comportamiento de la célula. Mo-
proteína quinasa. (B ) Un motor, como
tores proteicos, como la miosina, se desplazan unidireccionalmente a lo largo de la miosina. (C) Un reloj, como EF-Tu
filamentos generando varios tipos de movimientos y generando orden en el inte- que retrasa el ensamblaje de un
rior de la célula. Proteínas como EF-Tu actúan como instrumentos medidores de complejo activo para asegurar que los
tiempo, mejorando la fidelidad de importantes reacciones biológicas (véase Figura complejos incorrectos se disocien
6-31). Otras proteínas utilizan la energía liberada por la hidrólisis de un nucleósido (línea discontinua) . (D) Un factor de
trifosfato para catalizar el ensamblaje de determinados complejos proteicos. En la ensamblaje que genera grandes
Figura 5-25 se recoge un resumen de estas diferentes posibilidades. estructuras.

(A) (B)

07'\' 213D 2IADPI

S1 -SJ )
!ADP!
TRANSDUCTOR DE INFORMACIÓN MOTOR

IC) ID)

~ j ~ T B$~ @ ¡ m)f~
RELOJ
CP--: ~
~ FACTOR DE ENSAMBLAJE
@
224 Capítulo 5 : Función de las proteínas
 AOP ---e;; .h
.1 ..
í
?
' -: v-,,r-
' ~ . )

-
Figura 5-26 Una "máquina proteica". A menudo, los complejos proteicos
!ADP!

/~
~~
-✓
contienen una o más subunidades que pueden moverse de una forma
ordenada, dirigidas por un cambio energético favorable que tiene lugar en
una molécula de substrato unida al complejo (véase Figura 5-22).
Movimientos proteicos de este tipo son especialmente útiles para la célula si
ocurren en un gran complejo proteico en el que, como se ilustra aquí, se
pueden coordinar las actividades de varias subunidades.

l menudo las proteínas forman grandes complejos

tue actúan como máquinas proteicas 16
m el progreso desde las pequeñas proteínas hasta las grandes proteínas forma-
las por muchos dominios, las funciones que puede realizar una proteína son
:ada vez más elaboradas. Sin embargo, las tareas más imprevisibles las llevan a
:abo grandes agregados proteicos formados por muchas subunidades indivi-
luales. Actualmente es posible reconstruir la mayoría de los procesos biológicos
m un sistema libre de células en el tubo de ensayo, y como puede observarse
:ada proceso central de una célula -como la replicación del DNA, del RNA o la
ántesis de proteínas, la formación de vesículas o la señalización transmembra-
1a- está catalizado por un complejo de más de 10 proteínas. En estas máquinas
?roteicas la hidrólisis de moléculas de nucleósidos trifosfato (ATP o GTP) unidas
1 la propia máquina dirige cambios de conformación ordenados en las proteínas
ndividuales, permitiendo que todas las proteínas del complejo se muevan de
o rma coordinada. De esta forma, por ejemplo, las enzimas apropiadas se des-
plazan directamente hacia posiciones donde son necesarias para producir reac-
ciones en serie, en lugar de esperar a que se produzcan colisiones aleatorias de
rada uno de los componentes necesarios. En la Figura 5-26 se ilustra una analo-
gía mecánica sencilla.
Las células han desarrollado máquinas proteicas por la misma razón que los
humanos hemos inventado máquinas mecánicas y electrónicas: las manipula-
ciones que están espacial y temporalmente coordinadas a través de procesos de
unión son mucho más eficientes desarrollando casi cualquier tarea que la utili-
l'..ación secuencial de cada uno de los acontecimientos individuales.

Resumen
las proteínas alostéricas cambian reversiblemente de conformación cuando deter-
minados ligandos se unen a su superficie. A menudo los cambios producidos por un
ligando afectan a otro ligando, y este tipo de relación entre dos lugares de unión de
·gandos proporciona un mecanismo crucial de regular procesos celulares. Por
·emplo, los procesos metabólicos están controlados por retroalimentación: algu-
nas moléculas pequeñas inhiben y otras activan a enzimas iniciales del proceso.
Generalmente las enzimas reguladas de esta manera forman ensamblajes simétri-
cos, permitiendo que se produzcan cambios conformacionales cooperativos que ge-
-eran respuestas escalonadas a los ligandos.

.L.?:S proteínas como máquinas 225

 Los cambios de con.\ornw.dóll. de \a.s vrntein.ru; vueden. esta.T diri~s de unci
manera unidireccional por la utilización de energía química. Por ejemplo, aco-
plando cambios alostéricos a la hidrólisis de ATP las proteínas pueden desarrollar
trabajo útil, como generar una fuerza mecánica o bombear iones a través de una
membrana. Las estructuras tridimensionales de varias proteinas, determinadas
por cristalografia de rayos X, han revelado de qué forma un pequeño cambio local
generado por la hidrólisis de un nucleósido trifosfato se amplifica dando lugar
cambios mayores en otros lugares de la protefna; de esta forma estas protefnas son
capaces de actuar como transductores de información, motores, relojes o factores
de ensamblaje. Se forman "máquinas proteicas" altamente eficientes mediante la
incorvoración de muchas subunidades proteicas diferentes a un gran agregado, en
el cual los movimientos alostéricos de cada componente individual están coordina-
dos para realizar la mayoría, si no todas, las reacciones biológicas.

Nacimiento, ensamblaje y muerte de las proteínas

Hemos descrito algunos de los extraordinarios instrumentos celulares formados
por proteínas. Ahora consideraremos de qué manera se forman y se destruyen
estos instrumentos. El mecanismo de la síntesis proteica se discute en otra par-
te. Ahora empezaremos considerando cómo se pliega y cómo se ensambla una
proteína a medida que va abandonando el ribosoma en forma de cadena poli-
peptídica.

Se cree que las proteínas se pliegan a través

de un intermediario globular fundido 17
Muchas proteínas purificadas se pliegan in vitro de forma adecuada después de
haber sido desplegadas, por lo que durante muchos años se pensó que las proteí-

PROCESO DE PROCESOS ACCIDENTES

Figura 5-27 Visión actual del
PLEGADO ACTIVADO DESACTIVADOS IRRECUPERABLES plegamiento proteico. Una proteína
acabada de sintetizar rápidamente
adquiere un estado de "glóbulo
fundido" (véase Figura 5-28).
Después, más lentamente, se
producen plegamientos a través de
múltiples etapas, algunas de las cuales
producirían la muerte de la proteína
sin la ayuda de chaperonas
moleculares. Algunas moléculas
glóbulo
pueden no conseguir plegarse
fundido correctamente y serán reconocidas y
degradadas por enzimas proteolíticas
(véase Figura 5-39).

/
~
catálisis por
chaperona ~ m,,
proceso de
pro/

proteína
plegada / catálisis por
chaperona

226 Capítulo 5 : Función de las proteínas

 Figura 5-28 Estructura de un
glóbulo fundido. (A) La forma de
glóbulo fundido del citocromo b562
es más abierta y menos ordenada
que la proteína nativa, mostrada en
(B). Nótese que el glóbulo fundido
contiene la mayor parte de la
estnlctura secundaria de la forma
nativa, aunque los finales de las
hélices a están deshilachados y una
de estas hélices sólo está formada
parcialmente. (Por cortesía de
Joshua Wand).

(Al (8)

=:....:en adoptar todas las conformaciones posibles mientras se van plegan-

ue consiguen adoptar la conformación de menor energía posible, la
3e que es el estado correcto de la proteína. Ahora sabemos que esto
"9esar de las altas velocidades que adquieren los movimientos mole-
..:la proteína (véase pág. 101), para cualquier proteína grande existen
, más conformaciones posibles de las que se pueden explorar duran-
, segundos que tarda la proteína en plegarse. Además, la existencia
, mutantes que tienen defectos específicos de plegamiento indica
la evolución se ha ido seleccionando una secuencia de aminoáci-
~ d a , no sólo en función de las propiedades de la estructura final
- por la capacidad de plegarse rápidamente adoptando su confor-
:.a.
;::::::ndad de algunas proteínas purificadas y desnaturalizadas de recu-
._ ;uras nativas por sí mismas ha hecho posible disecar experimen-
_,.¡:esos del plegamiento de las protemas. Las proteínas se pliegan
----=-..--... rmando estructuras en las que se ha formado la mayor parte
de la estructura secundaria final (hélices o. y láminas ~) y en las
~~os se disponen de una forma extraordinariamente semejante a
_ -a 5-27). Esta conformación extraordinariamente abierta y flexi-
- glóbulo fundido (molten globule) (Figura 5-28) es el punto de
c:nceso relativamente lento en el que se producen muchos ajustes
-=,a1es intentando formar correctamente la estructura terciaria.
, eriores hacia la conformación final se han de producir diferen-
"5 de ellos pueden conducir a plegamientos incorrectos a no
a colaboración de una chaperona molecular, proteínas espe-
, cuya función consiste en ayudar a otras proteínas a plegarse
e.; wcturas estables y activas (Figura 5-27) .

_::-alares se identificaron por primera vez en las bacterias,

m.utantes de E. coli que eran incapaces de utilizar bacte-
re~licarse. Estos mutantes producen versiones ligeramen-
mponentes de la maquinaria de chaparones, relacionada
e.meS por calor 60 y 70 (hsp60 y hsp70, de Heat-Shock Pro-
~ a n defectuosas en determinadas etapas del ensamblaje

227
 f!, maquinaria descartada
~ C0 hsp70 por proteo/is s

1
maquinaria

~
maquinaria maquinaria
semejante semejante
a hsp60 a hsp60

ribosoma proteína plegada correctamente proteína plegada correcta~

Las células eucariotas tienen familias de proteínas hsp60 y hsp70, de forma Figura 5-29 Dos familias de
que diferentes miembros de las familias actúan en compartimientos celulares chaperonas moleculares. Las
distintos. Así, como discutimos en el Capítulo 12, las mitocondrias contienen sus proteínas hsp70 actúan de forma
propias moléculas hsp60 y hsp70, diferentes de las que actúan en el citosol, y en temprana, reconociendo pequeñas
el retículo endoplasmático existe una hsp especial (llamada BIP) que colabora zonas de la superficie de las proteín::.
en el plegamiento de las proteínas. Las proteínas semejantes a hsp60
actúan más tarde y forman una
Tanto las proteínas hsp60 como las hsp70 actúan con un reducido número de
especie de contenedor dentro del a..
proteínas asociadas, cuando colaboran en el plegamiento de otras proteínas. Pre- se transfieren las proteínas que toda
sentan afinidad por las zonas hidrofóbicas asequibles que muestran las proteínas no se han plegado completamente.;:
plegadas de forma incompleta e hidrolizan ATP, posiblemente uniéndose y liberán- ambos casos, ciclos repetidos de
dose de su proteína en cada ciclo de hidrólisis del ATP. Originalmente se pensó que hidrólisis de ATP contribuyen a que
las chaperonas moleculares sólo actuaban impidiendo la agregación promiscua de proteínas hsp sigan ciclos de unión:
las proteínas todavía no plegadas (de ahí su nombre; chaperon significa "dama de liberación de la proteína cliente,
compañía de señoritas"). Sin embargo ahora se cree que también interactúan más facilitando su plegamiento.
íntimamente con sus "clientes" produciendo efectos que podrían asemejarse a un
"masaje proteico". Las chaperonas se unen a las regiones hidrofóbicas expuestas, y
dan un masaje a las regiones de la proteína que están medio plegadas a partir del
intermediario globular fundido, cambiando su estructura de tal manera que pro-
porciona a la proteína otra posibilidad de plegarse (véase Figura 5-27).
En otros aspectos los dos tipos de proteínas hsp actúan de forma diferente. Se
cree que la maquinaria hsp70 actúa precozmente en la vida de una proteína, unién-
dose a cadenas de unos siete aminoácidos hidrofóbicos antes de que la proteína se
libere del ribosoma (Figura 5-29). Por el contrario, las proteínas semejantes a hsp60
forman una estructura parecida a un gran barril (Figura 5-30) que actúa más tarde
en la vida de la proteína; se cree que esta chaperona forma una "cámara de aisla-
miento" dentro de la cual se colocan las proteínas a medio plegar, y se les facilita un Figura 5-30 Estructura de una
entorno favorable donde puedan intentar volverse a plegar (véase Figura 5-29). chaperona semejante a hsp60,
Estas chaperonas moleculares se denominan proteínas de estrés por calor determinada por microscopia
debido a que su síntesis se incrementa notablemente tras una breve exposición electrónica. En (A) se muestra un gra::.
número de partículas contrastadas
negativamente y en (B) un modelo
tridimensional de una de estas
partículas, obtenido por métodos de
procesamiento de imágenes basados
en ordenador. Tanto en procariotas
como en eucariotas se encuentran
estructuras similares, parecidas a un
gran barril. A este tipo de proteína se .e
denomina hsp60 en las rnitocondrias
groEL en bacterias y TCP-1 en el
citosol de las células de vertebrados.
(A, de B.M. Phipps et al., EMBO J.
10:1711-1722, 1991; B, de B.M. Phipps
et al., Nature 361:475-477, 1993.
100 nm 10 nm © Macmillan Magazines Ltd.)

228 Capítulo 5 : Función de las proteínas

 ... ele,·adas temperaturas (por ejemplo, 42°C). Ello parece reflejar
de retroalimentación que responde a un incremento de la canti-
- medio desplegadas (como las producidas por las elevadas tem-
= furma que se incrementa la síntesis de chaperonas que ayudan a
a oh·erse a plegar.

:oteínas contienen series de moléculas plegadas

...__~ d ependiente19
egamiento de una proteína acabada de sintetizar empieza con la
• determinado número de dominios estructurales estables, que se
roo unidades funcionales, y que parecen tener orígenes evolutivos
E..n otros apartados del libro discutimos los procesos por los que se
;ulucionado las proteínas, poniendo de relieve de qué manera se
_ ;:,.-oteínas mediante el barajado de exones que codificaban domi-
-- s de proteínas útiles (véanse págs. 413-424). La evolución ha
- ~os de estos dominios en forma de unidades plegadas que retie-
.....-ra incluso cuando son s~parndos de la \)roteína - bien sea por
,,·a, bien, de manera más eficiente, por técnicas de ingeniería
minios proteicos de este tipo, que muy a menudo participan en
..:tivo de exones, se denominan módulos; ahora que conocemos
e D::'-JA de centenares de genes, se ha puesto de manifiesto la im-
-as módulos.
s proteicos tienen típicamente entre 40 y 100 aminoácidos de
_ueño tamaño y su capacidad de plegarse independientemente
.., e determinar la estructura tridimensional de muchos de ellos en
-:-ue técnicas de NMR de elevada resolución, la cual es una alter-
="te a la cristalografía de rayos X. En la Figura 5-31 se ilustran al-

• Figura 5-31 Estructuras

tridimensionales de algunos módulos
proteicos. En estos diagramas, las

n,•
zonas de lámina~ se presentan como
flechas y los extremos N y C están
marcados como bolas rojas. (Adaptado
de M. Baron, D.G. Norman e I.D.
Carnpbell, Trends Biochem. Sci. 16:13-
17, 1991 y D.J. Leahy e t al., Science
.J 258:987-991, 1992. © deAMS.)

~e complemento módulo de fibronectina módulo de factor

"control tipo 1 de crecimiento

..,odulo de módulo de f ibronectina módulo

- ~~oglobulina de tipo 3 kringle

. ._me:=:. ~ blaje y muerte de las proteínas 229

 j .,.....;----
;, ~)

~~·
gunos módulos típicos. Cada uno de ellos tiene un núcleo con una estructura es- i¡:,u ·¡i .1-'12 Larga estructura
table formado por cadenas o por láminas~. del que salen asas de cadenas poli- formada a partir de series de mód:..
peptídicas menos ordenadas (mostradas en verde). Idealmente las asas están si- en línea. Aquí se muestran cinco
tuadas formando lugares de unión para otras moléculas, como se ha demostrado módulos de fibronectina de tipo 3
para el plegado de las inmunoglobulinas que fue reconocido primero en las mo- formando una disposición repetiti'
léculas de anticuerpo (véase Figura 23-35). Es posible que el éxito evolutivo de los Estructuras similares se encuentrar::
varias moléculas de matriz
módulos basados en láminas ~ se deba al hecho de que constituyeron unidades
extracelular. Se cree que interaccio
adecuadas para la generación de nuevos lugares d·e unión para ligandos, a través
entre cadenas laterales de los extrel!'
de variaciones en estas asas que sobresalen del núcleo del módulo. de los módulos proporcionan rigide;:
las estructuras de este tipo.
Los módulos confieren versatilidad y a menudo median
las interacciones proteína-proteína19, 20
Una segunda característica de los módulos proteicos que explica su utilidad es la
facilidad con la que pueden ser integrados en otras proteínas. Cinco de los seis
módulos que se ilustran en la Figura 5-31 tienen sus extremos C y N (señalados
con bolas rojas) en extremos opuestos del módulo. Estas disposiciones "en lí-
nea" significan que cuando un DNA que codifica un módulo de este tipo se du-
plica en tándem, lo cual es habitual en la evolución de los genes (como se discu-
te en el Capítulo 8), los módulos duplicados se pueden acomodar fácilmente en
la proteína. De esta forma estos módulos pueden unirse en serie tanto consigo
mismos (Figura 5-32) como con otros módulos en línea, formando largas estruc-
turas. Habitualmente se encuentran estructuras rígidas y largas compuestas por
series de módulos, tanto en moléculas de la matriz extracelular como en regio-
nes de proteínas receptoras situadas en la superficie celular.
Otros módulos, como el "kringle" que se muestra en la Figura 5-31, son de
tipo "enchufe". Tras redistribuciones genómicas pueden ser fácilmente acomo-
dados en forma de inserto en una región de un asa de otra proteína. Algunos de
estos módulos actúan como lugares de unión específicos de otras proteínas o de
otras estructuras celulares. Un ejemplo importante al respecto es el dominio
SH2, que puede unirse fuertemente a una región de una cadena polipeptídica
que contenga cadenas laterales fosforiladas de tirosina. Como cada dominio
SH2 también reconoce otras características del polipéptido, sólo se une al sub-
grupo de proteínas que contienen tirosinas fosforiladas. La presencia de domi-
nios SH2 en una proteína le permite formar complejos con proteínas que se fos-
forilen en tirosinas en respuesta a procesos de señalización celular (Figura 5-33) .

•~• i-a 5 J? Los dominios SH2

dominio SH2 ~
median las reacciones de ensamblaje
de las proteínas que dependen de

o lla__1_~
fosforilaciones. En la Figura 15-49 se
ilustra la estructw-a de un dominio
SH2, que tiene la forma de un módulo
tipo "enchufe".
una proteína quinasa las proteínas A y B
fosforila la proteína A se ensamblan

230 Capítulo 5 : Función de las proteínas

 cuerda J• .,,,__ Figura 5-34 Tres sistemas a través de
superficie ~ ",J/ \ los que se pueden unir entre sí dos
. \.
\.- ✓
~7 0 superficie 1 proteínas. Sólo se muestran las zonas
// que interactúan de las dos proteínas.
(A) Una superficie rígida de una
proteína puede unirse a una larga asa
de cadena polipeptídica (una
"cuerda") de otra proteína. (B) Dos
hélices o. pueden unirse entre sí
.; SUPERFICIE-CUERDA (B) HÉLICE-HÉLICE (C) SUPERFICIE-SUPERFICIE
formando una hélice superenrollada.
(C) A menudo dos superficies rígidas
complementarias unen entre sí dos
:ciplejos proteicos que se forman y se deshacen como resultado de cam- proteínas.
= :osforilación de la proteína juegan un papel central en la transducción
="' extraceluJares en señales intracelulares, como se describe en el Capí-

reínas pueden unirse unas a otras a través

á:erentes tipos de interfases
nas pueden unirse entre sí al menos de tres maneras: en muchos casos
:: de la superficie de una proteína contacta con un asa extendida de
_..., polipeptfdica (una "cuerda") de otra proteína (Figura 5-34A). Las in-
=de este tipo permiten, por ejemplo, que el dominio SH2 reconozca
-~rilada de otra proteína, y también permiten a una proteína quinasa
~r=J'='== ::!S proteínas que fosforilará (véase Figura 5-16B).
_.::1do tipo de interacciones entre la superficie de dos proteínas consis-
-=:arniento de dos hélices a, una de cada proteína, formando una hélice
- ~ ~~.,,,,~da (Figura 5-34B). Este tipo de interacciones entre proteínas se halla
--.:..~~- familias de proteínas reguladoras de genes, como se discute en el Ca-

=::;argo, el sistema más común de interacción entre dos proteínas con-

_,:-oplamiento preciso entre dos superficies rígidas, una de cada pro-
_-a 5-34C). Las interacciones de este tipo pueden ser muy fuertes, ya
;:, formar un elevado número de enlaces si las superficies se acoplan
_ misma razón, estas interacciones superficie-superficie pueden ser
:ia.mente específicas, permitiendo que una proteína seleccione a
~ determinada de entre los muchos miles de proteínas que presenta
- ~ - - . .!Carlota superior.

· ·n y la proteolisis selectiva aseguran los ensamblajes

too.o o nada
.nas forman grandes agregados con otras proteínas. Ello requiere
:ema se una selectivamente a otras proteínas simultáneamente.
:esulta crucial que cada complejo proteico se forme de modo efi-

Figura 5-35 La conexión facilita un

~ r e:::_) --(
ensamblaje de tipo todo o nada de los
complejos proteicos. Como se indica,
cada una de las dos proteínas X e Y
inducen un cambio alostérico en una

~
la unión de Y tercera proteína (mostrada en azu(),
facilita la unión de X
~ y
que permite la unión de la otra
complejo débil proteína. Como resultado de ello,

) ~ ~ ~~
solamente el complejo formado por las
tres proteínas es suficientemente
fuerte para existir en la célula, lo cual
resulta efectivo en el ensamblaje del
complejo fuerte
tipo todo o nada.

231
ciente, y que otros complejos parciales, cuya formación interferiría con la fun-
ción del complejo final, se formen en cantidades mínimas. Por ello, debe haber
mecanismos que aseguren que los ensamblajes se produzcan por sistemas del
todo o nada.
Un mecanismo importante radica en el fenómeno de la conexión (linkage),
que hemos descrito antes. Gracias a la conexión, si un ligando cambia la confor-
mación de una proteína alostérica de forma que la proteína se una a otro ligan-
do de forma más eficiente, el segundo ligando puede, a su vez, incrementar la
afinidad de la proteína por el primer ligando (véase Figura 5-5). Este mismo
principio se aplica a las interacciones proteína-proteína. Cuando dos proteínas
se unen entre sí, a menudo una de ellas incrementa su afinidad por una tercera
proteína. Debido a esta conexión el complejo de las tres proteínas será más esta-
ble que el complejo de una sola proteína. Un mecanismo de este tipo puede pro-
ducir un ensamblaje del tipo todo o nada (Figura 3-35).
Aunque se produzcan mecanismos de ensamblaje del tipo todo o nada que di-
rijan la conformación de complejos proteicos completos, a no ser que la célula pre-
sente las cantidades exactas de las proporciones adecuadas de cada proteína del
complejo, sobrarán proteínas no ensambladas. De hecho, la células no siempre
producen sus componentes en las cantidades precisas; sin embargo, las células
son capaces de degradar selectivamente cualquier complejo proteico mal ensam-
blado (Figura 5-36). Así pues, las células necesitan disponer de un sofisticado siste-
ma para identificar las proteínas ensambladas de forma anormal y para destruirlas.
Efectivamente, las células eucariotas contienen un elaborado conjunto de proteí-
nas que permite dirigir específicamente los ensamblajes incompletos de este tipo
hacia la maquinaria de degradación proteica, como discutiremos a continuación.

La proteolisis dependiente de ubiquitina es la responsable

principal del recambio proteico selectivo en los eucariotas21
Una de las funciones de los mecanismos intracelulares de proteolisis es, como
acabamos de decir, reconocer y elirnirlar las proteínas no ensambladas. Otra de
las funciones consiste en desechar las proteínas dañadas o mal plegadas (véase
Figura 5-27). Otra es conferir una corta vida media a ciertas proteínas normales
cuya concentración ha de cambiar rápidamente en respuesta a alteraciones del
estado de la célula; muchas de estas proteínas de corta vida son degradadas rá-
pidamente de forma habitual, mientras que otras, especialmente las ciclinas,
son estables hasta que son degradadas repentinamente en un determinado mo-
mento del ciclo celular. Aquí discutiremos fundamentalmente cómo se degra-
dan las proteínas en el citosol, pero también se producen procesos importantes
de degradación en el retículo endoplasmático (ER) y, como se discute en el Capí-
tulo 13, en los lisosomas.
La mayoría de las proteínas que son degradadas en el citosol son liberadas a
grandes complejos proteicos denominados proteosomas, de los que hay mu-

estable Figura 5-36 La proteolisls de los

componentes sobrantes de un
complejo proteico impide que se

SJ acumulen en la célula. La degraciz

mostrada aquí requiere que una
proteína no ensamblada sea
~ (S))J reconocida por enzimas que le
agreguen ubiquitina, de forma
. . . . [ ) ENSAMBLAJE~ <:_0 covalente, como se discute en e -

<{;(9 [) CJ ,,-0-TE_o_u_s1s

susceptible de
degradación

232 Capítulo 5 : Función de las proteínas

 l(l reconocimiento
de substratos y
regulación

maquinaria
proteolítica

100 nm 10 nm

_ spersas por toda la célula. Cada proteosoma consiste en un cilin- Figura 5-37 Un proteosoma.
:mado por múltiples proteasas distintas, cuyos lugares activos, al En (Al se muestra un gran número
~ una cámara central. Cada extremo del cilindro está "cerrado" de partículas contrastadas
~mplejo proteico formado por al menos 10 tipos de polipéptidos, negativamente. En (B) se presenta un
, cuales hidrolizan ATP (Figura 5-37). Se cree que estos tapones modelo tridimensional de un complejo
de proteosoma completo, obtenido
eccionan las proteínas que deberán ser destruidas, uniéndose a
por procesamiento de imágenes en un
::;;;::xiéndolas en la cámara del cilindro; allí las proteínas son degrada-
ordenador. Se presentan muchas
- s péptidos, los cuales son liberados al exterior. copias de estas estructuras,
ecsomas actúan sobre proteínas que han sido marcadas específica- distribuidas por toda la célula, donde
- destrucción, mediante la adición covalente de una pequeña pro- actúan como bidón de basura para las
~ a (Figura 5-38). La ubiquitina existe en todas las células, libre proteínas celulares no deseadas.
-ememente a proteínas. La mayoría de las proteínas ubiquitinadas (Micrografías electrónicas por cortesía
~ para ser degradadas. (Algunas proteínas de larga vida como las de Wolfgang Baumeister, de J.M.
1en están ubiquitinadas, pero en estos casos la función de la ubi- Peters et al., J. Mol. Biol. 234: 1993.)
~onocida.) Diferentes procesos proteolíticos dependientes de ubi-
~---~-~ enzimas que conjugan ubiquitina, estructuralmente similares
ciferentes, asociadas con subunidades de reconocimiento que las
.as proteínas que presentan alguna señal determinada de degrada-
~ ª de conjugación añade ubiquitina a un residuo de lisina de la lugar de unión a unas
cadenas laterales de
.::..;.¡;:;,a, y posteriormente añade series de ubiquitinas adicionales, for- lisina de proteínas
.__dena multiubiquitina (Figura 5-39), la cual, al parecer, es recono- /
-::-eeptor proteico específico del proteosoma.
::: nas desnaturalizadas o mal p\egadas, así como las proteínas que
:ioácidos oxidados o anormales, son reconocidas y degradadas por
- teolítico dependiente de ubiquitina. Probablemente, las enzimas
~ ubiquitina reconocen señales que estas proteínas tienen expuestas
.:;.do a su mal plegamiento o a su alteración química; se cree que es-
~ secuencias de aminoácidos o motivos conformacionales que en
e k
-ormales se hallan en su interior, es decir, inasequibles.
~ proteolítico que reconozca y destruya las proteínas anormales
- distinguir entre proteínas completas que tienen conformaciones
~ la gran cantidad de polipéptidos que están creciendo sobre los

-38 Estrqctura tridimensional de la ubiquitina. Esta proteína

tiene 76 residuos de aminoácido. La adición de cadenas de ubiquitina a
""teína provoca que esta proteína sea degradada por el proteosoma
Figura 5-39). (Basada en S. Vijay-Kumar, C.E. Bugg, K.D. Wilkinson y
<:.:iok, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82:3582-3585, 1985.) núcleo hidrnló"tl1co g\o'ou\ar

jlllm::~=:,.e:::,~mblaje y muerte de las proteínas 233

 proteína citosólica diana complejo ubiq uiti na-proteína
grupo amino~
o=c- c 3 -~-c~ ~-c-<=3

H,N¿~3T
NH2 - de la cadena
8

H,N4 l LIBERAC,óNA

o
3
UN PROTEOSOI\<:.

complejo enzimático COOH COOH

de ubiquitinación
ubiquit ina

Figura 5-39 Degradación proteica dependiente de ublquitina. En el paso l,

una proteína diana (conteniendo una señal de degradación) es reconocida
por el complejo enzimático de ubiquitinación. Entonces, en el paso 2, series
repetidas de reacciones bioquímicas unen moléculas de ubiquitina entre sí,
produciendo una cadena de multiubiquitina, unida al grupo amino e de una
peq ueños péptidos
cadena lateral de una lisina de la proteína diana. Finalmente, .en el paso 3, el
proteosoma corta la proteína diana en series de pequeños fragmentos.

ribosomas (así como los polipéptidos que acaban de ser liberados de los riboso-
mas) y que todavía no han adoptado su conformación plegada normal. Puede
demostrarse experimentalmente que éste no es un problema trivial: si se añade
puromicina a las células - un inhibidor de la síntesis de las proteínas- las proteí-
nas que se acaban de forma prematura son eliminadas rápidamente mediante
un proceso dependiente de ubiquitina. Una posibilidad es que las proteínas for-
madas normalmente estén protegidas temporalmente por la maquinaria de tra-
ducción o por moléculas de chaperones. Otra posibilidad sería que las proteínas
nacientes y acabadas de sintetizar son de hecho vulnerables a la proteolisis pero
se pliegan adoptando su conformación nativa muy rápidamente, antes de poder
ser marcadas para su destrucción por proteolisis.

La vida media de una proteína puede ser determinada

por enzimas que alteran su extremo N22
Una característica que tiene una influencia importante en la estabilidad de una
proteína es la naturaleza del primer aminoácido (del extremo N) de su cadena
polipeptídica. Hay una estrecha relación, denominada la regla N-terminal entre
la vida media in vivo de una proteína y la identidad de su aminoácido N-termi-
nal. En todos los organismos estudiados, desde bacterias hasta mamíferos, exis-
ten distintas versiones de la regla N-terminal. Los aminoácidos Met, Ser, Thr,
Ala, Val, Cys, Gly y Pro, por ejemplo, protegen las proteínas en la levadura S. ce-
revisiae cuando se presentan en el extremo N; estos aminoácidos no son recono-
cidos por los componentes de marcaje del proceso de la regla N-terminal mien-
tras que los otros 12 aminoácidos atraen un ataque proteolítico. Todavía se han
de identificar la mayoría de las proteínas que son rápidamente degradadas por
el sistema de la regla N-terminal (que actúa tanto en el citoplasma como en el
núcleo). Sin embargo, se sabe que no es frecuente la presencia de aminoácidos
desestabilizantes en el extremo N de las proteínas del citosol, pero que es habi-
tual en las proteínas que han sido transportadas a otros compartimientos. Por
ello, una hipotética función del proceso de la regla N-terminal sería degradar las
proteínas que normalmente actúan en el ER, en el complejo de Golgi o en otros
compartimientos delimitados por membrana, pero que por alguna razón se han
quedado o han vuelto al citosol.
No se conoce todavía de qué forma se exponen los aminoácidos desestabili-
zantes en el extremo N de las proteínas acabadas de sintetizar. Como se discute

234 Capítulo 5 : Función de las proteínas

 E inicialmente todas las proteínas son sintetizadas con una me-
na formil-metionina en las bacterias) en su extremo N. A menu-
~ . que es un aminoácido estabilizante en la regla N-terminal, es
- t.na aminopeptidasa específica. Sin embargo, las aminopeptida-
• .-!Ctualmente eliminan la metionina N-terminal si y sólo si el se-
'- do también es un aminoácido estabilizante en la regla N-termi-
conocemos las proteasas que producen substratos fisiológicos
-= _a regla N-terminal, n i las secuencias que son reconocidas como
__.:_--:füsis .
;¡¡;;;unoácidos N-terminales desestabilizantes, como el aspartato y el
, , n reconocidos directamente por el componente señalizador del
.:¡:,gla N-terminal. En lugar de ello, son modificados por la enzima
-~roteína n·ansferasa, que une la arginina, uno de los aminoácidos
~es reconocibles directamente, al extremo N de las proteínas que
anato o glutamato como aminoácido N-terminal. Así, la arginina
cido desestabilizante primario en la regla N-terminal, mientras
:o y el glutamato son aminoácidos desestabilizantes secundarios.
- .as existen también aminoácidos desestabilizantes terciarios -la
::. glutamina- los cuales desestabilizan a través de su transforma-
=e una amidasa específica, a los aminoácidos desestabilizantes se-
anato y glutamato.
~ se da el caso de que el aminoácido N-terminal de una proteína
a. hidrólisis por los reactivos utilizados en los secuenciadores de
-¿_,es proteínas tienen un aminoácido N-terminal modificado ("blo-
~odificación más frecuente es la acetilación. Se cree que esta mo-
=ga un papel protegiendo las proteínas de larga vida de ser degrada-
oargo, experimentos recientes con mutantes de levaduras que
._s principales especies de acetilasas N-terminales, muestran que la
- --sras proteínas no acetiladas siguen manteniendo vidas largas. Así,
_ - ;a :--J-acetilación de estas proteínas está por descifrar.

:ento de su nacimiento, en un ribosoma, hasta su muerte por proteoli-

ias proteínas son acompañadas por chaperones moleculares y por
ws de supervivencia cuya función es "dar masajes" a su forma,. repa-
:narlas. Las proteínas mal plegadas son inducidas, en primer lugar, a
p.,i"gar correctamente mediante la participación de los chaperones mole-
~ o hsp70; si esto fracasa, son acopladas a ubiquitina y, así, marcadas
ZFridas en los proteosomas.
:.do las proteínas están compuestas por dominios modulares discretos
---r-r~ ]a evolución se han yuxtapuesto por duplicación y barajado de las se-
• l)_\A que los codifican. Habitualmente los módulos contienen lugares
---IIK:a;pedficos para otras moléculas, incluyendo otras proteínas, y a menudo
las proteínas se ensamblen formando grandes complejos. El principio
.,,:-ie:::=:: explica de qué forma las células utilizan las transiciones alostéricas
-==:..:1lnr estos complejos proteicos, por sistemas del todo o nada.

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236 Capítulo 5 : Función de las proteínas

 El código genético
1.• posición 2.' posición 3.' posición
(extremo 5')
! u e A G
(extremo 3')
!

u
Phe Ser Tyr Cys
Phe Ser Tyr Cys e
Leu Ser STOP STOP A
Leu Ser STOP Trp G
- -

e ...
Leu
Leu
Leu
Leu

lle
Pro
Pro
Pro
Pro

Thr
His
His
Gin
Gin

Asn
Arg
Arg
Arg
Arg

Ser
u
e
A
G

u
e
A
lle Thr Asn Ser
lle Thr Lys Arg A
Met Thr Lys Arg G

Val Ala Asp Gly u

e
G
Val Ala Asp Gly
Val Ala Glu Gly A
Val Ala Glu Gly G

.,

Aminoácidos y
sus símbolos Codones
A Ala Alanina GCA GCC GCG GCU
e Cys Cistefna UGC UGU
o Asp Ácido aspártico GAC GAU
E Glu Ácido glutámico GAA GAG
F Phe Fenilalanina uuc uuu
G Gty Glicina GGA GGC GGG GGU
H His Histidina CAC CAU
lle lsoleucina A UA AUC AUU
K Lys lisina AAA AAG
L Leu Leucina UUA UUG CUA cuc CUG cuu
M M et Metionina AU G
N Asn Asparagina AAC AAU
p Pro Prolina CCA CCC CCG ccu
Q Gin Glutamina CAA CAG
R Arg Arginina AGA AGG CGA CGC CGG CGU
s Ser Serina AGC AGU UCA ucc UCG ucu
T Thr Treo2ina ACA ACC ACG ACU ...
V Val Valina GUA GUC GUG GUU
w Trp Triptófano UGG
y Tyr Tlrosina UAC UAU
Léxico de términos utilizados en esta edición

allolactose = alolactosa
annealing = unión, enlace
antiport = transporte de intercambio
antisense = antisentido, sin sentido
backstitching = punto hacia atrás
beads on a string = cuentas ensartadas
blott = transferencia
branch migration = migración de la cadena
boundary = límite
buddingyeast = levadura de gemación
bulk lesion = gran lesión
cap = capucha, caperuza
capping = formación de la capucha o caperuza
catabolite activator protein = proteína activadora de los catabolitos
chromosome walking = caminar por el cromosoma
cleavage = fragmentación
cloth of tissue fluid = coágulo de plasma
cloverleaf = estructura en hoja de trébol
cluster= grupo, agregación
coated pits = depresiones revestidas (o recubiertas)
coated vesicles = vesículas revestidas (o recubiertas)
cohesive ends = extremos cohesivos
coiled coil = hélice sobreenrollada
combinatoria! gene regulation = regulación génica por combinación
core = núcleo, zona central

e
cosmids = cósmidos (clones de C. elegans en vectores del fago lambda)
counterpart = complementario
crossing-over = entrecruzamiento
cross-strand exchange = intercambio cruzado de cadenas; entrecruzamiento
decondensation = desespiralización
deep-etch = sublimación
depurination = despurinación
derepressed = desreprimido (operón inducible)
directs = guía
DNA-looping model for enhancer action = modelo de acción de los activadores mediante asas
deDNA
domain shuftling = barajado de los dominios
donor junction acceptor = enlace entre la región dadora y la aceptara
donor splice junction = región dadora en ta maduración
doubJe minute chromosomes = pares de cromosomas diminutos
down-stream = en direcció 3'
down regulation = regulación por disminución
ear vesicle = vesícula auditiva
engineered = construido in vitro
enhancer element = elemento activador ("enhancer", aumentador, activador)
expression vectors = vectores de expresión
feedback= retroalimentación
fingerprint = análisis de huellas dactilares
fision yeast = levadura de fisión
footprinting = análisis de huellas
frameshifting = modificación de ta pauta de lectura
freeze-drying = liofilización
freeze-etch = grabado por congelación
fruit fly = mosca del vinagre
gap junctions = uniones comunicantes, uniones de tipo "gap"
gel-mobility shift studies = experimentos de retención en geles
gene cassettes = casettes génicas
gene regulatory protein = proteína reguladora de genes, proteína reguladora
general transcription machinery = maquinaria general para la transcripción
genetic linkage = ligamiento genético
hairpin = horquilla
helix-turn-helix = hélice-vuelta-hélice
helper virus = virus auxiliar
heteroduplex joint = unión heterodúplex
Holliday junction = intermedio de Holliday
housekeeping = constitutivo

xlvi Nota de los traductores

 hybride selection = selección de híbridos
hybride ion = ion hidruro O·Il
input = aporte
insertional mutagenesis = mutagénesis por inserción
., interspersed repeated DNAs = secuencias repetidas intercaladas de DNA
lactose repressor protein = prote(na represora de la lactosa
lagging strand = hebra retardada, hebra retrasada
lampbrush = plumulados (cromosomas)
large T-antigen = antígeno T grande
leader = guía
leading strand = hebra conductora
leak = fuga (del K·J
left-handed = levógira
ligand = ligando
mapp (to) = hacer un mapa
master gene = gen patrón
mating-type = tipo de apareamiento
membrane zippering mechanism = cierre de la membrana por cremallera
midbrain = mesencéfalo
rnismatch = error de apareamiento
natural k:iller = células agresoras naturales
nick = muesca
NMR = resonancia magnética nuclear
notochord = notocorda
nuclear run on = "run on" nuclear
nuclease-hipersensitive síte = zona hipersensible a las nucleasas
nucleosome phasing = distribución de los nucleosomas en fase
off= inactivado
011 = activado
output = salida
patch = mancha, porción, zona
patch clan1p recording = registro de zona
patching = parcheamiento
panern = patrón
pellet = p recipitado
phase variation = cambio de fase
photobleaching = fotoblanqueamiento
playing head = aparato reproductor
polimerase chain reaction = reacción en cadena de la polimerasa
pool = acervo
primase = prirnasa
primer = cebador
primosome = primosoma
probe = sonda
probe (to) = sondar
processing = maduración
proofreading mechanism = verificación de lectura
puff = asa, protuberancia, lazo
pulse-field gel electrophoresis = e lectroforesis en gel de campo pulsante
rate = proporción, relación
reading frame = pauta de lectura
recording patch = registro de zona
replication bubble = burbuja de replicación
replication forc = horquilla de replicación
reporter gene = gen informativo
restrictrion fragment length polymorphism = polimorfismo de longitud de fragmentos de
restricción
reverse genetics = genética reversa, genética inversa
right-handed = dextrógira
scanning = barrido
sea sq uirt = ascidia
self assembly = auto ensamblado
self splicing = automaduración
selfish = egoísta, interesado
SEM = microscopia electrónica de barrido
Semliki forest virus = virus Semlik:i forest
sequence-specific DNA-binding protein = proteína que se une a secuencias específicas del DNA
shadowing = sombreado
shotgun = perdigonada
shu:ffling = mezclado, barajado

Nota de los traductores

xlvü
sinaptonemal = sinaptonémico
single-strand DNA-binding protein = proteína de unión al DNA de una sola hebra
site specific recombination = recombinación de sitio específico
size = centro, lugar
slot= muesca
snRNP= RPNsn
solid bead = superficie de cuentas
space-filling model = modelo tridimensional
spliceosome = espliceosoma
splicing = maduración por corte y empalme
stable transcription complex = completo transcripcional estable
staggered = escalonados, protuberantes
staggered joint = unión solapada, enlace o unión de extremos protuberantes
start site = lugar de iniciación
start site for RNA synthesis = punto de inicio de la síntesis de RNA
step = etapa
stepwise = gradualmente
stop codons = codones de terminación
strand = hebra, cadena
stringency= rigor, grado, exigencia
substractive hybridization = hibridación substractiva
subvert = destruir, trastornar
supercoil = sobreenrollado
swivel = desenrollamiento alrededor de la cadena intacta
symport = cotransporte unidireccional
target = diana
TATA box = caja TATA
template = patrón, molde
light junction = unión hermética, unión fuerte, unión estable
time-lapse microcinema = microcinematograffa a intervalos
tomato bushy stunt virus = virus achaparrado peludo del tomate
transcripts = transcritos
transposable = transponible
transposases = transposasas
trigger = poner en marcha, disparar
trimrning = ajuste
tum off a gene = desactivar un gen
tum on a gene = activar un gen
two-dimensional polyacrylarnide-gel electropboresis = electroforesis bidimensional en gel de
poliacrilamida
underfocus = desenfocado
uniport = transporte sencillo
unwing = desenrollar
upstrearn = en dirección 5'
upstrearn promotor element = elemento promotor en dirección 5', elemento promotor
video-enhanced contrast light microscopy = microscopia de contraste vídeo-amplificada
western blottíng = transferencia de proteínas desde un gel de poliacrilamida a un filtro de
nailon o nitrocelulosa, transferencia de tipo western
whisker = pelo, fleco
wind = enrollar, empaquetar
wing bud = yema de ala
wobble (tercera base) = balanceo
zinc finger = dedos de cinc

xlvili Nota de los traductores