Trabajo de 3ra Unidad La Célula Universidad De Guadalajara Preparatoria Regional de Tepatitlán
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Trabajo de 3ra Unidad La Célula Universidad De Guadalajara Preparatoria Regional de Tepatitlán Biología I Las bases moleculares de la vida celular La materia viva está formada por carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, azufre, fósforo, calcio, potasio y otros elementos. El coloide resulta de la mezcla heterogénea de un solvente con partículas dispersas. A simple vista el coloide presenta coloración turbia y ligeramente violácea o azulada. Elemento, átomo y molécula Elemento Es la sustancia relativamente simple que solo contiene una clase de materia, no puede descomponerse en otra sustancia más sencilla. Hay 92 elementos naturales de los cuales el azufre, fósforo, oxigeno, nitrógeno, carbono e hidrogeno (SPONCH), participan con 99% en la composición de la materia viva; Las unidades básicas de los elementos químicos son los átomos. Algunas funciones de los elementos SPONCH son los siguientes: • Azufre (S): interviene en la composición de numerosas proteínas • Fósforo (P): Es constituyente del ATP, molécula portadora de la energía biológicamente útil. • Oxigeno (O): interviene en la composición del agua y en la mayoría de moléculas orgánicas • Nitrógeno (N): interviene en todas las proteínas y ácidos nucleicos. 1 • Carbono (C): participa en la composición de las moléculas orgánicas • Hidrogeno (H): forma parte del agua y de todas las moléculas orgánicas Átomo En 1805, John Dalton establece que las sustancias restan formadas por partículas indivisibles de materia llamadas átomos. Átomo proviene del griego A No y Tomos División Hoy sabemos que está formado por partículas todavía mas pequeñas: los electrones (−) con carga negativa, los protones (+) con carga positiva y los neutrones que son neutros. El número de protones dentro del núcleo es igual al número de electrones fuera del núcleo, el átomo es eléctricamente neutro. Cada átomo es eléctricamente neutro porque posee el mismo número de protones y de electrones. Los átomos de un mismo elemento que a pesar de tener el mismo numero de electrones y de protones difieren en el numero de neutrones, se llama isótopos (de isos: igual, y topos: lugar), y ocupan el mismo casillero en la tabla periódica. Molécula La molécula se compone de dos o más átomos y es la partícula más pequeña a la que puede reducirse un compuesto sin que se alteren sus propiedades. Enlaces Químicos De la interacción de los electrones de los electrones de las capas más externas de un átomo con los electrones de otro se forman los enlaces químicos. Enlace iónico o electrovalente Se forma por la transferencia de electrones de un tomo a otro. A los átomos que tienden a ceder electrones se les llama donadores de electrones y a los que tienden a ganarlos de les denomina receptores. Enlace Covalente Se presenta cuando dos átomos de diferente electronegatividad comparten los electrones en el nivel de energía mas alto y estos electrones giran alrededor de los núcleos atómicos. En este tipo de enlace uno o más pares de electrones son compartidos por los átomos que se han unido. Un ejemplo de enlace covalente lo constituye la molécula de hidrogeno H2, donde dos átomos de hidrógeno se ligan de manera covalente. En los enlaces covalentes las ligaduras pueden ser sencillas cuando hay un par de electrones compartidos entre los dos átomos y se representa por medio de una línea sencilla entre los dos símbolos atómicos; por ejemplo, en la molécula de hidrogeno (H2) H−H. Son dobles cuando se comparten dos pares de electrones; por ejemplo, el bióxido de carbono (CO2) posee dos juegos de enlaces dobles O=C=O, y son triples cuando se comparten tres pares de electrones: por ejemplo, en el cianuro de hidrogeno (HCN) hay una triple ligadura entre el carbono y el nitrógeno H−Cððð Puente de hidrógeno Se forma cuando los átomos de hidrogeno con carga parcial positiva de una molécula se unen por enlace débiles al átomo de oxigeno o nitrógeno con carga parcial negativa de otra molécula, de tal suerte que el hidrogeno compartido mantiene unidas a las dos moléculas que se encuentran ligadas de manera covalente. 2 Puente disulfuro El azufre participa en la composición de algunos aminoácidos, que son las pequeñas moléculas que forman las cadenas de las proteínas. Cuando dos aminoácidos enlazan de manera covalente sus grupos sulfhídrico ceden sus hidrógenos y forman un puente disulfuro que une las cadenas polipeptídicas que se enlazan entre sí, adquiriendo su estructura terciaria para formar las proteínas globulares. El agua La molécula del agua esta compuesta por un átomo de oxigeno y dos de hidrogeno. El oxigeno comparte un par de electrones con cada hidrógeno por enlace covalente. Por su mayor electronegatividad el núcleo del oxigeno tiende a atraer los electrones del hidrogeno, dejando descubierto su núcleo. Las cargas negativas se distribuyen en el lado del oxigeno de la molécula y las positivas hacia el lado de los hidrógenos, funcionando como los polos de un imán. El agua es el compuesto inorgánico mas abundante de la materia viva pues participa en su composición entre 70 a 90%. Sin el agua sería imposible la vida y su funcionamiento tal como se conoce. El agua es el solvente universal, ya que disuelve muchas sustancias que la célula incorpora o desecha del citoplasma, y es de este modo como participa en la mayoría de las reacciones químicas celulares como la respiración, la nutrición, la excreción y otras. Por otra parte, mediante los fenómenos de evaporación, condensación y precipitación, el agua describe los llamados ciclos hidrológicos en la naturaleza. Ácidos, bases y sales inorgánicas Ácido Un ácido inorgánico es un compuesto que liberar iones de hidrogeno cuando se disuelve en agua (H+), con uno o más iones negativos (aniones), los ácidos vuelven el papel de color tornasol a rojo. ácidos son aquellas sustancias que en una reacción química sus moléculas o iones pueden donar protones. Base Una base es un compuesto que libera iones hidroxilo (OH−) cuando se disuelve en agua, con uno o más iones positivos (Cationes). Las bases vuelven el papel tornasol de rojo a azul. aquellas sustancia cuyas moléculas o iones pueden aceptar protones en una reacción química. Para especificar el grado de acidez o alcalinidad de un fluido, se mide la concentración de iones de hidrogeno con una escala de unidades en pH (potencial de hidrogeno). Las soluciones alcalinas o básicas tienen un rango de pH de 7 a 14 y, por combinarse con iones de H+ que el agua. Por otra parte, las soluciones ácidas tienen valores de pH inferior a 7 y producen más iones de H+ que los presentes en el agua. Generalmente, las células son muy sensibles a los cambios de pH del fluido extracelular y cuando los cambios son considerables resultan de graves consecuencias para la propia célula. Cuando se mezclan un ácido y una base, los iones de hidrógeno (H+) del ácidos se unen a los iones hidroxilos (OH−) de la base, formando una molécula de agua. Los iones negativos (aniones) del ácido se combinan con 3 los iones positivos (cationes) de la base para formar una sal. Sal La sal es el compuesto en el átomo de hidrogeno de un ácido es sustituido por un metal. Puede disociarse en iones positivos e iones negativos que en ningún caso serán H+ u H−. Al disolverse en agua un ácido, una base o una sal, los iones que participan en su composición se separan. Estas partículas se denominan electrolitos porque poseen la capacidad de conducir corriente eléctrica. Las células y los fluidos extracelulares contienen gran variedad de sales minerales en forma de iones: cationes y aniones. Estos compuestos inorgánicos son totalmente imprescindibles y de gran importancia para el funcionamiento normal de la célula. Los iones inorgánicos están en proporciones diferentes en el interior de la célula. Esta situación facilita la función osmótica de la membrana citoplasmática. Muchas enzimas solo realizan su función catalítica con la participación de cofactores como iones de fosfato, magnesio, manganeso, cobalto y otros. Entre otras funciones de las sales en el organismo se encuentran la del impulso nerviosos que solo actúa de manera normal con cierta concentración de sodio y potasio en los fluidos corporales. En la constitución de huesos y dientes participan las sales que contienen calcio y fósforo, este último también interviene en la composición de moléculas como el ATP y los ácidos nucleicos. Compuestos orgánicos Los compuestos organismo reciben ese nombre porque anteriormente se pensaba que solo los seres vivos podían producirlos. Químicamente se caracterizan porque sus moléculas contienen átomos de carbono, unidos a otros elementos como hidrogeno, nitrógeno, azufre y fósforo. Carbohidratos Los carbohidratos, hidratos de carbono o azucares están compuestos por carbono, hidrogeno y oxigeno en la proporción de dos átomos de hidrogeno por uno de oxigeno. Estos compuestos son producidos por los vegetales durante la fotosíntesis y constituyen una importante fuente de energía para los seres vivos al formar parte de su alimentación. Los carbohidratos se clasifican en monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. Monosacáridos De mono: uno, y sakcharon: azúcar. Son los azucares formados por una sola unidad de carbohidratos, que participa en la formación de hidratos de carbono mas complejos. Los monosacáridos más importantes son los que contienen cinco o seis átomos de carbono y se denominan pentosa y hexosas. Casi todos sus carbonos tienen un grupo funcional hidroxilo (−OH) y un radical hidrogeno (−H). Pero también los monosacáridos pueden adoptar la estructura cíclica. Las pentosas mas conocidas son la ribosa y la desoxirribosa. La primera participa en la composición del ácidoribonucleico, mientras la segunda lo hace en la del ácido desoxirribonucleico, ambas moléculas funcionan como transmisoras de la información genética. La hexosa más importante es la glucosa, azúcar que producen las plantas durante el proceso de la fotosíntesis 4 y que constituye la principal fuente de energía de los seres vivientes. Los oligosacaridos Del griego oligos: pocos. Los más conocidos son los disacáridos en especial la sacarosa la maltosa y la lactosa. Se llaman disacáridos porque están formados por dos moléculas de sacáridos unidas por enlaces glucosidicos. Para que la sacarosa pueda ser aprovechada por la célula, primero debe ser separada en glucosa y fructosa agregándole una molécula de agua. Este proceso se denomina hidrólisis. Polisacáridos Estos constituyen macromoléculas formadas por muchos monosacáridos. Entre algunos ejemplos de polisacáridos pueden mencionarse los siguientes: • Almidón: formado por largas cadenas de glucosa. al hidrolizarse se convierte en una importante fuente de glucosa aprovechable en la nutrición. • Glucógeno: llamado a veces almidón animal, esta formado por numerosas moléculas de glucosa. • Celulosa: también es un polímero de glucosa, funciona como elemento estructural en la célula vegetal y forma parte de la pared celular a la que le brinda sostén y protección. Lípidos Los lípidos forman un grupo e compuestos orgánicos cuyas moléculas presentan múltiples característica en cuanto a tamaño, forma y composición. Se distinguen por su propiedad común de ser solubles en solventes orgánicos como el cloroformo, la gasolina, el alcohol, el éter y el benceno. Por su importancia biológica destacan sus funciones como moléculas estructurales de las células, como componentes de los sistemas membranosos y como medio de reserva energética. Entre los diversos grupos de lípidos se encuentran los triglicéridos, los fosfolípidos, así como los esteroides. • Triglicéridos: son las grasas y los aceites compuestos, formados por tres cadenas de ácidos grasos unidas a los tres grupos hidroxilo (−OH) de la molécula de glicerol. Los ácidos grasos y las grasas que forman suelen clasificarse por su nivel de saturación, por la cantidad de hidrogeno que presentan sus largas cadenas de carbono. Cuando están formados por enlaces sencillos poseen el mayor numero de hidrogeno en sus moléculas y se les llama grasas saturadas, como la grasa animal. Se les denomina grasas insaturadas como el aceite vegetal. Los triglicéridos funcionan como medios de almacenamiento de energía en el organismo. • Fosfolípidos: se asemejan a un triglicérido, la diferencia consiste en que en el fosfolípido el tercer ácido es sustituido por un grupo de fosfato. En ocasiones, los fosfolípidos forman parte de los alimentos como la lecitina. Estas grasas forman parte del tejido nervioso; sin embrago los fosfolípidos son mas conocidos por su participación en la composición de los sistemas membranosos de las células y de las estructuras membranosas localizadas en su interior. El extremo del fosfato es polar. Esto significa que tiene carga eléctrica. • Esteroides: los esteroides poseen una estructura diferente a la de los triglicéridos y a la de los fosfolípidos, pero ya que son insolubles en agua se incluyen en la clasificación de los lípidos. Los esteroides tienen funciones diferentes. Algunos son hormonas como el estrógeno, la progesterona y la corticosterina, pero quizás el más conocido sea el colesterol, que participa en la composición de la membrana celular del tejido animal. El colesterol puede convertirse en vitamina D por la acción de las 5 radiaciones ultravioleta del sol. La vitamina D es necesaria para el desarrollo y para el mantenimiento normal del sistema óseo. Proteínas El termino proteína proviene el griego proteicos, y significa de primer orden o de primera línea. La palabra fue empleada por primera vez por el químico holandés Gerard Johannes Mulder quien fue uno de los primeros científicos en reconocer la importancia biológica de este compuesto orgánico. Las proteínas desempeñan muchas funciones en la materia viva. Entre ellas destaca su función estructural, ya que sirven como material de construcción de la mayor parte de la célula. Desempeña una importante función biocatalizadora como enzimas. El papel biocatalizador de las enzimas es tan importante que sin su intervención muchas de las reacciones químicas vitales que se registran dentro de la célula simplemente serían imposibles de llevar a cabo. Una proteína es una macromolécula formada por polipéptidos. Cada polipéptido e un polímero constituido por una cadena de aminoácidos unidos por enlaces peptídico. Los aminoácidos son las subunidades que forman a las proteínas. Un aminoácido esta formado por el grupo amino (−NH) y un grupo carboxilo (−COOH). Estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas • Estructura primaria: es la forma lineal de loa aminoácidos dentro de la proteína. Son muy pocas las proteínas que se encuentran en l forma de su estructura primaria • Estructura secundaria: la estructura secundaria que presentan las proteínas puede ser de dos tipos: la hélice alfa o de tipo beta. • Estructura terciaria: la proteína adopta el nivel de la estructura terciaria cuando la cadena polipeptídica en forma de hélice alfa sufre otros dobleces. • Estructura cuaternaria: las proteínas globulares llegan a formar el nivel de estructura cuaternaria cuando dos o más cadenas polipeptídicas se unen formando una proteína gigantesca como la hemoglobina. La desnaturalización es una alteración que se presentan cuando se rompen los enlaces que mantienen unidos a los aminoácidos en las largas cadenas polipeptídicas, por efecto de la alteración de la temperatura o por la acción ácida o alcalina de determinadas sustancias químicas. Aminoácidos esenciales En la composición de las proteínas participan 20 aminoácidos naturales, estos son abundantes sobre todo en loa alimentos de origen animal. Así también, se encuentran en algunos vegetales. Auque los alimentos no contengan los 20 aminoácidos en otro. Sin embargo, existen algunos aminoácidos que el organismo no puede sintetizar como la leucina, isoleucina, metionina, triptofano, fenilalanina y otros llamados esenciales, los cuales hay que adquirir por medio de la alimentación. Proteínas conjugadas Las proteínas conjugadas son aquellas que además de aminoácidos contienen otros componentes llamados grupos prostéticos. • Cromoproteínas: cuya característica principal es la de poseer color. Las más conocidas son las hemoglobinas. • Glucoproteínas: son proteínas que contienen carbohidratos como las que se encuentran en el plasma sanguíneo, las enzimas y las hormonas • Licoproteínas: caracterizadas por contener lípidos. Enzimas 6 Estas son catalizadores, son sustancias que aceleran las reacciones químicas sin sufrir cambios durante el proceso. Se ha descubierto más de un millón de enzimas. Normalmente sus nombres terminan en asa, sufijo derivado del nombre del sustrato sobre el cual actúa o de la reacción en la que participa. Algunas de las enzimas descubiertas en un principio no siguen esta regla, tal es el caso de la ptialina (contenida en la saliva). Ácidos nucleicos Aunque los ácidos nucleicos fueron descubiertos en el núcleo de los glóbulos blancos de la sangre en 1869 por Friedrich Miescher, no fue sino hasta la segunda mitad del siglo XX cuando se reconoció su importancia biológica. Los ácidos nucleicos son DNA (ácido desoxirribonucleico) y RNA (ácido ribonucleico), ambos constituyen moléculas de gran tamaño y están presentes en todos los seres vivientes, desde los virus hasta los mamíferos que son los organismos metazoarios más complejos. Los ácidos nucleicos son moléculas de largas cadenas de subunidades llamadas nucleótidos. Cada nucleótido esta formado por bases nitrogenadas constituidas por uno o dos anillos de carbono y nitrógeno, una pentosa y un grupo de fosfato. El DNA forma las unidades de la herencia (llamadas genes), por medio de códigos químicos que especifican el tipo de proteínas que puede producir el organismo. El DNA tiene la capacidad de autorreplicarse, de hacer copias de su propia molécula para cuando la célula o el organismo se reproducen. El RNA ejecuta la función codificada por el DNA al especificar la síntesis de proteínas y acoplar los aminoácidos correctos durante la síntesis polipeptídica. El DNA lo forman dos polímeros largos, sostenidos por enlaces de hidrogeno y enrollados en forma de una doble hélice. Cada polímero esta formado por subunidades de nucleótidos y cada nucleótido esta formado por un fosfato, una pentosa y una base nitrogenada. Las cuatro bases nitrogenadas del DNA son: adenina (A), guanina (G), timina (T) y citosina (C). En 1950, tres años antes de que Watson y Crick diseñaran la estructura tridimensional de la molécula del DNA, Edwin Chargaff descubrió que auque las proporciones de las bases nitrogenadas diferían de una especie a otra, la cantidad de A era igual a la de T, así como la de G era igual a la de C. Mas tarde, esta idea conduciría a esclarecer la relación de complementariedad que existe entre las bases de A y T y entre G y C. La secuencia especifica de los nucleótidos, forma ese código químico llamado código genético, el cual determina la síntesis de las proteínas de cada organismo. El RNA es un polímero sencillo (de una sola cadena) y no es helicoidal. El RNA se produce a partir de la información contenida en el DNA. En la secuencia de un nucleótidos tanto del DNA como del RNA, la pentosa de cada nucleótido se une por su carbono 1 a la base nitrogenada y por su carbono 5, al fosfato. La posición 5´ de un anillo de pentosa va unida a la posición 3´ del siguiente anillo de pentosa a través de un fosfato. Esto es lo que se conoce como enlace fosfodiéster. Estructura y fisiología celular Los avances en la tecnología y la microscopia han permitido conocer más sobre la estructura y el funcionamiento de la célula, así como también a analizar sus componentes moleculares. 7 Sistema de membrana La membrana celular, llamada también membrana plasmática, envuelve y delimita a la célula separándola de su medio extracelular. Estas membranas forman estructuras laminares de apenas 6 y 10 nm de grosor. La membrana plasmática funciona como una barrera selectiva entre el interior de la célula y su entorno. Esto significa que todas las moléculas que penetran o salen de ellas pasan a través de la misma; llamándose permeabilidad. En las distintas etapas del desarrollo de la citología se han propuesto diferentes modelos de la membrana plasmática. Actualmente el mas aceptado es el del mosaico fluido propuesto por S. J. Singer y G. Nicolson a principios de la década de 1970. Según este modelo, la modelo, la membrana esta formada por una bicapa de fosfolípidos cuyas colas apolares hidrofóbicas se orientan hacia el centreo de la bicapa entrelazándose, en tanto que los extremos polares que corresponden a las cabezas hidrofilitas se proyectan hacia su superficie interna y externa. Las moléculas de proteína están intercaladas dentro de la bicapa de fosfolípidos. A veces, las proteínas periféricas o las integrales son Glucoproteínas, es decir, proteínas que contienen carbohidratos. Se cree que dichas proteínas desempeñan diversas funciones. Entre ellas, destacan la unión que se establece entre una célula y otra. Mecanismo de transporte Para poder vivir y crecer, las células requieren de un constante suministro de nutrientes, así como también de la eliminación de sustancias de desecho y de los compuestos producidos por la propia célula. Hasta la fecha, y pese a los notables avances científicos desarrollados en las últimas décadas del siglo XX, todavía resultan inexplicables algunos sistemas intracelulares. Transporte pasivo Este tipo de transporte se realiza cuando el acarreo de moléculas a través de la membrana solo responde a las leyes de la física, a favor del gradiente de concentración y sin gasto de energía. Los procesos de difusión y osmosis que en seguida analizaremos son ejemplos de transporte pasivo. Difusión Es el movimiento neto de las moléculas o iones de un medio de mayor concentración a otro de menor concentración hasta que las diferencias se igualen, se alcance el estado de equilibrio dinámico y su distribución sea homogénea en ambos medios. Un ejemplo de difusión es la incorporación de algunas gotas de colorante, de un terrón de azúcar o de unos granos de sal en el agua contenida en un vaso. Difusión facilitada Es otra forma de transporte pasivo en el que ciertas moléculas pasan a través de la membrana plasmática por medio de proteínas acarreadoras o transportadoras integradas a la membrana. Este tipo de transporte las moléculas se desplazan de regiones con más alta concentración a regiones con baja concentración. Osmosis Como se sabe, las células poseen alto contenido de agua en la que se encuentran disueltas sustancias llamadas solutos. Comparando un medio que solo contiene agua y otro donde el agua ya contiene solutos, resulta obvio que en el primero existe mayor concentración de moléculas de agua que en el otro. Esto ocurre así porque en el proceso de osmosis, las moléculas del agua tienen un movimiento al azar a través de una membrana 8 semipermeable, hasta que se equilibran ambos medios. Se llama medio hipotónico al que contiene menor cantidad de moléculas de soluto. El medio hipertónico es aquel que posee mayor cantidad. Un medio isotónico es el que contiene la misma proporción de agua y soluto que la célula. Al colocarse las células en soluciones isotónicas conservan su forma y volumen normales. Transporte activo Contrariamente al transporte pasivo, en el transporte activo l acarreo de iones y moléculas a través de la membrana semipermeable se efectúa contra el gradiente de concentración, con gasto de energía. En el transporte activo, la célula introduce o saca sustancia de un medio de menor concentración a otro de mayor concentración, gastando energía química de la célula. Endocitosis y exocitosis La endocitosis y la exocitosis son mecanismos que transportan materiales del medio exterior al interior de la célula (endocitosis), y del interior al exterior celular (exocitosis) sin atravesar la membrana plasmática. Este tipo de transporte requiere cierto gasto de energía. La endocitosis se inicia con una gradual invaginación de la membrana plasmática, que conduce a la formación de una bolsa membranosa llamada vesícula pinocítica. Se denomina fagocitosis al proceso por el cual la célula engloba material sólido que incorpora a su citoplasma, tal es el caso de la amiba que fagocita microorganismos de menor tamaño. La exocitosis es el proceso contrario a la endocitosis. Consiste en el movimiento de sustancias desde el interior de la célula hacia el medio externo. De esta manera, la célula expulsa diversas sustancias que normalmente secreta. Superficie celular Por lo común, en la superficie externa de la membrana plasmática de la célula animal se localizan moléculas de carbohidratos, proteínas y lípidos. Estas moléculas se encargan d mantener las relaciones entre las células de los tejidos y transportar material a través de la membrana. Además, tienen la capacidad de reconocimiento molecular de las sustancias que se les unen en forma específica. Esta última propiedad de la superficie permite a la célula llevar a cabo otras funciones tales como las que se citan a continuación: • Se ha demostrado que los carbohidratos de la superficie externa de la membrana forman una cubierta denominada glucocálix, la cual determina los tipos sanguíneos en una persona. • En la membrana plasmática de la célula bacteriana se localizan las moléculas de composición glucoproteína, las cuales funcionan como antígenos, es decir, capaces de estimular la producción de anticuerpos como respuesta del sistema inmune del organismo en el que se han incorporado (hospedero). • Otro ejemplo de reconocimiento molecular se efectúa cuando determinada hormona llega hasta la célula blanco donde realizará su acción. Pared celular La cubierta celular en los vegetales recibe el nombre de pared celular. Esta formada por una red de microfibrillas compuestas, de manera fundamental, de celulosa. La principal función de la pared celular consiste en brindar protección y soporte mecánico a la célula. Las bacterias también disponen de una pared 9 celular. Comunicación intracelular La idea de que las células en los organismo pluricelulares tienden a aislarse si ha quedado desechada, ya que se ha descubierto que la organización celular que le da la unidad estructural y funcional a los tejidos depende en gran medida de las llamadas uniones celulares, las cuales permiten la comunicaron intercelular. En las células vegetales esa comunicación se logra a través de puentes que se forman del material citoplasmático llamados plasmodesmos. En los tejidos animales funcionan tres tipos de uniones celulares: • Desmosomas (del griego desmos, enlace, y soma, cuerpo). Están formados por densas placas citoplasmáticas de proteínas a las que se encuentran concentrados filamentos intermedios de células contiguas que mantienen unidas una célula con otra. • Uniones estrechas, eclusivas o estancas. Además de unir a las células, sellan los espacios intercelulares, impidiendo fuga de líquidos entre ellas. • Unión en hendidura, también llamadas a veces uniones comunicantes, perforadas o de tipo gap. A manera de canales propician la comunicación entre células, permitiendo el intercambio de moléculas pequeñas y de iones entre las células adyacentes. Organelos transformadores de energía: cloroplastos y mitocondrias La energía que fluye en el mundo biológico procede originalmente del Sol como fuente d energía radiante. De la cantidad de energía solar que atraviesa la atmósfera, la mayor proporción es absorbida por los cuerpos inorgánicos y reflejada en forma de calor al ambiente. Flujo de energía y metabolismo La energía se ha definido como la capacidad de producir trabajo. Se divide en energía potencial y energía cinética. La primera es la energía almacenada; la segunda es la energía activa. La energía suele manifestarse de diferentes maneras. Las más frecuentes son: mecánica, eléctrica, radiante y química. • Energía mecánica: es la que se emplea para mover algún material. • Energía eléctrica: se manifiesta en el flujo de electrones a través de un conductor • Energía radiante: es como la luz y el calor que viajan en ondas. • Energía química: es la energía almacenada en los compuestos orgánicos. Todos los procesos físicos se rigen por las dos leyes de la termodinámica: • Primera ley de la termodinámica: conocida como principio de la conservación de la energía, establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. • Segunda ley de la termodinámica: señala que todo proceso implica un aumento de la entropía. Esto significa que las transformaciones energéticas nunca tienen una eficiencia total, siempre hay una dispersión de cierta proporción de energía que no se aprovecha. Metabolismo Todas las células de organismos unicelulares o componentes de tejidos en sus funciones transformadoras de energía utilizan los mismos mecanismos que se presentan durante su permanente flujo energético. 10 La serie de reacciones químicas mediante la cual la célula consume o sintetiza moléculas recibe el nombre de metabolismo. El metabolismo consta de dos procesos fundamentales el anabolismo y el catabolismo. Durante el anabolismo se sintetizan moléculas complejas a partir de moléculas sencillas como la polimerización de monosacáridos para formar polisacáridos como el almidón y el glicógeno. Un proceso contrario al anabolismo se presenta en las reacciones del catabolismo, donde las moléculas complejas son degradadas hasta formar moléculas más sencillas. Nutrición y trabajo biológico Por el tipo de nutrición, de los organismos se clasifican en dos grupos: los autótrofos, que producen su propio alimento y los heterótrofos, que dependen de los primeros para alimentarse. Los organismos autótrofos son aquellos que al emplear las formas más simples de carbono como el bióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) producen compuestos orgánicos. Por su parte, los organismos heterótrofos como, los animales y la mayoría de las bacterias requieren de una fuente externa de alimento para subsistir, ya que no poseen la capacidad de sintetizarlo. La célula conserva la energía química útil que posteriormente emplea en las diferentes reacciones que se llevan a cabo en ella. La oxidación consiste en la perdida de electrones de una molécula, tanto que la ganancia de electrones se conoce como reducción. Trabajo biológico El trabajo biológico que realizan los seres vivos, se agrupa en tres tipos: trabajo químico, trabajo de concentración y trabajo mecánico. • Trabajo químico: es efectuado por la célula por medio de los procesos de anabolismo y catabolismo. • Trabajo de concentración: también llamado osmótico, consiste en el transporte que realiza la célula al introducir o eliminar del citoplasma sustancias en contra del gradiente de concentración. • Trabajo mecánico: es realizado por la célula al efectuar sus movimientos como los que lleva a cabo el citoplasma, el desplazamiento de los cromosomas durante la división celular. Por medio de estos tres tipos de trabajo se presenta el flujo de energía en las células. Cloroplastos Son organelos de forma y tamaño variable. Están localizados, en las células de las hojas de las plantas. Contienen clorofila, que es el pigmento verde encargado de absorber la energía luminosa durante el la fotosíntesis. Existen otros platos que desempeñan diversas funciones. Tal es el caso del aminoplasto que almacena el almidón en la papa y el cromoplasto que le de la coloración roja a alguno frutos como el tomate. En las células de las plantas superiores los cloroplastos normalmente posen la forma de disco con un diámetro aproximado de 5 a 8 ðm. Los cloroplastos son organelos formados por una doble membrana. En su interior se localizan el estroma o matriz, ribosomas y enzimas y también se encuentran las pilas de discos membranosos y aplanados, donde se llevan a cabo las reacciones de la fotosíntesis. Las mitocondrias 11 Son cuerpos ovoides o cíclicos de aproximadamente 0.5 a 1.0 ðm de diámetro y poseen una longitud que casi siempre supera los 7ðm. Por lo general, las mitocondrias se encuentran en cualquier célula eucariota aerobia. Se localizan en mayor proporción en las células con mayor actividad como las de las fibras contráctiles del tejido muscular. Las mitocondrias están formadas por una doble membrana lipoproteína, una externa lisa y otra interna replegada formando dobleces en el interior del organelo llamados crestas. Las crestas la dividen en dos compartimientos o cámaras: una externa localizada entre el espacio de las dos membranas y otra interna, limitada por la membrana replegada. Por otra parte, las mitocondrias contienen las enzimas que oxidan los sustratos elementales que se obtienen por la degradación de los compuestos orgánicos. Debido a lo anterior a este organelo se le ha identificado como la central energética de la célula. Fotosíntesis Se define la fotosíntesis como la serie de reacciones que se presenta en las células vegetales, mediante la cual se producen carbohidratos partir de agua y bióxido de carbono en presencia de la energía luminosa del Sol. En este proceso, el CO2 que la célula vegetal fija se reduce al tomar átomos de hidrogeno de la molécula de agua, a diferencia de las bacterias sulfurosas purpúreas que emplean el sulfuro de hidrogeno como agente reductor. Por tanto, en la fotosíntesis de los vegetales los hidrógenos que reducen el CO2 a carbohidratos provienen de la molécula del agua. La luz La longitud de las radiaciones electromagnética de la luz visible se encuentra comprendida entre 400 y 700 nm; inferior a este rango se localizan las radiaciones ultravioleta y superior al mismo, las radiaciones infrarrojas. La luz está formada por ondas de partícula que reciben el nombre de fotones. Cada sustancia tiene su propia capacidad de absorción de la luz, dependiendo de su coloración. La luz reflejada le da el color a los objetos. Como se sabe, los electrones giran en orbítales alrededor del núcleo del átomo. Como consecuencia de su nivel de energía, los más cercanos al núcleo tienen menor energía que los más alejados. Para que un electrón salga de su orbital y ascienda a otro más distante del núcleo se requiere que reciba determinada cantidad de energía y se atraen, ya que el electrón posee carga negativa y el núcleo positiva. Si la energía es suficiente como para mover el electrón a un orbital energético superior, se dice que el átomo está en estado excitado. El descenso del electrón de un orbital de alta energía a su posición original implica la liberación de la energía que tomó del fotón. Cuando el electrón regresa a su estado fundamental o basal puede ocurrir lo siguiente: • Si el electrón retorna rápidamente puede liberar la energía en forma de calor que ya no es útil. • Cuando el tiempo de excitaron ha sido mas prolongado, el electrón puede regresar a sus estado basal, liberando parte de la energía en forma de calor y la otra proporción como luz. • Otra opción es que el electrón al perder su estado de excitación transfiera su energía a otro electrón. La clorofila La clorofila es un pigmento que tiene la capacidad de absorber la energía luminosa del Sol, provocando que 12 algunos de sus electrones abandonen su estado basal y pasen al estado de excitación. La clorofila a es el pigmento implicado en forma directa en las reacciones de la energía lumínica; en tanto que la clorofila b, al absorber luz de distancia longitud de onda de la que absorbe la clorofila a, amplia el rango de luz que una planta puede disponer para las reacciones lumínicas. Los llamados compuesto receptores o transportadores de electrones son una serie de moléculas ubicadas en la membrana del tilacoide del cloroplasto. Su función es aceptar los electrones que han sido elevados a otro nivel de energía, y transferirlos hasta los niveles inferiores para retornar otra vez al orbital de su estado basal. Existe un compuesto encargado de transportar el hidrogeno para reducir el CO2 en glucosa durante la fase oscura de la fotosíntesis, su nombre es nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP) −El NADP es una enzima− Reacciones lumínicas y oscuras El proceso de fotosíntesis se lleva a cabo mediante dos tipos de reacciones: en presencia de la luz, o reacciones lumínicas, y en ausencia de la luz, o reacciones oscuras. Las reacciones luminosas se realizan en los tilacoides de los cloroplastos, constituidos por la serie de membranas internas dispuestas en forma paralele y suspendidas dentro de una sustancia gelatinosa denominada estroma o matriz. Por otra parte, las reacciones oscuras se realizan en el estroma del cloroplasto. Mediante estas reacciones el NADPH reduce el CO2 para la producción de carbohidratos con el empleo de la energía de las moléculas de ATP. Reacciones lumínicas En estas reacciones se sabe de la participación coordinada de dos sistemas de pigmentos sensibles a la luz para la reducción del NADP+, la producción de oxigeno y la síntesis de ATP. Un fotosistema o sistema de pigmentos es una unidad que se compone de moléculas antena que captan la energía luminosa. Un centro de reacciones fotoquímico que transforman la energía luminosa en energía química, y un receptor primario de electrones, que trasfiere los electrones del centro de reacciones a la cadena transportadora de electrones. Los dos fotosistemas se encuentran asociados con sus respectivas cadenas de transportadores de electrones. El fotosistema I es el que se encarga de al reducción del NADP+. En tanto, el fotosistema II se encarga de recibir los electrones procedentes de la fotolisis o descomposición de la molécula del agua, liberándose así el oxigeno molecular al medio. Con la salida de los elementos de los electrones de la clorofila del fotosistema II, la molécula de este pigmento que con un agujero electrónico cargado positivamente, que llega a cubrirse al aceptar los electrones provenientes de la fotolisis el agua. Este proceso consiste en la disociación de la molecular del agua en H+ y OH−, proceso que origina también la liberación del oxigeno molecular al medio. Fotofosforilación acíclica. Los fotosistemas I y II se encuentran interconectados mediante una cadena de trasportadores de electrones. Al excitarse la molécula de clorofila del fotosistema I, sus electrones ascienden al nivel de lata energía y son atrapados por el receptor primario, que los transfiere a una serie de aceptores o transportadores hasta llegar a reducir el NADP+. Fotofosforilación cíclica. La Fotofosforilación cíclica de los electrones se origina en el fotosistema I, a través de la trayectoria que estos describen. Al ser excitados por la luz se elevan a un orbital de alta energía en la 13 clorofila para ser aceptados por el receptor inicial y desviados antes de llegar al NADP+. Reacciones Oscuras Este proceso es llamado también ciclo Calvin en honor al investigador Melvin Calvin, quien en 1945 inició junto a otros experimentadores una seria de importantes trabajos sobre las reacciones oscuras. Durante las reacciones oscuras el NADPH recude el CO2 para la producción de carbohidratos. • Inicialmente, una de las moléculas de ATP transfiere su fosfato terminal al 5−fosfato de ribulosa una pentosa que forma parte del ciclo, convirtiéndose en ADP y el azúcar en 1,5 difosfato de ribulosa • El bióxido de carbono es fijado a la 1,5 difosfato de ribulosa con la participación de la enzima carboxilasa 1,5 difosfato de ribulosa carboxilasa y se forma un azúcar inestable de 6 átomos de carbono que luego se descompone en dos moléculas de tres carbonos llamados ácido 3 fosfoglicérico • Después, dos molécula de ATP fosforilan a los dos 3 fosfoglicérico (PGA) y se forman dos moléculas de ácido 1,3 difosforicérico. • En seguida, los dos 1,3 difosforicérico son reducidos por dos NADPH+ en gliceraldehído 3, fosfato que participa en la síntesis de nuevas molécula de 5−fosfato de ribulosa reiniciándose el ciclo. Respiración Nuestras células requieren de un permanente suministro de energía para realizar su trabajo biológico. Todas las células, emplean algunos materiales obtenidos de os nutrimientos para sintetizar moléculas necesarias para la propia célula, este proceso se denomina anabolismo; otra parte de los nutrimentos son fuente de energía en la respiración celular y con su degradación, llamada cataclismo, libera la energía necesaria para que la célula realice la síntesis y otras actividades. La energía que la célula necesita se encuentra en los polisacáridos, grasas y proteínas contenidos en los alimentos. Durante la respiración celular se degrada, mediante reacciones químicas y la acción de enzimas, los compuestos orgánicos como la glucosa, que es un monosacárido de seis carbonos. Existen dos tipos de respiración: la aerobia, que se realiza con la presencia del oxigeno, y la anaerobia, que no requiere de este elemento. Respiración aerobia En la respiración aerobia se presentan los siguientes procesos: glucólisis, conversión del ácido pirúvico en acetil coenzima A, ciclo de Krebs, cadena transportadora de electrones y quimiósmosis. Glucólisis: se lleva a acabo en el citosol (fluido plasmático de la célula). Por medio de este proceso, que es anaerobio, se rompe la molécula de glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico y se producen ATP y NADH. La glucólisis es una función que se presenta en todos los seres vivos para la obtención de energía. Conversión del ácido pirúvico en acetil coenzima A. Las moléculas de ácido pirúvico obtenidas de la glucólisis pasan del citosol a la matriz mitocondrial, sin antes modificarse través de algunas reacciones químicas. Ciclo del ácido cítrico o de Krebs: en el curso de este ciclo y a través de una sucesión de transformaciones químicas, el ácido cítrico pierde dos moléculas del grupo carboxilo, en forma de bióxido de carbono que se 14 desprenden en la respiración. De esta forma se regenera el ácido oxalacético que reinicia el ciclo. Cadena transportadora de electrones o respiración y quimiósmosis. Las últimas etapas de la respiración celular son la de cadena de transporte de electrones y la síntesis de ATP por quimiósmosis. El proceso quimiosmótico. Parte de la energía que se libera en la transferencia de electrones de la alta energía, a lo largo de la cadena transportadora de electrones, sirve para que tres complejos proteicos bombeen protones (H+) de la matriz al espacio intermembranal de la mitocondria. La elevada concentración de protones en el exterior produce un gradiente electroquímico a través de la membrana que empuja a los protones a regresar a la matriz, esto se realiza por medio de una proteína de canal del complejo ATP sintetasa. La energía que libera el flujo de protones se emplea para que la enzima ATP sintetasa forma ATP, a partir de ADP y fosfato. La mayoría de las moléculas de ATP que se producen en la respiración se obtiene por proceso de quimiósmosis. Respiración anaerobia Durante la primera etapa de este proceso llamada glucólisis, similar a la que se realiza en la respiración aerobia, se degrada la molécula de la glucosa, sin la participaron del oxigeno y se forma dos moléculas de ácido pirúvico, que puede tener los siguientes destinos: • Fermentación alcohólica. Una vez obtenidas las dos moléculas de ácido pirúvico y ante la falta de oxigeno, el ácido pirúvico libera CO2 y se forman dos moléculas de acetaldehído que al reducir por adición enzimático de dos hidrógenos del NADH2, los cuales se producen durante la glucólisis, forman dos moléculas de alcohol etílico mas 2 ATP y 2 CO2. • Fermentación láctica. Por acción de bacterias lácticas, el ácido pirúvico es reducido por el hidrogeno del NADH2 y se forma el ácido láctico y dos moléculas de ATP. Este tipo de fermentación se produce cuando las bacterias agrian la leche. Organelos involucrados en los procesos de síntesis, almacenamiento, transporte intracelular, secreción y nutrición. Retículo endoplásmico y ribosomas El retículo endoplásmico es una bolsa membranosa con una serie de canales o cisternas en su interior. Esta formado por el plegamiento de una estructura laminar lipoproteína, que atraviesa el citoplasma. El sistema de membranas que forma el retículo endoplásmico divide al citoplasma en dos partes: una interna llamada lumenal o intracisternal u otra externa denominada hialoplásmica o citosol. En la fase hialoplasma o citosol se encuentran los ribosomas que son unos gránulos densos, donde se realiza la síntesis de proteínas. Cuando los ribosomas se encuentran adheridos a la pared externa del retículo endoplásmico le dan un aspecto rugoso y por lo mismo se le llama retículo endoplásmico rugoso. El sistema membranoso del retículo endoplásmico rugoso se encuentra dispuesto a manera de pilas, tomando la forma de sacos aplanados. El retículo endoplásmico es más abundante en las células animales. El retículo endoplásmico rugoso es mas frecuente en las células que desarrollan una mayor actividad de síntesis de proteínas. El retículo endoplásmico liso se localiza sobre todo en las células que sintetizan carbohidratos, hormonas esteroides y lípidos. El retículo endoplásmico participa en la síntesis, transformación y transporte de diversos materiales dentro de la célula. 15 Aparato de Golgi Es una estructura que tiene la forma de una pila de sacos o cisternas membranosas lisas y aplanadas localizadas cerca del núcleo. El aparato de Golgi participa en los procesos de secreción celular. Este organelo fue descubierto en 1898 por el italiano Camilo Golgi, quien lo llamó aparato reticular interno. El aparato de Golgi está formado por cúmulos de cisternas apiladas en forma parilla llamados dictiosomas. El aparato de Golgi puede estar formado por uno o varios dictiosomas y en cada uno de estos puede haber entre cuatro y ocho cisternas. Los dictiosomas presentan dos caras: una cara convexa cercana al retículo endoplásmico. Interna Trans y externa cis Aparato de Golgi en sus funciones de tráfico, procesamiento y empacamiento de los productos de secreción En la cara formadora o cis se localizan las pequeñas vesículas denominadas de transición que contienen proteínas y lípidos, las cuales se cree que tienen su origen en el retículo endoplásmico. En la cara distal o trans se localizan las vesículas secretoras grandes. Las vesículas secretoras almacenan el material que la célula expulsa por exocitosis. Este material elimina agua e incrementa la concentración de su contenido en las vesículas secretoras. Se sabe que con la formación de las nuevas cisternas n la cara cis se compensa la perdida de la membrana en la cara trans, con la formación de las vesículas secretoras. El GERL (Golgi endoplasmic reticulum lysosome, por sus siglas en ingles) es la región del retículo endoplásmico, cerca del aparato de Golgi, donde los biólogos creen que se sintetizan las enzimas lisosomales. Lisosomas y nutrición celular Son organelos delimitados por una membrana de estructura heterogénea. Tienen diversas formas y tamaños con una diámetro que oscila entre 0.1 ðm a 0.8ðm. contienen varias enzimas hidrolíticas que intervienen en la digestión intracelular al degradar las sustancias biológicas para transformarlas en moléculas mas pequeñas. Para digerir las moléculas biológicas el lisosoma vierte sus enzimas a una vacuola llamada endosoma participando así en la digestión de proteínas, polisacáridos, lípidos y ácidos nucleicos, contenidos en la vacuola endosoma. Los lisosomas también realizan la función de autofagia (comerse así mismos) cuando las enzimas lisosomales contenidas en las vacuolas fágicas actúan sobre algunos componentes celulares dañados o viejos para ser digeridos. Lisosomas primarios o gránulos de reserva Son las pequeñas vesículas cuyo contenido enzimático aun no realiza su acción en la hidrólisis. Lisosomas secundarios Pueden ser de dos tipos: vacuolas heterofágicas y vacuolas autofágicas. • Vacuolas heterofágicas: se originan de la fusión de los lisosomas primarios con la vacuolas 16 fagosomas citoplasmáticas que se forman por endocitosis al incorporarse algún material extraño en el interior de la célula. • Vacuolas autofágicas: contienen partículas de los componentes celulares como mitocondrias y fragmentos del retículo endoplásmico, que son consumidos por la acción degradadora de las enzimas. En material contenido en los lisosomas secundarios sufre cambios al ser degradado por la acción enzimática. Algunas sustancias que resultan de la digestión de los lisosomas secundarios como los carbohidratos y los aminoácidos tienen cierta importancia biológica. Los peroxisomas Son pequeños cuerpos ovoides delimitados por una membrana. Se les asigno el nombre de peroxisomas al descubrir que contenían enzimas oxidasa, cuya función es la de transferir los átomo de hidrogeno l oxigeno molecular, formando peroxido de hidrogeno. Se cree que los peroxisomas se originan en el retículo endoplásmico liso. Con frecuencia se localizan cerca de las mitocondrias y los cloroplastos. Las vacuolas Son cuerpos parecidos a burbujas, limitadas por una membrana. El contenido de las vacuolas es químicamente variable, dependiendo de la célula donde se encuentren. Son sustancias en solución o suspensión, algunas veces formadas de material alimenticio otras de desechos del metabolismo celular. Del DNA a las proteínas En las procariotas, el DNA se encuentra en el citoplasma, en tanto que en las eucariotas se localiza dentro de sus organelo más prominente: el núcleo, ubicado casi siempre en la parte central de la célula. El núcleo se encuentra delimitado por una membrana doble llamada membrana o envoltura nuclear, la cual posee poros que permiten el paso de materiales hacia el interior y el exterior del mismo. El material contenido en el núcleo recibe el nombre de jugo nuclear o nucleoplasma. Los cromosomas se hacen más visibles durante la división celular. Los cromosomas están formados por DNA y proteínas como la histona; ésta se encuentra formada por aminoácidos como lisina y arginina. En los cromosomas se encuentran los genes fondos por DNA y que son los que determinan los caracteres hereditarios del organismo. Dentro del núcleo se localizan uno o varios corpúsculos llamados nucleótidos. El nucleolo contiene RNA y proteínas, participa en la formación de los ribosomas y en la trascripción del RNA ribosomal. Se dice que el núcleo regula el metabolismo y el crecimiento de la célula porque es él se encuentra el DNA que transmite la información genética al RNA. Por otra parte, también el DNA regula la reproducción celular al replicar copias exactas de su molécula, portadora de la información genética que se hereda a las células hijas. Estructura y función del DNA 17 Uno de los principales objetivos de los biólogos de la primera mitad del siglo XX fue descubrir la composición del material hereditario. Para entonces ya se sabía que se trataba de los genes. Además, se sospechaba que ese material hereditario lo contenía la nucleína, una sustancia descubierta en 1869 por Friedrich Miescher en el núcleo de las células de pus de apósito quirúrgicos. Sin embrago, se desconocían tanto sus estructura molecular como su función. En 1953, con el descubrimiento de la estructura molecular del DNA por James Watson y Francis Crick nació la genética molecular que no solo ha dado un extraordinario impulso al desarrollo de esta disciplina biológica, sino también ha fundamentado las demás ramas de la biología al permitir el abandono de antiguos esquemas teóricos para adoptar las bases que han integrado a todas las ramas de esta ciencia en una sola denominada biología molecular. Primera aportaciones Principio transformante En 1928, Federico Griffith, al experimentar con las bacterias neumococos Diplococcus pneumoniae causante de la neumonía bacteriana, llegó a la conclusión de que éstas cambian sus caracteres hereditarios cuando adquieren los genes de otras bacterias. A eso se le llamó principio transformante. El DNA es el material genético El experimento que identificó definitivamente al DNA como el material genético fue realizado en 1952 por A. D. Hershey y M. W. Chase, con bacteriófagos T2 que atacan a las bacterias Escherichia coli. Los bacteriófagos o simplemente fagos son los virus que infectan a las bacterias. El experimento que realizaron consistió en desarrollar bacteriófagos en un medio con azufre radiactivo y fósforo radiactivo. Dado que las proteínas contienen azufre en sus aminoácidos y no fósforo, mientras los ácidos nucleicos contienen fósforo y no azufre, tanto el DNA como las proteínas quedaron marcados de manera radiactiva. Al infectar los bacteriófagos radiactivos en la E. Coli, quedó demostrado que sólo inyectaban el DNA, mientras la cápsula de proteína que rodeaba al DNA permanecía fuera para después ser separada de la bacteria con una licuadora. Muchos fueron los intentos realizados para descubrir la estructura del DNA. Algunos, resultaron una valiosa aportación para que Watson y Crick diseñaran el modelo de la doble hélice. En 1950, E. Chargaff, al analizar los compuestos del DNA, descubrió que entre las bases de esta molécula hay cierta relación. En 1951, Linus Pauling diseñó la estructura tridimensional del hélice alfa (ðð de las proteínas, donde l cadena de aminoácidos se encuentra unida por puentes de hidrógeno, enrollada sobre su propio eje en forma de hélice. Por su parte, Maurice Wilkins y Rosalind Franklin se propusieron encontrar la estructura del DNA por medio del análisis de la difracción por rayos X al atravesar los cristales de esta molécula. La doble hélice En 1953, empelando la información disponible sobre el DNA, especialmente el patrón de difracción por rayos 18 X, james D. Watson y Francis H. C. Crisk propusieron el modelo de la doble hélice para la estructura de esta molécula: formada por dos cadenas de polinucleótidos helicoides, con giro a la derecha, enrollada sobre una mismo eje central, constituyendo una doble hélice. Las bases de ambas cadenas se unen por puentes de hidrogeno. Entre la adenina (A) y la timina (T) se formando dos puentes de hidrogeno, mientras entre la guanina (G) y la citosina (C) se forman tres. Entre las características mas destacadas del modelo de la doble hélice se encuentran las siguientes: • Las dos cadenas de polinucleótidos forman helicoidal (doble hélice) • El diámetro de la doble hélice es de 20 A (2nm) • Por cada diez pares de bases, la doble hélice de una vuelta completa • La distancia que hay en la hélice entre un nucleótido y otro es de 3.4 A (.34nm) • Las bases nitrogenadas se orientan hacia el interior en tanto que la pentosa y el fosfato lo hacen hacia el exterior. • La complementariedad de las cadenas consiste en que la base A del nucleótido de una cadena se une a la base T de cadena opuesta por dos puentes de hidrogeno, en tanto que la G lo hace con la C mediante tres. • Las dos cadenas de polinucleótidos se mantienen unidas por los puentes de hidrogeno. • Las dos cadenas de nucleótidos tienen una orientación antiparalela. Replicación del DNA La importancia de la replicación del DNA radica en que explica la forma en que molecularmente se transmite la vida. De este modo, los organismos al reproducirse transmiten a sus descendientes una colección completa de sus genes, cada uno de los cuales es portador de una secuencia nucleotídica inalterada. Replicación semiconservativa del DNA Con el descubrimiento de la molécula del DNA como una doble cadena de nucleótidos en forma helicoidal y la complementariedad de las bases se predijo que una de sus propiedades era la capacidad para replicarse al haber división celular. En 1957, Matthew S. Meselson y Frankiln W. Stahl confirmaron la hipótesis de la replicación semiconservativa al detectar que la posición adoptada por las dos cadenas del DNA se ajustaba a ese modelo. Síntesis subdireccional y semidiscontinua La replicación o síntesis del DNA se inicia cuando ciertas enzimas reconocen el punto de origen de replicación. En este proceso es importante la orientación antiparalela de las dos cadenas. Conforma se va desenrollando la doble hélice, una cadena llamada adelantada o líder se sintetiza en forma continua en dirección al punto de bifurcación de las dos cadenas moldes, la otra llamada atrasada o discontinua se sintetiza en sentido opuesto, a partir del punto de bifurcación hacía afuera y lo hace por fragmentos, llamados fragmentos de Okazaki. Enzimas que participan en la replicación En la replicación del DNA participan varias enzimas, entre las cuales sobresalen las que se menciona a continuación: 19 • La enzima DNA polimerasa, también conocida como replicasa es la encargada de aparear las bases complementarias a la cena molde. • Las enzimas helicasas, se abren por delante de la horquilla de replicación la doble hélice de DNA. • Las enzimas topoisomerasas deshacen el enrollamiento de las dos cadenas mediante el corte transitorio de un enlace fosfodiéster de una cadena de DNA, lo que facilita la eliminación de nudos. • La enzima DNA ligasa, sella hendiduras entre dos nucleótidos adyacentes, como las discontinuidades que se originan entre los fragmentos de Okazaki. Mutación La replicación o duplicación del DNA casi siempre es inalterable, pues mediante ella se aseguran la continuidad de la información genética de una generación a la siguiente. Las mutaciones que en forma gradual y continua se han presentado en los genes de las poblaciones de organismo con el correr del tiempo, mimas que les han permitido adaptarse a las condiciones de su ambiente. Síntesis de proteínas El DNA es la molécula portadora de la información de la información genética. Se autorreplica durante la división celular formando copias de la información que se transmite a las nuevas células. Las características que hacen diferentes al RNA del DNA son las siguientes: • En lugar de la pentosa desoxirribosa tiene ribosa, que también es monosacárido de cinco carbonos • De sus cuatros bases nitrogenadas difiere en una: en lugar de timina tienen uracilo. • Generalmente se encuentra como cadena sencilla a diferencia del DNA que casi siempre es doble. En el proceso de la síntesis proteica participan tres tipos de RNA: el RNA mensajero (mRNA), el RNA ribosomal (rRNA) y el RNA de transferencia (tRNA). RNA mensajero (mRNA) Es la molécula que transporta el mensaje transcrito de una de las cadenas del DNA en forma de código. Cada vocablo del código consta de un triplete de un nucleótido llamado codón, y cada codón especifica a uno de los 20 aminoácidos. RNA ribosomal (rRNA) Es las eucariotas se transcribe en el nucléolo y después se procesa para originar cadenas de nucleótidos funcionales de menor longitud que se ensamblan en el ribosoma. Los ribosomas son gránulos citoplasmáticos con un diámetro aproximado de 23 nm. RNA de transferencia (tRNA) Funciona como un adaptador de aminoácidos durante la síntesis de polipéptidos. En 1957, la necesidad de conocer como se descifraba el mensaje del RNA motivó a Francis Crick a proponer la teoría de la molécula adaptadora. Esta teoría propone la necesaria presencia de una molécula que fuera capaz de unirse y transportar un aminoácido específico y, así, descifrar la clave del mensaje del codón. Trascripción La trascripción es el proceso por medio del cual se sintetiza el RNA a partir de una de las cadenas de RNA 20 que le sirve de molde. La trascripción se inicia cuando la enzima RNA polimerasa reconoce y se une al promotor haciendo que aproximadamente una o dos vueltas del DNA se desenrollen y las cadenas se separen. Una vez transcrito el segmento de bases en el RNA, las cadenas del DNA se vuelven a cerrar recobrando su forma helicoidal, en tanto que el segmento siguiente se desenrolla, continuando así la trascripción. Maduración del RNA El proceso de maduración del mRNA en eucariontes consiste en que por medio de una transformación postranscripcional le son retirados los intrones y ligados por mecanismos de empalme los exones. Traducción En este proceso se descifra el mensaje que lleva el mRNA al ribosoma para la síntesis de polipéptidos. Se inicia cuando el mRNA une su extremo 5' a la subunidad más pequeña del ribosoma, quedando alineado el codón iniciador: AUG en el sitio receptor o peptidílico (P), del lado izquierdo del ribosoma. El mensaje genético va a se descifrado durante la traducción en la dirección: 5´ El proceso de traducción termina cuando se llega a uno de los codones que indican la terminación del mensaje: UAG, UGA, UAA, con lo que las dos subunidades del ribosoma se separan, la cadena polipeptídica se libera del ribosoma y las dos subunidades se encuentran en posibilidad de unirse a una molécula de mRNA. El código genético La secuencia de nucleótidos de un gen en una de las cadenas de DNA determina la secuencia de aminoácidos de una proteína. En el código genético se señala la relación de tres nucleótidos llamados tripletes o codón para la especificaron de cada uno de los 20 aminoácidos. El código genético se lee de la siguiente manera: la primera letra de casa codón esta en la columna de izquierda; la segunda en la parte superior y la tercera, al lado derecho. Concepto actual del gen Se sabe que casa carácter que posee el organismo le ha sido transmitido de sus progenitores a través de los genes. El olor de los ojos y de la piel, la estatura, hasta enfermedades son caracteres que se heredan de padre a hijos por la información que s transmite mediante los genes. En 1865, Gregorio Mendel, al experimentar con las plantas de chícharo, descubrió que los caracteres de los progenitores se transmitían a los descendientes por medio de lo que él llamó factores hereditarios y que en 1909 Wilhem Johannsen identificó como genes. Los genes están formados por DNA y se localizan dentro de las células en las estructuras llamadas cromosomas. Se afirma que el gen es el segmento del DNA que se encarga de especificar un polipéptido, esto significa que en la secuencia de aminoácidos de un polipéptido está l expresión de la secuencia nucleotídica del DNA que forma al gen. Se calcula que solamente entre 3 y 5% del DNA son genes. 21 Todas las células disponen de los mismos genes aunque no todos funcionen al mismo tiempo, ya que unos se bloquean mientras otros se activan. El doctor Francisco Bolívar Zapata, destacado científico mexicano, hace la comparación de la ubicación y funcionamiento de los genes en la molécula de DNA con la casinos grabadas en una cinta magnetofónica. Citoesqueleto y sistema de movimiento celular A pesar de conocerse que el material fundamental o matriz citoplasmática de la célula reunía las características de una substancia en estado coloidal durante mucho tiempo se ignoró que estuviera formada por una armazón que la estructura, le da forma y participa en el movimiento celular. Los microtrabéculos forman el Citoesqueleto integrado por los filamentos y los microtúbulos, cuya función consiste en servir de armazón para sostener los organelos celulares, dándole la forma a la célula y participando de sus movimientos. Los espacios intertrabeculares son acuosos y permiten la difusión de pequeñas moléculas como la glucosa y ciertos aminoácidos que participan en el metabolismo celular. Microfilamentos Formados principalmente por la proteína actina, se hacen presentes en el surco que se forma durante la contracción de la parte media de la célula animal durante la mitosis. En los movimientos amiboideos de ciertas celular, también se han identificado estos filamentos. Microtúbulos Formados principalmente por l proteína denominada tubulina, se originan cerca del núcleo en la centrósfera lo que hace suponer que esta región es su principal organizador. Participan en la estructura y función de los centrómeros, en los flagelos y cilios, en los procesos de endocitosis y exocitosis y en los movimientos de los cromosomas durante la mitosis y la meiosis. Los flagelos y cilios son pequeñas prolongaciones que sirven como medios de locomoción a lagunas células. Los flagelos son largos y escasos, en tanto que los cilios son cortos y numerosos. Centríolos Estas estructuras, son pequeños cuerpos localizados cerca del núcleo, especialmente de la célula animal. Cada unión está formada por nueve tripletes de microtúbulos, dispuestos en forma paralela formando un cilindro. Los centríolos y los cuerpos basales, son los centros que participan en la formación de los microtúbulos. La formación de un nuevo centríolo cerca de uno ya existe sugirió por muchos tiempo la idea de que los centríolos llegaban a dividirse al formarse el huso acromático durante la división celular. En las células portadoras de dos centríolos, estos se separan y emigran en dirección opuesta en el núcleo al iniciarse la división celular, extendiéndose el huso mitósico o acromático a partir de una área cercana a cada centríolo. Reproducción 22 Las nuevas células se forman a partir de las que ya existen]; estas s dividen cuando crecen y llegan a la madurez. En organismos relativamente sencillos como las bacterias, la división se realiza por bipartición. En los organismos multicelulares, las células somáticas se dividen por mitosis y en la reproducción sexual los gametos se forman por meiosis. Por medio de la mitosis se desarrolla el nuevo organismo pluricelular a partir del cigoto o de la espora. Asimismo, crecen y se reponen los tejidos que mueren. Mitosis Recibe el nombre de mitosis el proceso de división celular por medio del cual se duplican los cromosomas del núcleo, dividiéndose también el citoplasma para formar dos celular hijas con similar material genético y citoplasmático que la célula progenitora. Los requisitos que se requieren para que la célula pueda dividirse son dos: • Durante la fase S de la interfase debe replicarse el DNA de los cromosomas para que estos puedan ejecutar la seria de movimientos que realizan durante la mitosis. • Se requiere también de la división del citoplasma en la etapa del proceso, de tal suerte que cada célula hija herede igual cantidad de citoplasma y organelos. La mitosis se divide en las siguientes etapas: profase, metafase, anafase y telofase. Profase La cromatina que se encuentra distribuida en el núcleo a manera de red de finos filamentos se condensa, engrosándose y acortándose para formar los cromosomas bien definidos. Metafase El huso ha quedado formado entre los centríolos y ha desaparecido la membrana nuclear. Los cromosomas se adhieren a las fibras del huso mediante sus centrómeros en el plano ecuatorial de la célula. Anafase Se divide cada centrómero y las fibras se contraen propiciando que las cromátidas se separen siguiendo el desplazamiento de sus centrómeros. Las cromátidas se dirigen hacia los polos opuestos del huso. Telofase En esta etapa, los procesos de la profase se presentan en sentido inverso: se forma la membrana nuclear en cada célula hija, aparecen los nucléolos, los cromosomas adquieren la configuración filamentosa de la cromatina y desparece el huso mitósico. Interfase Es la etapa que presenta la célula entre división celular y la siguiente. Los cromosomas se encuentran en forma de cromatina en el núcleo, formando una red. El núcleo posee su membrana y nucléolos. Meiosis La meiosis o división celular por reducción se presenta en células reproductivas o sexuales. Mediante ella se lleva a cabo una división de los cromosomas y dos divisiones sucesivas del núcleo de la célula. 23 La importancia de la reducción cromosómica de la meiosis consiste en que los gametos son portadores únicamente de la mitad del número de cromosomas. Primera división meiótica Profase I. Se divide en cinco subfases: leptona, cigotena, paquitena, diplotena y diacinesis. • Leptotena: la cromatina se condensa formando largos filamentos que se engruesan y fragmentan formando los cromosomas. • Cigotena: los cromosomas homólogos se alinean para formar lo que en la actualidad se llaman cromosomas bivalentes y que se denominaban tétradas porque cada cromosoma que se une a su homologo consta de dos cromátidas unidas por un centrómero. • Paquitena: se concluye la unión se los cromosomas homólogos • Diplotena: se separan los cromosomas homólogos • Diacinesis: los cromosomas se condensan y engrasan, los quiasmas se destruyen y se inicia el rechazo entre los cromosomas homólogos, el cual terminará en la metafase I con la separación de los cromosomas homólogos. Metafase I. Se forma el huso. Los cromosomas bivalentes se sitúan sobre la placa ecuatorial de la célula. Anafase I. Los cromosomas se separan de su homologo y se dirigen hacia cada polo del huso Telofase I. Los cromosomas homólogos llegan a cada polo formando dos núcleos celulares, con la correspondiente división citoplasmática. Segunda división meiótica Profase II. Los cromosomas se condensan y se hacen visibles. Metafase II. Se alinean los cromosomas en la placa ecuatorial y sus centrómeros se encuentran unidos a las fibras en cromosomas. Anafase II. Cada cromosoma duplica su centrómero y las cromátidas gemelas se separan, convirtiéndose en cromosomas. Telofase II. Los cuatro juegos de cromosomas separados forman cuatro núcleos, cada uno delimitado por una membrana nuclear. 24 25