temas selectos de biología i

TEMAS SELECTOS
DE BIOLOGÍA I
Rosalino Vázquez Conde
Rosalino Vázquez López
PRIMERA EDICIÓN EBOOK
MÉXICO, 2014
GRUPO EDITORIAL PATRIA
info
editorialpatria.com.mx
www.editorialpatria.com.mx
Dirección editorial: Javier Enrique Callejas
Coordinación editorial: Alma Sámano Castillo
Diagramación: Perla Alejandra López Romo
Diseño de portada: Juan Bernardo Rosado Solís
Ilustraciones:José Luis Mendoza Monroy, Perla Alejandra López Romo,
Rosalino Vázquez Conde y Rosalino Vázquez López
Imágenes: Jupiter Images Unlimited, Perla Alejandra López Romo
Agradecimiento especial a la Dra. Lilia Robert Guerrero y a la Q.F.B. y M. en C. Sandra
Solano Gálvez de la Facultad de Medicina de la UNAM por su apoyo al proporcionarnos
imagenes de laboratorio. Agradecimiento al C. Dentista Fernando Carbajal Ezquivel por las
imágenes de espécimes acuáticos proporcionadas.
Hacemos un reconocimiento especial a las siguientes personas e instituciones por el permiso
de reproducción de imágenes:
Michael Peres, Biomedical Photographic Communications; Cecilia Koenig, Universidad
Católica de Chile; Mark Bear, Professor of Neuroscience;University of UTA Hospital.
Revisión Técnica:
Laura Lauría Baca
Temas selectos de biología I
Derechos reservados:
©2014, Rosalino Vázquez Conde y Rosalino Vázquez López
©2014, GRUPO EDITORIAL PATRIA, S.A. de C.V.
Renacimiento 180, Col. San Juan Tlihuaca,
Delegación Azcapotzalco, Código Postal. 02400, México, D.F.
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana
Registro núm. 43
ISBN ebook: 978-607-744-019-2
Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente
obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y
por escrito del editor.
Impreso en México
Printed in Mexico
Primera edición ebook: 2014
PRESENTACIÓN .................................................................................
1
LA INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA ..................................................
2
INTRODUCCIÓN ................................................................................
1.1 LA BIOLOGÍA ACTUAL EN EL MUNDO Y EN MÉXICO .............
1.2 LA TECNOLOGÍA AL SERVICIO DE LA CIENCIA .....................
1.3 EL DISEÑO DE UNA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA ................
1.3.1 Avances tecnológicos de la región .....................................
4
4
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22
PROCESOS CELULARES .....................................................................
32
INTRODUCCIÓN.................................................................................
2.1 PROCESOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA ...
2.1.1 Modelo del mosaico fluido .................................................
2.1.2 Transporte pasivo ..............................................................
2.1.3 Transporte activo ...............................................................
2.1.4 Exo y endocitosis ...............................................................
2.2 PROCESOS DE COMUNICACIÓN CELULAR ..............................
2.2.1 Transmisión del impulso nervioso.....................................
2.3 PROCESO DE DIFERENCIACIÓN CELULAR...............................
2.3.1 Capas germinales de animales ...........................................
2.3.2 Células madre y su aplicación ...........................................
2.3.3 Desarrollo de tejidos animales...........................................
2.3.4 Tejidos vegetales: meristemático, epidérmico,
vascular y fundamental......................................................
2.3.5 Cultivo de tejidos y sus aplicaciones .................................
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BIOLOGÍA MOLECULAR ....................................................................
88
3.1 RESPUESTA INMUNE Y OTRAS DEFENSAS ................................
3.1.1 Barreras primarias .............................................................
3.1.2 Respuesta inflamatoria.......................................................
3.1.3 Respuesta inmune humoral y celular.................................
3.1.4 Antígenos y anticuerpos ....................................................
3.1.5 Grupos sanguíneos ............................................................
90
90
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110
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III
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA I
3.1.6 Vacunas .............................................................................. 117
3.1.7 Trasplantes......................................................................... 120
3.2 ENZIMAS ....................................................................................... 123
3.2.1 Sitio activo y sustratos ....................................................... 124
3.2.2 Enzimas alostéricas............................................................ 129
3.2.3 Factores que afectan la rapidez de las reacciones
enzimáticas......................................................................... 129
3.2.4 Desnaturalización de enzimas .......................................... 129
3.2.5 Importancia de las enzimas en los procesos biológicos ..... 131
3.3 ÁCIDOS NUCLEICOS ................................................................... 135
3.3.1 El ADN. Estructura y función en células procariotes
y eucariotes.......................................................................
135
3.3.2 El ARN. Proceso de síntesis de proteína ............................. 149
3.3.3 Procesos de control de la expresión génica........................ 156
3.4 BIOTECNOLOGÍA ......................................................................... 170
3.4.1 Procesos microbiológicos ................................................... 173
3.4.2 Técnicas de ingeniería de genética: PCR, técnicas de ADN
recombinante..................................................................... 179
3.4.3 Productos obtenidos: transgénicos, vacunas, enzimas....... 187
3.4.4 Terapia génica: tratamiento del cáncer y otras
enfermedades..................................................................... 189
3.4.5 Bioética .............................................................................. 190
IV
En la presente obra —Temas Selectos de Biología I— los autores buscamos exponer de
forma clara, accesible y actualizada tópicos de alta relevancia en el mundo de las Ciencias Biológicas, con el fin de que el alumno de bachillerato refuerce sus conocimientos
básicos de esta ciencia y los amplíe con nuevos temas para que se vaya adentrando a la
antesala del terreno profesional.
Los temas son abordados de una manera analíticamente sencilla partiendo desde lo más
elemental hasta llevar al alumno a un nivel de profundización más alto. Dichos temas
coinciden totalmente con el programa de la DGB para esta materia y las unidades que
componen esta obra son las siguientes:
Unidad 1. Investigación en Biología. Uno de los planteamientos que surgen al estudiar
la serie de avances tecnológicos y científicos que ha tenido la humanidad es, ¿de qué
forma han influido la ciencia y la tecnología en nuestro que hacer cotidiano? Es por ello
que en esta unidad se abordan los diversos avances, preponderantemente en el área de
las Ciencias Biológicas a nivel mundial, nacional y regional, para así propiciar el terreno
de la discusión y el análisis en clase.
Unidad 2. Procesos celulares. Partiendo del estudio de los procesos membranales de
transporte se puede llegar a comprender más acerca del mecanismo de transmisión del
impulso nervioso y el estudio de la neurona, así como la diferenciación y la especialización celulares.
Unidad 3. Biología molecular. Existen grandes áreas científicas que han tomado gran
importancia en los últimos años y que representarán un gran nicho de inversión por
parte de la industria farmacéutica, de universidades y del gobierno, y por consecuencia
una oportunidad de desarrollo profesional a futuro para el alumno. Dentro de éstas se
encuentran el desarrollo de nuevas vacunas, la investigación en enzimas, la Ciencias
Genómicas y la Biotecnología, entre otras. Por tal motivo, la presente unidad abarca
temas relacionados con la respuesta inmune, vacunas, trasplantes, la estructura de las
enzimas, su función y los diferentes tipos de ellas, la estructura del ADN y ARN, los
sistemas de control de expresión y su empleo en la Biotecnología.
Al término del semestre, el alumno tendrá una visión más amplia de los procesos
celulares y moleculares de mayor relevancia para poder así entender más la realidad
de la investigación en Ciencias Biológicas y con ello sus áreas de oportunidad para el
desarrollo profesional.
Los autores deseamos que la presente obra se torne un aliado del profesor en un su noble
labor durante el proceso de enseñanza-aprendizaje, para ello cuenta con diversas secciones que contribuyen a ampliar el panorama del alumno con respecto a la investigación
científica en el área biológica que acontece en su país, así como también cuestionarios y
otros recursos evaluativos y de formación práctica.
1
La investigación en biología
Contenido
Tema 1.1
LA BIOLOGÍA ACTUAL EN EL
MUNDO Y EN MÉXICO
Tema 1.2
LA TECNOLOGÍA AL
SERVICIO DE LA CIENCA
Tema 1.3
EL DISEÑO DE UNA
INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA
Objetivo
El estudiante desarrollará
un proyecto de investigación
en biología, a partir de la
consulta sobre los avances
recientes que se han logrado
en este campo, recuperando
la importancia del uso de la
tecnología, distinguiendo el
papel del microscopio y las
computadoras como medios de
apoyo para desarrollar planes
de investigación que le aporten
referentes para aplicar los
pasos del método científico,
mostrando una actitud
participativa y de colaboración.
Unidad 1
UÊ Describe en forma breve el descubrimiento
que le dio mayor impulso a la biología en la
segunda mitad del siglo XX.
UÊ ¿Cuáles son las instituciones de investigación
biológica en nuestro país?
UÊ ¿Qué importancia tiene el microscopio
compuesto (como el que usas en el
laboratorio) para el estudio de la biología?
UÊ ¿Cuáles son las propuestas de la teoría
celular y qué importancia tuvieron para el
desarrollo de la biología?
UÊ ¿Qué diferencias hay entre una preparación
fija y una temporal?
UÊ Menciona el nombre de los instrumentos de
mayor uso en tu laboratorio de biología y
especifica su uso.
UÊ ¿Qué utilidad le has hallado a la
computadora para tus estudios biológicos?
UÊ Describe algún avance biotecnológico que
hayas observado en tu región.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA I
INTRODUCCIÓN
Se afirma que la ciencia —entendida ésta como la manera de organizar e informarse respecto del medio natural— es tan antigua como la especie humana que fue su creadora.
Las observaciones que nuestros lejanos antepasados hicieron del comportamiento de los
animales que cazaban, de los ciclos estacionales de las plantas de las que obtenían los
frutos que comían y de las primeras alteraciones que hicieron de su medio natural para
asegurar su subsistencia, posiblemente les hayan reportado los primeros conocimientos
para comprender su ambiente natural, los cuales pueden ser considerados como antecedentes de los conocimientos científicos.
El concepto y los objetivos de la biología se han ido modificando a través de las distintas
etapas sociales. En un periodo inicial tuvo un nivel descriptivo, en el cual se fueron
descubriendo la estructura y la función de los sistemas que se estudiaban, con lo que se
fue presentando una acumulación en los conocimientos, siendo sustituida después por
nuevas aportaciones. Un segundo nivel ha sido el experimental, en el que el científico
trata de confirmar su hipótesis por medio de la observación y la experimentación, de
cuyo método han derivado los conocimientos para establecer principios o leyes. En un
tercer nivel se ubica hoy la tecnología, que de manera interdisciplinaria y por técnicas sofisticadas logra obtener de los conocimientos científicos beneficios para la humanidad.
Es innegable el importante papel que desempeñan los conocimientos científicos en el
desarrollo de los pueblos, su apoyo radica esencialmente en la ciencia, la tecnología y
la información, las cuales se logran a través de la educación. En nuestro país, las instituciones oficiales de educación superior representan una buena opción para un mayor
número de nuestros jóvenes, quienes quieren realizar una carrera científica.
1.1 LA BIOLOGÍA ACTUAL EN EL MUNDO Y EN MÉXICO
Durante el siglo XX, la biología tuvo un extraordinario desarrollo, gran
parte de ello se debió al enfoque interdisciplinario e integrador que
adquirió esta ciencia al auxiliarse de otras disciplinas como la fisiología,
la genética, las matemáticas y en especial de la química y la física, de
cuyo apoyo resultaría la biología molecular, que tuvo un impresionante
avance durante este periodo.
Las principales aportaciones científicas de la biología en el siglo XX
fueron:
En 1900, el holandés Hugo de Vries, el alemán Carl Correns y el
austriaco Erich Tschermak, redescubrieron en forma independiente el
artículo olvidado de Gregor Mendel, sobre los mecanismos de la herencia (experimentada con plantas de chícharo), publicado en 1865 y que
coincidía con los descubrimientos que habían obtenido (fig. 1.1).
Figura 1.1
Gregor Mendel estableció las leyes
fundamentales de la herencia.
En los primeros años del siglo XX, el fisiólogo ruso Ivan Pavlov realizó
importantes estudios sobre aprendizaje asociativo a través de sus experimentos de condicionamiento clásico, con los cuales descubrió que
4
LA INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA
Figura 1.3
Thomas Hunt Morgan realizó
experimentos con la mosca de la fruta
o Drosophila melanogaster y comprobó
que la información hereditaria se
encuentra en los cromosomas.
Figura 1.2
Experimento de Pavlov por el cual condicionó al perro a
asociar el alimento con el sonido de una campana.
al alimentar a un perro al mismo tiempo que hacía sonar una campana, éste producía
saliva con sólo escuchar el sonido, ya que llegó a relacionar el alimento con la campana
(fig. 1.2).
En 1902, Walter S. Sutton señaló la relación que había entre la segregación de los factores
hereditarios, propuesta por Mendel, con la separación de los cromosomas homólogos
de la meiosis.
En 1905, Edmund B. Wilson y Nettie M. Stevens identificaron en insectos los cromosomas X y Y.
En 1910, Thomas Hunt Morgan, al experimentar con la mosca Drosophila melanogaster,
descubrió que algunos caracteres ligados al sexo se heredan, y concluyó que la información hereditaria se localiza en los cromosomas al demostrar que los caracteres ligados
al sexo se encuentran en el mismo cromosoma. En 1933 recibió el premio Nobel de
fisiología por demostrar que la información hereditaria se transporta en los cromosomas
(fig. 1.3).
En 1924, el bioquímico ruso Alexander I. Oparin propuso su teoría sobre el origen
abiótico de la vida, a partir de la materia orgánica del medio acuático sintetizada de los
compuestos de la atmósfera secundaria de la Tierra.
En 1928, el bacteriólogo escocés Alexander Fleming descubrió, en forma accidental, la
penicilina. Cierto día de ese año Fleming encontró que su cultivo de bacterias estafilococos
(Staphylococcus aureus) se había contaminado con hongo Penicillium notatum. Observó que
las bacterias no habían crecido alrededor del hongo, lo que le hizo suponer que posiblemente el hongo liberaba alguna sustancia que inhibía el crecimiento de las bacterias.
5
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA I
Después comprobó su hipótesis y del extracto que se obtuvo de este hongo se fabricó la
penicilina, antibiótico que se emplea para combatir infecciones de origen bacteriano.
En 1928, el bacteriólogo inglés Frederick Griffith descubrió el principio transformante por
el cual las cepas no virulentas de Streptococus pneumoniae pueden cambiar a cepas virulentas,
lo que en 1944 quedó demostrado con la identificación del ADN (ácido desoxirribonucleico) como la molécula que transmite la información hereditaria por medio de los análisis
químicos realizados por Oswald T. Avery, Colin M. MacLeod y Maclyn McCarty.
En 1937, Hans Adolf Krebs descubrió el ciclo del ácido cítrico, por medio del cual los
grupos acetilo se degradan a bióxido de carbono y agua durante la respiración celular
aerobia, con liberación de energía que puede ser utilizada para producir ATP (adenosín
trifosfato). En su honor se conoce al ciclo como Krebs.
En 1941, George W. Beadle y Edward L. Tatum encontraron que un gen particular daba
instrucciones para la producción de una determinada enzima. En su trabajo emplearon el
moho rojo del pan Neurospora crassa y comprobaron que las cepas que no podían crecer
en un medio de cultivo simple eran mutantes nutricionales, con un gen defectuoso que les
impedía tener una vía metabólica para producir un aminoácido. Con base en los resultados
que obtuvieron elaboraron su hipótesis un gen una enzima. La hipótesis de estos genetistas
estadounidenses no sólo ha sido aceptada, sino ampliada, ya que trabajos experimentales
posteriores demostraron que el gen no sólo sintetiza enzimas, sino otros tipos de proteínas,
que se forman de dos o más cadenas de polipéptidos, cada una de éstas la especifica un gen.
Además, algunos genes determinan también la síntesis de moléculas de ácidos ribonucleicos
(ARN). Por sus trabajos Beadle y Tatum recibieron el premio Nobel de fisiología en 1958.
En 1950, Erwin Chargaff descubrió que en el ADN de los organismos de una especie la
cantidad de adenina es igual a la cantidad de timina, y la cantidad de guanina es igual a
la de citosina. Esto se explica porque en las dos cadenas de nucleótidos
del ADN, la adenina va unida siempre a la timina y la guanina a la
citosina. En aquella época, aún se desconocía la estructura del ADN.
En 1952, Alfred Day Hershey y Martha Chase experimentaron con virus
que infectan las bacterias (bacteriófagos), para demostrar que era el ADN
del virus el que permitía la reproducción de nuevos virus dentro de las
bacterias infectadas. Esto indica que el ADN es el sopote de la herencia.
Figura 1.4
Difracción de rayos X del ADN
obtenida por Franklin y Wilkins.
Plenamente convencidos de que era el ADN la molécula portadora de
la herencia biológica, los investigadores se dieron a la tarea de aclarar
su estructura tridimensional. En ésta participaron Linus C. Pauling
y sus colaboradores, quienes en 1951 habían diseñado la estructura
tridimensional de hélice alfa de algunas proteínas, en la que las cadenas
de aminoácidos se hallan dispuestas en forma de hélice, sostenidas por
puentes de hidrógeno entre los giros de la hélice. Rosalind Franklin y
Maurice Wilkins, en el King’s College de Londres, aplicaron en 1951 la
técnica de difracción de rayos X en la investigación de la estructura del
ADN. La imagen obtenida reflejaba que la molécula tenía giros de una
gigantesca hélice (fig. 1.4).
6
LA INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA
En 1953, con la información que ya se tenía, James D. Watson y
Francis C. Crick dedujeron el modelo tridimensional del ADN. Se
trata de una doble cadena de nucleótidos en forma de hélice. Su
aspecto se asemeja a una escalera de caracol, en la cual los pasamanos están formados por moléculas de desoxirribosa y fósforo, y
los peldaños por bases nitrogenadas. Las bases de una cadena se
sostienen por enlaces de hidrógeno con las bases de la cadena
opuesta (fig. 1.5).
En las dos cadenas de polinucleótidos enfrentadas, las bases
quedan hacia el interior y la cadena de azúcar (desoxirribosa) y
fosfato hacia el exterior. Ambas cadenas son complementarias,
de tal manera que la adenina se une a la timina por dos enlaces
de hidrógeno, en tanto que la guanina se empareja con la citosina por tres enlaces de hidrógeno. La doble hélice da una vuelta
completa en el espacio cada 34 ángstrom (Å) (3.4 nanómetros),
en esa vuelta caben 10 pares de bases. En la hélice la distancia
entre un nucleótido y otro es de 3.4 Å (0.34 nm). Las dos cadenas
son antiparalelas, porque mientras una se orienta en dirección
5’3’, la complementaria lo hace en dirección 35’. Watson,
Crick y Wilkins compartieron el premio Nobel de fisiología en
1962 (fig. 1.6).
Figura 1.5
Doble cadena de nucleótidos del ADN.
La química de los ácidos nucleicos conocida como dogma central
de la biología molecular se interpretó en esa época de la siguiente
manera:
a) El ADN conserva la información genética por medio de su
misma replicación.
b) El ADN transmite la información genética por transcripción al
ARN.
c) El ARN realiza la síntesis de proteínas por medio de la traducción del mensaje.
En 1955, Arthur Kornberg aisló y purificó la enzima ADN polimerasa de la bacteria Escherichia coli. Esta enzima es la encargada
de sintetizar la molécula de ADN, es decir, la que hace posible su
replicación.
A principios de la década de 1960, Howard M. Temin detectó la
existencia de la transcripción inversa en ciertos virus. En 1970,
Howard M. Temin y David Baltimore, en forma separada, aislaron
la enzima transcriptasa inversa que, contrariamente a como se
realiza de manera cotidiana, hace posible la síntesis de ADN dirigida por ARN en los retrovirus como el VIH del sida. Por este
descubrimiento en 1975 compartieron con Renato Dulbecco el
premio Nobel de fisiología.
7
Figura 1.6
El modelo de ADN de Watson y Crick,
construido con alambre y hojalata.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA I
En 1966, Har Gobind Khorana, Marshall Warren Nirenberg y Heinrich Matthaei descifraron el lenguaje del código genético, al descubrir que los veinte aminoácidos eran
codificados por el ADN por medio de tripletes de bases llamados codones.
En 1970, Kent Wilcox y Hamilton Smith descubrieron en la bacteria Haemophilus influenzae, la primera enzima de restricción que corta el ADN en sitios específicos.
En 1972, Paul Berg, al emplear una enzima de restricción, cortó el ADN y, al utilizar la
ADN ligasa, enzima que suelda las moléculas del ácido nucleico, unió dos segmentos
de ADN de especies distintas en un plásmido (pequeña molécula circular de ADN de las
bacterias). Con ello se produjo la primera molécula de ADN recombinante y se iniciaron
trabajos de la ingeniería genética que ha permitido aislar y manipular el material hereditario. Después, los modelos experimentales se han empleado en la industria para obtener
productos que benefician a la humanidad, lo que impulsa la biotecnología moderna. Por
ejemplo, en 1978 los investigadores de Genentech y The City of Hope National Medical
Center utilizaron bacterias para producir insulina humana mediante la tecnología del
ADN recombinante. En 1985, Kary B. Mullis y sus colaboradores de la compañía Cetus
dieron a conocer la técnica de la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR, por sus
siglas en inglés), la cual permite amplificar (sacar muchas copias) un segmento de ADN
en poco tiempo.
A mediados de la década de 1980, un grupo de científicos iniciaron el Proyecto Genoma
Humano (PGH), con el propósito de identificar todos los genes del ser humano. Objetivo logrado en febrero de 2001, cuando fueron publicadas con un alto porcentaje de
confiabilidad, las secuencias definitivas del genoma humano.
En 1996, en el Instituto Roslin, cerca de Edimburgo, nació Dolly, la primera oveja clonada a partir de una célula somática (de glándula mamaria).
La clonación de mamíferos ha abierto nuevas perspectivas a la biotecnoloía, a tal grado
que se asevera que el siglo XXI será la era de los clones, ya que existen las posibilidades
de diseñar y desarrollar los organismos con nuevas características y con propósitos de
interés social o económico.
Por una parte, a través del Proyecto Genoma Humano se ha podido precisar la ubicación
de los genes, también ha revelado algunos polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs)
que nos da individualidad genética al definir los caracteres físicos de cada individuo y
su susceptibilidad a determinadas enfermedades, lo que permitirá tomar las medidas
preventivas para que éstas no se desarrollen.
Avances de la biología en el siglo XX en México
En los primeros años del siglo XX, la educación superior se circunscribía sólo a un
reducido grupo social, que tenía un mayor poder económico. La escolaridad de los que
tenían acceso a la educación elemental no superaba los cuatro años.
Fue durante 1920 y 1930 cuando se establecieron las condiciones necesarias para el
desarrollo científico y tecnológico, especialmente en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y en el Instituto Politécnico Nacional (IPN). Por aquellos
años ya se cursaban los estudios de ciencias biológicas en la UNAM, que ya contaba
8
LA INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA
con su Instituto de Biología. En el IPN la carrera de biólogo que se
imparte en la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas fue creada
en 1940.
La inmigración española de 1939 y 1940 fue una importante contribución al desarrollo de la ciencia en México. Llegaron a nuestro país
muchos científicos que no sólo participaron en la investigación, sino
también en la formación de profesionales de la biología.
Otro hecho importante que contribuyó al avance de esta ciencia en
México fue la creación en 1970 del Consejo Nacional de Ciencia y
Tecnología (Conacyt), el cual impulsa y fortalece el desarrollo científico mediante la formación y sostenimiento de investigadores y temas
afines.
En la segunda mitad del siglo XX se incrementó el número de universidades y escuelas de educación superior en el país, en las que
se cursa la carrera de biología. A finales del siglo ya funcionaban
alrededor de cien instituciones que trabajaban sobre distintas líneas
de investigación relacionadas con la biotecnología, así como en la
formación de investigadores. Por ejemplo, los diferentes centros
de investigación de la UNAM, el Centro de Investigación y Estudios
Avanzados (Cinvestav) del IPN, la Universidad Autónoma Metropolitana, los Institutos Tecnológicos Regionales y las Universidades de los
estados de la República.
A pesar del reducido presupuesto que el gobierno federal le destina
a la investigación científica, destacados investigadores mexicanos
han logrado poner muy en alto el nombre de nuestro país en el
contexto internacional de la investigación científica, como lo
demuestran los doctores Francisco Bolívar Zapata y Luis Herrera
Estrella, quienes contribuyeron a la construcción de plantas transgénicas.
Evaluación formativa
1. Analiza los diferentes
descubrimientos biológicos
que se realizaron durante
el siglo XX, describe cuáles
han sido sus aportaciones
y cómo en la actualidad
se siguen viendo o
manifestando sus beneficios.
Menciona al menos cinco
ejemplos de la vida cotidiana
que se relacionen con el
tema y que sean de la vida
cotidiana.
2. Investiga los recientes
avances de la biología en
México y en el mundo;
compara los alcances que
se han tenido en cada caso.
Elabora un reporte en el
que cites las principales
características de cada uno,
mencionando en ejemplos
reales las mejoras que se
han dado en la vida del ser
humano a raíz de dichos
avances.
En México se realizan enormes esfuerzos por participar en el desarrollo de la nueva ciencia genómica (referente al estudio de la totalidad
de información genética de una célula o de un organismo). Por ejemplo, en el Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno (CIFN)
de la UNAM, se obtiene y analiza la secuencia genómica de la bacteria Rhizobium etli, de
acción muy importante en la agricultura, por la fijación que hace del nitrógeno cuando
se aloja en los nódulos de la raíz de las leguminosas, mediante una relación simbiótica
que establece con estas plantas y por la cual las leguminosas aseguran su suministro
de nitrógeno, elemento indispensable en la síntesis de los ácidos nucleicos y de las
proteínas.
Otro importante proyecto de investigación es el que se realiza en el Cinvestav del IPN en
Irapuato, Guanajuato, donde se lleva a cabo la secuenciación del genoma del maíz, cuyo
objetivo es identificar genes de interesante acción en la agricultura.
En el campo biomédico destaca el banco de cerebros para la investigación de Alzheimer y enfermedades neurodegenerativas fundado por el doctor Raúl Mena López en el
Cinvestav de la Ciudad de México. Además de ser el primero en su género en América
Latina ha permitido desarrollar un modelo para experimentar curas para el Alzheimer a
través de la proteína TAU.
9
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA I
1.2 LA TECNOLOGÍA AL SERVICIO
DE LA CIENCIA
Figura 1.7
Robert Hooke y su microscopio
compuesto.
Con el desarrollo de la biología molecular, a partir de 1950 se descubrió la estructura tridimensional de la molécula del ADN (ácido
desoxirribonucleico) y los mecanismos por los cuales su información genética se traduce en proteínas. Investigaciones posteriores
hicieron posible, a partir de la década de 1970, aislar y manipular
el ADN, así como el diseño de las técnicas del ADN recombinante,
lo que dió origen a la ingeniería genética, que facilita la creación de
organismos transgénicos, en cuyas células se ha incorporado el ADN
de otra especie con algún fin específico. Los conocimientos acerca
del ADN, los mecanismos para su expresión en proteínas y la tecnología para aislarlo y manipularlo, han superado la biotecnología
tradicional que se dedicaba a procesos de producción de bebidas y
alimentos, o a la de variedades de plantas y animales por selección
artificial, para entrar a la etapa de la biotecnología moderna que
impulsa un desarrollo biológico multidisciplinario, es decir, con la
participación de otras disciplinas científicas.
El microscopio, tipos y alcances
El microscopio es el instrumento que se emplea para el estudio de
objetos muy pequeños que no pueden ser observados a simple vista.
El avance de la microscopía ha contribuido al desarrollo de las investigaciones biológicas.
A mediados del siglo XVII, Robert Hooke, empleando un microscopio que posiblemente él había fabricado, observó minúsculas
cavidades geométricas de cortes delgados de corcho, las que llamó
células (fig. 1.7). Saber que el contenido de esas diminutas cavidades era la parte más importante de la estructura se logró mucho
tiempo después.
A finales de 1600, Anton van Leeuwenhoek, un tendero danés, con
una lupa de muy buena calidad óptica (cercana a 300 aumentos) que él
pulió, pudo observar bacterias, protistas y espermatozoides (fig. 1.8).
Durante los siglos XVII y XVIII el microscopio se fue perfeccionando
y fue hasta principios del siglo XIX cuando se dispuso de buenos
microscopios ópticos que facilitaron a los biólogos el estudio de la
célula, iniciándose así la biología celular.
El microscopio óptico
Figura 1.8
Leeuwenhoek fue el primero que
observó seres microscopicos vivos a
través de una lupa fabricada por él.
Este tipo de microscopio (fig. 1.9), que es el más usual en las escuelas, está formado esencialmente de un tubo que dispone de lentes
10
LA INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA
de aumento en ambos extremos (por esta característica de contener
varios lentes, con mucha frecuencia también se le llama microscopio
compuesto). Su parte óptica la forman el sistema de lentes llamado
objetivo, que queda más cerca del objeto de observación, y el sistema
de lentes denominado ocular, situado más cerca del ojo del observador. El aumento total de lo que se observa se determina por el producto que resulta de multiplicar el aumento de la lente del objetivo
por la del ocular.
El microscopio óptico emplea luz visible que, proyectada a través
de la lente objetivo, llega al espécimen observado y lo atraviesa (luz
trasmitida), aumentando su imagen, ésta se proyecta dentro del ojo
o de la cámara fotográfica integrada al microscopio, cuando se desea
tomar una micrografía.
Figura 1.9
Microscopio óptico.
El aumento y el poder de resolución
El aumento o la amplificación es la proporción del tamaño de la imagen que se observa con el microscopio en relación con el tamaño real
del espécimen. En los mejores microscopios ópticos, generalmente
esa amplificación no supera 1 000 veces el tamaño del espécimen. En
cambio, el poder de resolución determina la calidad óptica real de la
imagen, en la cual es posible distinguir detalles finos muy cercanos
entre sí. El poder de resolución se define como la distancia mínima
que separa dos puntos, en la que ambos pueden distinguirse en forma
separada y no como uno solo.
El ojo humano tiene un poder de resolución aproximado de 0.1
milímetros o 100 micrómetros (μm). Por eso si se intentara ver dos
puntos que se localizan a menos de 100 μm cada uno, se verían como
uno solo. En cambio, si esos dos puntos se encontraran separados 120
μm entre sí, se podrían distinguir ambos (fig. 1.10).
El límite de resolución del microscopio óptico lo determina la longitud de onda de la luz visible, comprendida entre 0.4 μm o 400 nanómetros: nm (luz violeta) a 0.7 μm o 700 nm (luz roja), situación que
limita su resolución a detalles no menores a su longitud de onda.
Los microscopios ópticos actuales tienen un poder de resolución de
0.2 μm o 200 nm, lo que ha facilitado observar estructuras grandes de
las células eucariotas y las células bacterianas individuales, no así las
estructuras finas de las eucarióticas e internas de las procariotas, que
no se pueden distinguir.
Figura 1.10
El microscopio estereoscópico o de disección
Este tipo de microscopio se emplea para observar cuerpos opacos,
en los que no se requiere mucho aumento; es muy útil en trabajos de
11
Poder de resolución. Se señala el
tamaño de las células, virus y algunas
moléculas, así como el intervalo de
resolución del ojo humano de los
microscopios ópticos y electrónicos.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA I
disección. En éste es posible observar objetos completos de mayor tamaño y que con el
microscopio óptico difícilmente se lograrían. Dispone de dos objetivos y dos oculares.
Al iluminar el espécimen se logra observar por la luz reflejada y no transmitida como
sucede en el microscopio óptico.
Otros tipos de microscopios ópticos que se han creado en años recientes han sido los de
contraste de fases y los de interferencia diferencial, los cuales emplean la interferencia entre las ondas de luz para observar las estructuras internas de las células vivas, sin
necesidad de colorantes.
Se dice que las ondas de luz se encuentran en fase cuando los picos y los valles
coinciden. Situación que refuerza las ondas y éstas forman su mayor amplitud y
luminosidad (aumento en el brillo). En cambio, cuando las ondas se encuentran
fuera de fase, hay interferencias, se reduce la amplitud de las ondas y el brillo
(fig. 1.11).
b)
a)
Figura 1.11
La intensidad de la luz es determinada por su amplitud de onda. (a) Ondas luminosas en fase con mayor amplitud
y luminosidad, (b) Ondas fuera de fase, con interferencias entre sí, con reducción de amplitud de ondas y brillo.
Al atravesar la célula, la luz varía su fase de onda de acuerdo con el índice de refracción
de ésta; la luz que pasa en zonas gruesas, como el núcleo, se retrasa y su fase se desplaza
en relación con la luz que atraviesa una región menos densa como el citoplasma. Estos
microscopios emplean los efectos que produce la combinación de ambos grupos de
ondas, para formar imágenes que permiten observar los constantes cambios de forma y
ubicación de las estructuras internas de las células vivas.
12
LA INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA
Microscopio de campo oscuro
En este tipo de microscopio la luz que ilumina el espécimen llega desde el costado y se refleja. Los sistemas
de lentes logran formar con la luz reflejada una imagen
brillante con un fondo oscuro, lo que permite observar
las características de las células, sin aplicación de colorantes.
Microscopio electrónico
El uso de este tipo de microscopio se extendió a partir
de 1950, lo que permitió a los investigadores estudiar
las ultraestructuras (detalles muy finos) de las células.
Los principios en que se basa este aparato son semejantes a los del microscopio fotónico (de luz), sólo que en
lugar de luz usa como fuente un haz electrónico de alta
velocidad que tiene una longitud de onda menor, que va
de 0.1 a 0.2 nm y son de lentes electromagnéticas y no
ópticas. Generalmente tienen un poder de resolución de
1 000 veces más que el microscopio óptico (fig. 1.12).
La imagen que se forma no se puede observar en forma
directa, los electroimanes dirigen el haz de electrones
que amplía y enfoca la imagen, la cual es proyectada
sobre una pantalla o una película fotográfica.
Figura 1.12
Las trayectorias del haz de luz y de los electrones en el
microscopio fotónico y el microscopio electrónico.
El microscopio electrónico de transmisión se emplea
para observar cortes delgados de muestras fijas y teñidas, que permiten visualizar estructuras internas de la
célula.
El microscopio electrónico de barrido se usa para observar los detalles de la superficie de la muestra que
no son detectados con el microscopio de transmisión,
porque en éstos los electrones atraviesan la muestra.
Con el microscopio electrónico no es posible observar
organismos vivos, como con el óptico. Sin embargo, las
observaciones logradas con este aparato han permitido
un enorme avance en el estudio de las estructuras finas
de la célula (fig. 1.13).
La teoría celular
Con las correcciones que se hicieron en la construcción
de los microscopios ópticos en 1827, por las que fueron suprimidas las aberraciones cromáticas, se facilitó
13
Figura 1.13
Microscopio electrónico.
TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA I
la realización de nuevas observaciones que condujeron a
la formulación de la teoría celular, surgida de los trabajos
de los siguientes científicos y cuyas propuestas aún son
válidas:
Figura 1.14
De acuerdo con la teoría celular todos los
organismos vivos están constituidos por células.
En 1838, el botánico Matthias Schleiden y el zoólogo
Theodor Schwann, en 1839, señalaron que las plantas y
los animales están constituidos de células, que es la unidad
fundamental, estructural y funcional de los seres vivos
(fig. 1.14). Posteriormente, el médico Rudolf L.K. Virchow
observó la división de las células para dar origen a otras
nuevas, lo que fundamentaría su propuesta en 1855, en la
que señalaba que las nuevas células solamente se forman
por la división de las que ya existen. Con esto contradecía
la teoría de la generación espontánea, que sostenía que
las células podían originarse a partir de material sin vida,
creencia que perduró por mucho tiempo.
Elaboración de preparaciones microscópicas
Estudios en vivo
Esta técnica se emplea para analizar al microscopio sin ningún proceso, trozos de tejidos,
células aisladas como bacterias, hongos unicelulares, protozoarios y algas microscópicas, así como células sanguíneas. Con los microscopios de contraste de fases o de campo
oscuro se obtienen buenos resultados. Sin embargo, dado que las células tienen un
breve periodo de vida, requieren que la observación se efectúe en medios de montaje
apropiados que aseguren un mayor tiempo de sobrevivencia: un adecuado contenido
de nutrientes, temperatura, oxigenación y pH, por ejemplo. Para ello se emplean las
cámaras húmedas o cámaras de supervivencia, que consisten en portaobjetos gruesos
con una excavación circular en el centro, en la que se coloca el material vivo a observar,
inmerso en el líquido que le proporciona todo lo necesario para prolongar su vida.
Dicho líquido puede ser natural o artificial, dependiendo si proviene del medio donde
la célula vive o es preparado para imitar el líquido natural.
Coloraciones vitales
Como su nombre lo indica, esta técnica se emplea para estudiar las estructuras de la
célula viva. Los colorantes hacen visibles algunas de estas estructuras al acumularse
en diferentes partes de la célula. A continuación se mencionan algunos de estos
colorantes:
UÊ El violeta dalia y el violeta cristal, que colorean el núcleo.
UÊ El verde janus B y el azul nitro de tetrazolio que se fijan a las mitocondrias.
UÊ El rojo neutro que colorea a las vacuolas de protistas, hongos y plantas.
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LA INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA
OBSERVACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS DE LA CÉLULA VIVA
Objetivo
• Examen en fresco y en tinción vital de algunas estructuras de la célula
eucariótica.
Consideraciones teóricas
En las preparaciones celulares en fresco y en coloración vital son mínimas las alteraciones físicas y químicas que se presentan en el tejido que
se desea observar.
Material
• Cebolla
• Microscopio compuesto
• Porta y cubreobjetos
• Agua de disección
• Goteros
• Solución de lugol
• Solución de azul de metileno
• Papel absorbente
• Pinzas
Procedimiento
1. De la superficie cóncava de una capa de cebolla desprende la epidermis y colócala en el centro de un portaobjetos con una gota de agua
destilada. Con la aguja de disección extiéndela y pon sobre ella un
cubreobjetos. Con el papel absorbente seca el agua que pudiera salir
fuera del cubreobjetos y, con el microscopio, examina la preparación
a menor aumento. Dibuja las células observadas. Después observa tu
preparación a mayor aumento.
2. De la misma forma elabora otra preparación de epidermis de cebolla,
pero en lugar de una gota de agua, agrégale una gota de solución de
lugol. Observa la preparación primero a menor aumento y después a
mayor. Dibuja las células observadas y explica la diferencia entre la
primera y segunda muestra.
3. Finalmente colorea otra epidermis de cebolla con azul de metileno.
Observa tu preparación, dibuja las células que observas y señala las
estructuras que hayas identificado.
4. Elabora un reporte de tu actividad experimental.
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TEMAS SELECTOS DE BIOLOGÍA I
Técnica de coloración post mórtem
Para elaborar las preparaciones microscópicas permanentes, en las cuales se hace el
montaje de los tejidos que podemos visualizar al microscopio, es necesario realizar una
serie de operaciones. A continuación se explica en forma simplificada el proceso de
operación:
UÊ Fijación. Primero se tratan las células con un fijador, sustancia que las inmoviliza,
las mata y las preserva. Inicialmente un método muy común era sumergir
en forma breve la muestra en ácido o alcoholes. Hoy en día se prefiere emplear formaldehído y glutaraldehído, que al formar enlaces covalentes con los
grupos amino libres de las proteínas establecen puentes cruzados entre grupos
amino de proteínas adyacentes, lo que hace que éstas se estabilicen en su posición
inicial. Después, la muestra se enjuaga con agua para desechar el fijador.
UÊ Deshidratación. Por medio de una serie de lavados con alcohol progresivamente de mayor concentración (al 70, 80, 90 y 100%) se elimina el agua de la
muestra.
UÊ Cortes de la muestra. Después de la fijación se hacen cortes finos del tejido (de
2 a 10 μm de grosor). Para ello se puede utilizar una navaja o un microtomo. De
este último existen varios tipos, el más sencillo es el microtomo de mano que se
usa con una navaja de rasurar. El microtomo de deslizamiento dispone de una
cuchilla metálica y un sistema mecánico para hacer cortes seriados que se extienden
sobre la superficie de un portaobjetos. A veces, cuando la muestra es muy frágil, es
necesario incluirla primero en un medio de soporte que puede ser la parafina o la
resina, la que al penetrar y rodear al tejido lo endurece, permitiendo así su corte con
mayor facilidad. Otra alternativa ha sido congelar la muestra sin fijarla previamente,
para después hacerle los cortes, esto evita la desnaturalización de las proteínas por
acción de los fijadores.
UÊ Tinción. Consiste en colorear las distintas partes de la célula, ya que aunque se
encuentren fijadas y cortadas, las muestras no son muy visibles al microscopio.
Para teñirlas se emplean diferentes colorantes orgánicos con cierto grado de especificidad, los cuales tuvieron su origen en la tinción de productos textiles. Entre los
colorantes disponibles actualmente se mencionan los siguientes: la hematoxilina
se fija a los aminoácidos lisina y arginina de muchas proteínas, y a las moléculas de
ADN y ARN, y la eosina que colorea el citoplasma.
A continuación se detallan los pasos del protocolo para la fijación, inclusión y tinción
de muestra de tejido animal.
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LA INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA
PROTOCOLO PARA LA FIJACIÓN, INCLUSIÓN Y TINCIÓN DE UNA
MUESTRA DE PREPARACIÓN FIJA DE TEJIDO ANIMAL
Objetivo
Observar e identificar las estructuras de la célula animal en una preparación fija.
Material
• Microscopio óptico
• Estufa
• Microtomo
• Racks de acero inoxidable (contenedor de portaobjetos)
• Pinzas
• Pincel
• Porta y cubreobjetos
• Vasos Couplin (para el xileno)
• Campana de extracción
• Probeta de 100 ml
• Pipetas de Pasteur
• Bulbos de caucho (se adaptan a la pipeta de Pasteur)
• Pipetas graduadas de 5 ml
• Propipetas (para adaptar a la pipeta graduada de 5 ml)
• Vasos de precipitados de 100 ml
• Fijador: formaldehído al 10%
• Serie de alcoholes (70, 80, 90 y 100%)
• Xileno absoluto
• Hematoxilina
• Eosina
• Alcoholácido: alcohol al 70% por 100 ml, agregar un ml de ácido clorhídrico (CHl)
concentrado
• Agua amoniacal: un ml de hidróxido de amonio (NH4OH) a 400 ml de agua
• Solución de montaje base xileno o tolueno
• Parafina
(Tanto el hidróxido de amonio como el ácido clorhídrico deben manejarse en campana de
extracción, ya que emiten vapores tóxicos.)
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