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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS AGRARIAS Y PECUARIAS DEL MEDIO AMBIENTE 203017 – BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR PATRICIA HERNÁNDEZ RODRÍGUEZ Magíster en Biología., PUJ Especialista en Epidemiología., UR Actualizado por: ADRIANA MALDONADO (Director Nacional) BOGOTÁ, D.C. Septiembre de 2009 1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 INDICE DE CONTENIDO LISTADO DE TABLAS ...................................................................................................................... 5 LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS .......................................................................................... 6 ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO .................................... 9 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 10 JUSTIFICACIÓN .............................................................................................................................. 12 INTENCIONALIDAD FORMATIVA ............................................................................................... 13 CONTEXTO TEÓRICO .................................................................................................................. 16 METODOLOGÍA GENERAL .......................................................................................................... 17 SISTEMA DE EVALUACIÓN ......................................................................................................... 19 GUÍA DE ACTIVIDADES ................................................................................................................ 20 CONTENIDO DIDÁCTICO UNIDAD 1 ......................................................................................... 21 CONTENIDO DIDÁCTICO UNIDAD 2 ......................................................................................... 25 CONTENIDO DIDÁCTICO UNIDAD 3 ......................................................................................... 29 FUNDAMENTO CONCEPTUAL DE LA BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR. ................. 32 CAPÍTULO 1: TEORÍA CELULAR Y MÉTODO CIENTÍFICO ............................................... 32 Introducción............................................................................................................................. 32 Lección 1: Descubrimiento de las células .......................................................................... 32 Lección 2: Propiedades Básicas de las Células ................................................................ 33 Lección 3: Utilidad e importancia del estudio de la Biología Celular Molecular ........... 34 Lección 4: Método científico y su utilidad ........................................................................... 35 Lección 5: Pasos del método y su importancia en investigación .................................... 35 CAPÍTULO 2: ORIGEN DE LA VIDA ........................................................................................ 37 Introducción............................................................................................................................. 37 Lección 1. Evolución Bioquímica ......................................................................................... 38 Lección 3. Vida en el agua ................................................................................................... 39 Lección 4. Importancia del Oxígeno .................................................................................... 40 Lección 5. Respiración y heterótrofos ................................................................................. 40 CAPÍTULO 3: BIOMOLÉCULAS Y CÉLULAS ........................................................................ 41 Introducción............................................................................................................................. 41 Lección 1. El origen de la célula .......................................................................................... 41 Lección 2. Teoría Celular ...................................................................................................... 42 Lección 3. Bioelementos y Biomoléculas ........................................................................... 43 Lección 4. Moléculas orgánicas importantes para la vida ............................................... 47 Lección 5: Biomoléculas y actividad biológica. .................................................................. 58 2 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD 1 ................................................................ 60 FUENTES DOCUMENTALES DE LA UNIDAD 1 ................................................................................. 61 ORGANIZACIÓN CELULAR I ....................................................................................................... 62 CAPÍTULO 1: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS PROCARIOTAS ............. 62 Introducción............................................................................................................................. 62 Lección 1. Estructura y función de las Células Procariotas ............................................. 62 Lección 2. Componentes de la Pared Celular. .................................................................. 68 Lección 3. Diferenciación Gram Positivas y Gram Negativas ......................................... 69 Lección 4. Estructura y función del ADN Procariote. ........................................................ 70 Lección 5. Importancia de los Operones ............................................................................ 71 CAPÍTULO 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS EUCARIOTAS I .............. 74 Introducción............................................................................................................................. 74 Lección 1. Organización general de las células eucariotas y sus diferencias con las procariotas............................................................................................................................................. 74 Lección 2. Eucariota: animal y vegetal. Similitudes y diferencias ................................... 76 Lección 3. Estructura y Función de la Membrana Celular. .............................................. 77 Lección 4. Transporte a través de la membrana: Difusión pasiva, Difusión facilitada y transporte activo. .................................................................................................................................. 80 Lección 5. Estructura y función del citoesqueleto ............................................................. 82 CAPÍTULO 3: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS EUCARIOTAS II ............. 93 Introducción............................................................................................................................. 93 Lección 1. El citoplasma celular. Sistemas de membranas. ........................................... 93 Lección 2. Lisosomas y Vacuolas. ...................................................................................... 94 Lección 3. Mitocondrias y Cloroplastos. ............................................................................. 95 Lección 4. Energía y Metabolismo Celular: Glicólisis ....................................................... 97 Lección 5. Energía y Metabolismo Celular: Ciclo de Krebs ............................................. 99 ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD 2 .............................................................. 101 FUENTES DOCUMENTALES DE LA UNIDAD 2 ............................................................................... 102 ORGANIZACIÓN CELULAR II .................................................................................................... 103 CAPÍTULO 1: ASPECTOS MOLECULARES DEL NÚCLEO CELULAR I ........................ 103 Introducción........................................................................................................................... 103 Lección 1. Núcleo: Estructura y función ........................................................................... 103 Lección 2. División Celular: Mitosis ................................................................................... 104 Lección 3. División Celular: Meiosis .................................................................................. 106 Lección 4. Plegamientos del ADN ..................................................................................... 109 Lección 5. Cromatina ........................................................................................................... 110 CAPÍTULO 2: ASPECTOS MOLECULARES DEL NÚCLEO CELULAR II ....................... 111 Introducción........................................................................................................................... 111 Lección 1. Replicación del ADN ......................................................................................... 111 Lección 2. Modelo de Replicación del DNA procarionte (E. coli) ................................. 113 Lección 3. Trascripción del ADN. ...................................................................................... 115 Lección 4. Traducción de la información genética .......................................................... 116 Lección 5. Transposones .................................................................................................... 119 CAPÍTULO 3: PRINCIPALES TÉCNICAS UTILIZADAS EN BIOLOGÍA MOLECULAR Y SU APLICACIÓN EN EL CAMPO AGROPECUARIO........................................................................ 127 Introducción........................................................................................................................... 127 Lección 1. Tecnología de ADN Recombinante. Vectores: Plásmidos, Cósmidos, Bacteriófagos. ..................................................................................................................................... 127 Lección 2. PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa) ............................................. 129 Lección 3. Secuenciación, Southern, Northern, Western .............................................. 130 3 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Lección 4. Biotecnología e Ingeniería Genética .............................................................. 131 Lección 5. Utilidad de las técnicas moleculares en el campo agropecuario ............... 132 ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD 3 .............................................................. 135 FUENTES DOCUMENTALES DE LA UNIDAD 3 ............................................................................... 136 4 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 LISTADO DE TABLAS TABLA 2.1: DIFERENCIAS ENTRE CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS ............................................................................ 75 TABLA 2.2: DIFERENCIAS ENTRE EL FLAGELO DE LA CÉLULA PROCARIOTA Y EUCARIOTA......................................................... 76 TABLA 2.3: DIFERENCIAS ENTRE CÉLULA ANIMAL Y VEGETAL ......................................................................................... 76 TABLA 2.4: TIPOS DE UNIÓN CELULAR ...................................................................................................................... 92 5 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS FIGURA 1.1 ORIGEN EVOLUTIVO. EXPLOSIÓN DE VIDA POR REPRODUCCIÓN SEXUAL ................................... 38 FIGURA 1.2 CLASIFICACIÓN DE LOS BIOELEMENTOS SEGÚN SU ABUNDANCIA. .............................................. 43 FIGURA 1.3: ENFERMEDADES OCASIONADAS POR DÉFICIT DE OLIGOELEMENTOS ......................................... 44 FIGURA 1.4: CLASIFICACIÓN DE LOS BIOELEMENTOS SEGÚN SU FUNCIÓN..................................................... 45 FIGURA 1.5: CLASIFICACIÓN SEGÚN LA NATURALEZA QUÍMICA DE LA BIOMOLÉCULAS................................... 46 FIGURA 1.6:EL AGUA POR SU POLARIDAD PERMITE QUE SUSTANCIAS POLARES Y CARGADAS SE DISUELVAN. AL CAER UN CRISTAL DE SAL DENTRO DEL AGUA, LAS MOLÉCULAS DE AGUA SE INTRODUCEN ENTRE LOS IONES DE SODIO Y CLORO. POR CONSIGUIENTE AISLADAS DE ATRACCIÓN POR OTRAS MOLÉCULAS DE CLORURO DE SODIO, LOS IONES FLOTAN Y EL CRISTAL SE DISUELVE GRADUALMENTE. .................. 47 FIGURA 1.7: EL GLUCÓGENO ES UN POLÍMERO DE GLUCOSA CON ENLACES GLICOSÍDICOS (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) ........................................................................................................................ 48 FIGURA 1.8:MONOSACÁRIDOS SIMPLES. (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) ................................................ 49 FIGURA 1.9:SÍNTESIS Y ROMPIMIENTO DE UN DISACÁRIDO: A) LA SACAROSA ES SINTETIZADA POR UN REACCIÓN DE DESHIDRATACIÓN, EN LA CUAL UN HIDRÓGENO (-H) SE SEPARA DE LA GLUCOSA Y UN GRUPO HIDROXILO (-OH) DE LA FRUCTOSA, FORMANDO UNA MOLÉCULA DE AGUA Y DEJANDO LOS DOS MONOSACÁRIDOS LIBRES PARA UNIRSE POR LA CADENA SIMPLE, PERMANECIENDO EL ÁTOMO DE OXÍGENO. B) LA HIDRÓLISIS DE LA SACAROSA ES SÓLO LA INVERSIÓN DE ESTA SÍNTESIS, EL AGUA SE DIVIDE Y AÑADE A LOS MONOSACÁRIDOS ANTERIORES. (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) ............... 50 FIGURA 1.10:POLISACÁRIDOS, QUITINA. (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) ............................................... 50 FIGURA 1.11:LOS FOSFOLÍPIDOS SON SIMILARES A LAS GRASAS Y ACEITES, EXCEPTUANDO QUE LOS DOS ÁCIDOS GRASOS DE LA COLA SON UNIDOS A LA CADENA DEL GLICEROL. EN LA TERCERA POSICIÓN EL GLICEROL ES OCUPADO POR UNA CABEZA POLAR COMPUESTA POR UN GRUPO FOSFATO (-PO), EL CUAL ESTÁ LIGADO AL SEGUNDO QUE CON FRECUENCIA CONTIENE UN GRUPO NITRÓGENO. (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) ........................................................................................................................ 51 FIGURA 1.12: ESTRUCTURAS BÁSICAS DE LAS PROTEÍNAS (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) ............. 54 FIGURA 1.13:COMPONENTES ESTRUCTURALES DE LOS NUCLEÓTIDOS, UNIDADES QUE CONSTITUYEN LOS ÁCIDOS NUCLEICOS ................................................................................................................................. 55 FIGURA 1.14: NUCLEÓTIDOS CONSTITUIDOS POR BASES PURICAS (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) ....... 56 FIGURA 1.15: NUCLEÓTIDOS CONSTITUIDOS POR BASES PIRIMIDICAS (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001).. 56 FIGURA 1.16: FORMACIÓN DE DOS PUENTES DE HIDRÓGENO ENTRE ADENINA Y TIMINA (FUENTE: PURVES,ET AL 2001) .............................................................................................................................. 57 FIGURA 1.17:FORMACIÓN DE TRES PUENTES DE HIDRÓGENO ENTRE CITOSINA Y GUANINA (FUENTE: PURVES,ET AL 2001) .............................................................................................................................. 57 FIGURA 1.18: MODELO DE ADN. DOS HEBRAS DE ADN ESTÁN ENROLLADAS EN UNA DOBLE HÉLICE QUE GIRA SOBRE SU EJE. (FUENTE: PURVES, ET AL 2001) ........................................................................... 58 FIGURA 2.1: ESTRUCTURA GENERAL DE LA CÉLULA PROCARIOTA. (FUENTE: SMITH Y WOOD, 2001) ........ 63 FIGURA 2.2: PROCESO DE TRANSDUCCIÓN BACTERIANA. DESPUÉS DE LA INFECCIÓN DE UN FAGO, UNA DE LAS PARTÍCULAS SINTETIZADAS DE NOVO TOMA UN SEGMENTO DE ADN BACTERIANA EN LUGAR DEL VIRAL. CUANDO ESTA PARTÍCULA INFECTA A OTRA CÉLULA, INYECTA EL ADN BACTERIANO QUE RECOMBINA CON UN SEGMENTO HOMOLOGO DE LA SEGUNDA CÉLULA. (FUENTE: GRIFFITHS A ET AL, 2001) ...................................................................................................................................................... 66 FIGURA 2.3: PASO DE GENES UTILIZANDO PILIS SEXUALES. EL FACTOR F OTORGA A LA BACTERIA LA CAPACIDAD DE TRANSFERENCIA DURANTE LA CONJUGACIÓN. (FUENTE: GRIFFITHS A ET AL, 2001) .. 67 FIGURA 2.4: PROCESO DE TRANSFORMACIÓN. AQUÍ SE EVIDENCIA INTERCAMBIO POR RECOMBINACIÓN HOMOLOGA. (FUENTE: GRIFFITHS A ET AL, 2001) ................................................................................ 67 6 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 2.5: ESTRUCTURA DE LA PARED CELULAR GRAM POSITIVA. A. PROTEÍNAS DE MEMBRANA. B. FOSFOLÍPIDOS. C. FOSFATIDILGLICOLIPIDO. D. GLICOLÍPIDO. E. PARED CELULAR (PEPTIDOGLICANO). (FUENTE: SMITH Y W ORD 2001) ............................................................................................................ 68 FIGURA 2.6: ESTRUCTURA DE LA PARED CELULAR GRAM NEGATIVA. A: TRÍMEROS DE PROTEÍNA PORINA, B:LIPOPOLISACÁRIDO, C:PROTEÍNAS DE LA MEMBRANA EXTERNA, D:PEPTIDOGLICANO (MUREINA), E:LIPOPROTEÍNA MUREINA, F:FOSFOLÍPIDO (FUENTE: SMITH Y W ORD 2001). ................................... 69 FIGURA 2.7: ESTRUCTURA DEL ADN SUPERENROLLADO Y RELAJADO. EN DESENROLLAMIENTO DEL ADN PARTICIPA ACTIVAMENTE UNA TOPOISOMERASA I, LA CUAL INTRODUCE CORTES EN UNA SOLA CADENA (MELLA). (FUENTE: MANDIGAN M ET AL, 2001). .................................................................................... 70 FIGURA 2.8: SUPERENROLLAMIENTO EN UN ADN CIRCULAR POR ACCIÓN DE LA TOPOISOMERASA II (GIRASA), LA CUAL ORIGINA RUPTURAS BICATENARIAS (FUENTE: MANDIGAN M ET AL, 2001) ............ 71 FIGURA 2.9: OPERON. CONFORMADO POR UN GEN INDUCTOR (I), UNA SECUENCIA PROMOTORA, UN OPERADOR Y GENES ESTRUCTURALES (Z, Y, A). .................................................................................. 72 FIGURA 2.10: PRODUCCIÓN DE RNA POLICISTRÓNICO A PARTIR DE UN OPERON ......................................... 72 FIGURA 2.11: CÉLULA EUCARIOTA. PRESENTA MEMBRANA CELULAR, CITOPLASMA CON ORGANELOS SUBCELULARES Y NÚCLEO DEFINIDO (FUENTE: MICROSOFT CORPORATION) ...................................... 75 FIGURA 2.12: MODELO DEL MOSAICO FLUIDO DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA. (FUENTE: AUDERSIK, 2001) ................................................................................................................................................................ 79 FIGURA 2.13: TRANSPORTE DE GLUCOSA A. POR DIFUSIÓN FACILITADA EN LA CÉLULA ADIPOSA. EN B. DIFUSIÓN SIMPLE POR MENOR CONCENTRACIÓN DE GLUCOSA EN EL INTERIOR DE LA CÉLULA DEBIDO A GLICÓLISIS ACTIVA. EN LOS DOS EJEMPLOS LA INSULINA Y SU RECEPTOR PARTICIPAN EN EL PROCESO. ................................................................................................................................................................ 81 FIGURA 2.14: MOLÉCULAS IMPLICADAS EN EL MOVIMIENTO ........................................................................... 83 FIGURA 2.15: PRINCIPALES COMPONENTES DEL CITOESQUELETO. MICROFILAMENTOS, FILAMENTOS IINTERMEDIOS Y MICROTÚBULOS (FUENTE: AUDERSIK, 2001) ............................................................. 84 FIGURA 2.16: REGULACIÓN DE LA POLIMERIZACIÓN Y DESPOLIMERIZACIÓN DE LA MOLÉCULA DE ACTINA ... 85 FIGURA 2.17: DIFERENTES TIPOS DE FILAMENTOS INTERMEDIOS Y SU RELACIÓN CON LA DIFERENCIACIÓN EN CÉLULAS DE MAMÍFEROS ........................................................................................................................ 86 FIGURA 2.18: SE OBSERVAN LOS MICROFILAMENTOS CONFORMADOS POR MONÓMERO DE ACTINA, FILAMENTOS INTERMEDIOS POR SUBUNIDADES FIBROSAS Y MICROTÚBULOS POR HETERODÍMEROS DE TUBULINA. ............................................................................................................................................... 87 FIGURA 2.19: BASE MOLECULAR DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR. (ADAPTADO DE PURVES ET AL, 2001) 89 FIGURA 2.20: MATRIZ EXTRACELULAR EN CÉLULAS EPITELIALES DE ANIMALES ............................................ 90 FIGURA 2.21: RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO Y LISO. APARATO DE GOLGI. AMBOS CONSTITUIDOS POR UN COMPLEJO SISTEMA DE MEMBRANAS. (ADAPTADO DE PURVES ET AL, 2001........................... 94 FIGURA 2.22: LISOSOMAS. ESTAS ESTRUCTURAS PRESENTAN CASI 50 ENZIMAS HIDROLÍTICAS DIFERENTES, SINTETIZADAS EN EL RETÍCULO ENDOPLÁSMICO RUGOSO Y ENVIADAS A ESTOS ORGANELOS (FUENTE: AUDERSIK ET AL, 2001). ADEMÁS,......................................................................................................... 95 FIGURA 2.23: PRINCIPALES ESTRUCTURAS PRESENTES EN LA MITOCONDRIA. MEMBRANAS, MATRIZ, CRESTAS (FUENTE: AUDERSIK ET AL, 2001). ........................................................................................ 96 FIGURA 2.24: ORGÁNULOS CON FORMA DE DISCO, DE ENTRE 4 Y 6 MICRÓMETROS DE DIÁMETRO. EN LA HOJA POR CADA MILÍMETRO CUADRADO SE ENCUENTRAN APROXIMADAMENTE 500.000 CLOROPLASTOS. ..................................................................................................................................... 97 FIGURA 2.25: RUTAS CATABÓLICAS (FLECHAS HACIA ABAJO). RUTAS ANABÓLICAS (FLECHAS HACIA ARRIBA). BIOMOLÉCULAS (PROTEÍNAS, POLISACÁRIDOS, LÍPIDOS). MONÓMEROS (AMINOÁCIDOS, GLUCOSA, ÁCIDOS GRASOS Y GLICEROL). INTERMEDIARIOS METABÓLICOS (PIRÚVATO, ACETIL COA) COMUNES A TODAS LAS BIOMOLÉCULAS. PRODUCTOS FINALES (CO2, H2O, ATP). .......................... 98 FIGURA 2.26: PRODUCTOS OBTENIDOS Y ENZIMAS QUE INTERVIENEN EN EL CICLO DE KREBS .................. 100 FIGURA 3.1: ESTRUCTURA DEL NÚCLEO DE LA CÉLULA EUCARIOTA. (FUENTE: AUDERSIK ET AL, 2001)... 104 FIGURA 3.2: CICLO CELULAR. COMPRENDE INTERFASE Y DIVISIÓN CELULAR ............................................ 105 FIGURA 3.3: PROCESO DE DIVISIÓN CELULAR MITÓTICA: PROFASE, METAFASE, ANAFASE Y TELOFASE. ADAPTADO DE PURVES ET AL 2001 ..................................................................................................... 106 FIGURA 3.4: DIFERENTES ETAPAS DE PROFASE EN MEIOSIS I. FUENTE: PURVES ET AL, 2001 .................. 108 7 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 3.5: METAFASE, ANAFASE Y TELOFASE DE MEIOSIS I. (FUENTE: PURVES ET AL, 2001). .............. 109 FIGURA 3.6: METAFASE, ANAFASE Y TELOFASE DE MEIOSIS I. FUENTE: PURVES ET AL, 2001.................. 109 FIGURA 3.7: EMPAQUETAMIENTOS DEL ADN. FUENTE: PURVES ET AL 2001.............................................. 110 FIGURA 3.8: EMPAREJAMIENTO DE BASES EN LA CADENA DE ADN (FUENTE: PURVES ET AL, 2001) ......... 112 FIGURA 3.9: REPLICACIÓN DE LA CADENA CONTINUA Y DISCONTINUA DEL ADN. (FUENTE: PURVES ET AL, 2001) .................................................................................................................................................... 113 FIGURA 3.10: PROCESO DE INICIACIÓN, ELONGACIÓN Y TERMINACIÓN DE LA TRASCRIPCIÓN (FUENTE: PURVES ET AL, 2001). .......................................................................................................................... 116 FIGURA 3.11: PROCESO DE INICIACIÓN DE LA TRADUCCIÓN. (FUENTE: AUDERSIK ET AL, 2001) ............... 117 FIGURA 3.12: PROCESO DE ELONGACIÓN DE LA TRADUCCIÓN. (FUENTE: AUDERSIK ET AL, 2001) ........... 118 FIGURA 3.13: PROCESO DE TERMINACIÓN DE LA TRADUCCIÓN. (FUENTE: AUDERSIK ET AL, 2001) .......... 119 FIGURA 3.14: ORIENTACIÓN DEL MAPA GENÉTICO DE UN TRANSPOSON ...................................................... 121 FIGURA 3.15: INSERCIÓN DE SECUENCIAS Y FORMACIÓN DE TRANSPOSONES ............................................ 122 FIGURA 3.16: ASOCIACIÓN VECTOR – INSERTO. SE MUESTRA LOS PRODUCTOS POSIBLES A OBTENER. ... 128 FIGURA 3.17: PROCESOS IMPLICADOS EN EL PROCESO DE SECUENCIACIÓN (FUENTE: PURVES ET AL, 2001) .............................................................................................................................................................. 131 8 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El contenido didáctico del curso académico Biología Celular y Molecular fue diseñado inicialmente en el año 2007 por Patricia Hernández Rodríguez, Bióloga M.Sc., docente de los programas de especialización de la UNAD. Patricia es Magíster en Biología, con especialización en epidemiología. Se desempeñó como tutora en el año 2007 y ha sido docente de otras Universidades. El contenido didáctico ha sido actualizado solo una vez en el 2009, por Adriana Maldonado Chaparro, Bióloga M.Sc., quien se desempeña actualmente como Directora Nacional de cursos de posgrados de la UNAD en el CEAD José Celestino Mutis. La versión del contenido didáctico que actualmente se presenta tiene como características el ajuste a los lineamientos dados por la universidad para el material de soporte para los cursos de la modalidad virtual. 9 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 INTRODUCCIÓN El programa de Biología Celular Molecular, dirigido a los estudiantes de la Especialización en Mejoramiento Genético y Biotecnología Agraria, está orientado hacia el conocimiento de la célula como unidad fundamental de todo ser vivo, especialmente en lo referente a la estructura y fisiología de cada uno de los organelos celulares. En el estudio de la célula es necesario integrar los componentes de la Genética, la Bioquímica y la Fisiología Celular; de esta forma, el programa está estructurado para mostrar los avances que en estos campos se han llevado a cabo en los últimos años. Con el curso se establecen parámetros generales y mecanismos de acción celular y molecular que permiten comprender posteriormente procesos anatómicos, fisiológicos y patológicos en órganos y sistemas. Igualmente, se puede establecer la interacción de estos con el medio, debido a que todo ser viviente tiene relación con el entorno y a través de la biología celular y molecular se pueden explicar múltiples procesos de esta interacción. Es así, como este curso se constituye en una herramienta esencial para muchos profesionales, puesto que la estructura y función de los organismos se explica desde la base celular y molecular. Se espera que los estudiantes obtengan una visión sintética de la biología celular y molecular en un sentido integrado, permitiendo la articulación de la teoría con la práctica mediante estrategias metodológicas que generan una participación activa del estudiante en su proceso de aprendizaje. Además, con el curso los estudiantes adquieren herramientas útiles para el trabajo experimental que les servirán para futuros cursos y para fomentar la cultura investigativa en el campo profesional en el que se desempeñen. Los conocimientos adquiridos y las destrezas desarrolladas durante las experiencias prácticas permitirán que los estudiantes se formen integralmente. La parte inicial del curso aborda la importancia del método científico y su relación con el desarrollo de la investigación y la ciencia, se continúa con el estudio y diferenciación entre célula procariota y eucariota. Igualmente, se contempla la estructura y función de la membrana, la fisiología celular de cada uno de los organelos, estudiando principalmente los aspectos relacionados con la 10 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 composición molecular, procesos bioquímicos y función de cada uno de ellos. Se establecen los principios básicos de los ácidos nucléicos y los aspectos moleculares del núcleo que hacen de esta estructura el motor fundamental de la actividad celular. Finalmente se discuten las diferentes estrategias moleculares utilizadas en biología y su aplicación en el campo agropecuario. 11 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 JUSTIFICACIÓN El estudio de la Biología Celular y Molecular es una función casi que obligatoria de todos los estudiantes que pertenecen a disciplinas que están directamente relacionadas con los organismos vivientes y su biología, como es el caso de las ciencias agropecuarias. El curso es fundamental para que los estudiantes de la especialización adquieran bases sólidas en la estructura y función de la célula con el fin de interpretar, argumentar y hacer propuestas desde la biología con aplicación al campo agropecuario. A partir del conocimiento obtenido a través de la biotecnología, biología molecular y bioinformática, la investigación en biología celular se ha convertido en el preámbulo de estudios en órganos y sistemas animales y vegetales. Con el descubrimiento de nuevos procedimientos biológicos, manejo de células stem y manipulación genética se han obtenido tejidos in Vitro, se han generado proteínas necesarias para ser utilizadas como terapia enzimática, biofertilizantes, medicamentos y vacunas entre otros. La bioquímica, la genética y la inmunología son objetivos de investigación para alcanzar tales fines; por consiguiente, el estudio de las bases biológicas y moleculares de la célula, a través del curso, permite la incorporación de conceptos, técnicas, métodos e investigaciones de la química, la física y la biología molecular fundamentales e indispensables para profesiones relacionadas con la vida y la salud humana, animal o vegetal. Este fue el motivo de selección de los contenidos que se presentan en las tres unidades didácticas, donde se establecen parámetros generales sobre el estudio de la célula que posteriormente permiten comprender procesos anatómicos, fisiológicos y patológicos en órganos y sistemas; así como la interacción de las células con el medio. El programa de Biología Celular Molecular, dirigido a los estudiantes de la Especialización en Mejoramiento Genético y Biotecnología Agraria, está orientado hacia el conocimiento de la célula como unidad fundamental. 12 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 INTENCIONALIDAD FORMATIVA Formulación de Propósitos 1. Estimular en los estudiantes, de la Especialización en Mejoramiento Genético y Biotecnología Agraria, el conocimiento, comprensión y aplicación de los conceptos básicos de la biología de la célula, caracterizando los principales organelos celulares, así como su función bioquímica, metabólica, fisiológica y genética, para posteriormente entender, comprender e interpretar su papel en los diferentes niveles de organización. 2. Generar un aprendizaje que parta directamente del trabajo, la investigación, la creatividad y la capacidad de correlación del estudiante. 3. Formar una red conceptual donde el estudiante logre diferenciar lo general de lo particular, no como hechos aislados sino como un conjunto global interrelacionado. 4. Promover un ambiente investigativo en torno a los temas tratados, donde el estudiante tenga los elementos necesarios con los cuales pueda llegar al conocimiento a partir de su propia experiencia. Formulación de Objetivos 1. Conocer los organelos celulares haciendo énfasis en su biogénesis, morfología y fisiología para poder describir y reconocer la célula como un todo y como parte fundamental del ser vivo. 2. Identificar las principales diferencias fisiológicas y morfológicas entre las células procariotas y eucariotas, así como entre las células animales y vegetales. 13 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 3. Establecer la importancia de la Biología Celular Molecular en los mecanismos de transmisión genética. 4. Conocer las principales técnicas utilizadas en Biología Molecular y su aplicación en el campo agropecuario. 5. Lograr que cada estudiante valore su propio trabajo, lo retroalimente, y genere auto-critica con lo cual podrá fortalecer su desarrollo cognitivo y personal. Formulación de Competencias Cognitivas El estudiante posee un óptimo conocimiento acerca de los temas principales del curso de Biología Celular y Molecular, con énfasis en la fisiología, morfología, y biogénesis de organelos, así como del concepto de célula como unidad funcional de la vida. Conoce el porque y para que de las prácticas de laboratorio que sustentan los conceptos adquiridos en la teoría, con el fin de aplicarlos en su labor cotidiana y profesional. De igual forma, conoce la normatividad en el trabajo experimental, reforzando conceptos que le permitan asumir una conducta responsable frente a la asignatura, a través de la especialización y durante su ejercicio profesional Comunicativas Interpretativas: El estudiante tiene la capacidad de discutir fluidamente aspectos relacionados con la Biología Celular y Molecular, inclusive en lo referente a los últimos avances científicos y tecnológicos. Además reconoce la utilidad que brinda los equipos, elementos del laboratorio y las normas de bioseguridad adquiridas en su proceso de aprendizaje, permitiendo que los profesionales tomen decisiones responsables como personas que hacen parte de una sociedad. Argumentativas: El estudiante puede defender su propia opinión con relación a diferentes fenómenos y procesos que tienen lugar en la célula, logrando una visión amplia y objetiva. Tiene capacidad de síntesis, análisis, deducción, formulación de hipótesis y aplicación del método científico. Defiende el compromiso que va adquiriendo como estudiante de la especialización tomando una posición responsable, honesta y activa frente a situaciones cotidianas en su entorno social. 14 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Propositivas: El estudiante es capaz de generar interrogantes, proponer modelos, teorías, temas de investigación y discutir procedimientos sobre estudios en Biología Celular y Molecular. Propicia un ambiente investigativo en torno a los temas tratados mediante la utilización de elementos a través de los cuales pueda llegar al conocimiento a partir de su propia experiencia. Promueve un ambiente sano protegiendo su entorno, tomando decisiones responsables y procurando el bienestar social Formulación de Metas 1. El estudiante identificará las biomoléculas y la interacción de ellas en la estructura y fisiología celular mediante la realización de mapas conceptuales y modelos de organización molecular. 2. El alumno identificará los procesos de organización celular en procariotas y en eucariotas a través de la elaboración de cuadros comparativos donde se establezcan similitudes y diferencias. 3. El estudiante reconocerá los elementos y estrategias necesarias para llevar a cabo los procesos de replicación, trascripción y traducción del material genético en la célula y comprenderá la importancia de estos procesos en la dinámica celular. 4. El estudiante tendrá la oportunidad de definir sus propios objetivos, plantear la forma como va a llevar a cabo las actividades, que le permitirán ampliar y profundizar sus conocimientos, seleccionará los medios, formulará problemas y generará inquietudes con lo cual será responsable de sus decisiones y por tanto se facilitará su proceso de aprendizaje. 5. El estudiante interpretará de forma clara y lógica los nuevos conceptos a través del desarrollo de las actividades y con la orientación del docente logrará estructurar sus conocimientos. 15 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 CONTEXTO TEÓRICO El diseño del curso se origina a partir del conocimiento y diferenciación de los componentes celulares; profundizando en procesos que relacionan la estructura con la función. Igualmente se estudian los componentes macromoleculares estableciendo la importancia de los mismos en la obtención de la energía a través de procesos metabólicos. Por otra parte se identifican los principios de regulación celular mediante la comprensión de mecanismos implicados en el control genético que responden al ambiente intracelular y extracelular. La Biología celular y molecular se hace necesaria para la comprensión de diversos procesos biológicos que son objeto de estudio de áreas relacionadas con el sector agropecuario. Este curso brinda herramientas conceptuales y permite que los estudiantes adquieran una base fundamental que facilitará su proceso de aprendizaje en cursos posteriores de la Especialización en Mejoramiento Genético y Biotecnología Agraria. Con el curso el estudiante puede construir bases sólidas relacionadas con los procesos químicos y moleculares a nivel de los organismos vivos. Finalmente el curso proporciona al estudiante criterios para comprender que las ciencias se fundamentan de manera integral y que todos los procesos biológicos se derivan de interacciones y se explican en términos moleculares, genéticos y bioquímicos, esto brinda una visión integral que mejora su desempeño profesional. 16 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 METODOLOGÍA GENERAL Las estrategias de aprendizaje buscan mantener activo, durante el desarrollo del curso, el Interés, la Curiosidad, la Motivación, la Participación e Innovación por parte de los estudiantes. La metodología propuesta busca: -Generar una visión dinámica y aplicada de cada uno de los contenidos de cada unidad didáctica. -Utilizar conceptos adquiridos previamente por los estudiantes como marco estructural para la comprensión de nuevos conceptos, los cuales serán incluidos dentro de un esquema de interacción, orden y relación. -Crear expectativas, formular problemas, plantear soluciones, analizar, discutir y sintetizar cada unidad temática a partir de las actividades programadas. Mediante los parámetros referidos en la guía didáctica y los módulos se busca mantener en los estudiantes el interés, la curiosidad, la motivación y la participación activa en su proceso de aprendizaje. A continuación se describe brevemente como se fundamentan estos aspectos con los elementos del curso: Interés: Las actividades de la guía y los módulos se relacionaran con aplicaciones en el sector agropecuario, propiciando una búsqueda permanente para posibilitar el aprendizaje. Curiosidad: Se motivará con preguntas y problemas, con alto índice de ansiedad en el conocimiento de sus posibles respuestas y soluciones; creando una dinámica que busca alimentar la curiosidad y el interés. Motivación: Implica el actuar y el compromiso en el desarrollo de actividades; en este sentido, el estudiante participará y trabajará en la construcción de su propio conocimiento mediante el desarrollo de las actividades propuestas en el curso. Participación: Donde hay un verdadero escenario de diálogo, donde cuente la opinión del alumno, de su trabajo investigativo y de su percepción del conocimiento, se evidencia un proceso de aprendizaje. A través del desarrollo del curso Biología Celular y Molecular se permite el trabajo individual y colectivo (socialización y prácticas de laboratorio). Cada tema se desarrolla teniendo en cuenta tres etapas una de iniciación, otra de desarrollo y la última de finalización. Estas etapas se relacionan directamente con las características generales de las fases de aprendizaje: Reconocimiento, Profundización y Transferencia. 17 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 En la Iniciación el estudiante por cada tema realizará la lectura general del módulo y de los artículos complementarios, a partir de estas lecturas elaborará una síntesis del tema mediante un cuadro sinóptico, un mapa conceptual, una relatoría o un modelo gráfico. La etapa de Desarrollo implica la ejecución de las actividades correspondientes a cada tema, estas pueden ser: 1. La realización o discusión de un taller. 2. Discusión de un artículo, con esta actividad se busca que los estudiantes consulten literatura científica, preferiblemente en inglés, que este relacionada con un tema del curso y su aplicación al Mejoramiento Genético y/ó a la Biotecnología Agraria. 3. Análisis de lectura y elaboración de ensayo. 4. Realización de prácticas de laboratorio. Por último la Finalización se refiere a procesos de síntesis mediante realización de esquemas globales, cuadros comparativos y formulación de preguntas para el planteamiento de nuevos problemas. En cuanto al laboratorio se busca que exista relación entre el contenido teórico y el experimental, es importante anotar que para el desarrollo de cada práctica el estudiante debe realizar un diagrama de flujo donde establece la metodología a desarrollar, además contesta el cómo, el por qué y el para qué desarrolla la práctica. Ocho días después de la práctica los estudiantes deben entregar un informe a manera de Artículo Científico (Resumen, Palabras Claves, Introducción, Metodología, Resultados, Discusión, Conclusiones y Bibliografía) con el fin de adquirir herramientas de síntesis, análisis y crítica sobre el trabajo realizado. Las actividades que deben realizar los estudiantes se relacionan en la Guía de Actividades donde se establece la semana, el tema, la actividad, el producto, la forma de evaluación, el tiempo empleado y la forma de seguimiento. 18 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 SISTEMA DE EVALUACIÓN A través de las actividades desarrolladas se evaluará el dominio del tema por parte del estudiante, además la capacidad de interpretación y correlación de un tema a partir de la preparación y explicación de modelos gráficos y/o mapas conceptuales, análisis y discusión de artículos científicos, elaboración de ensayos entre otros. Igualmente con las actividades programadas se evaluará la creatividad a partir de la búsqueda de respuestas originales y recursivas a problemas de tipo global o particular, el comportamiento del estudiante frente a situaciones de trabajo individual y colectivo (socialización y prácticas), la responsabilidad a través del cumplimiento y el compromiso que el estudiante adquiere frente al desarrollo de la unidad temática. Como mecanismos de evaluación se cuenta con la heteroevaluación y autoevaluación. Se evaluará el desarrollo de cada una de las actividades descritas en la metodología, el trabajo individual y el colectivo que incluye los encuentros de socialización y las prácticas de laboratorio. De todas las actividades que serán evaluadas se dejará constancia en el Portafolio Personal de Desempeño (PPD). 19 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 GUÍA DE ACTIVIDADES Situaciones de Reconocimiento A través de la lectura de cada modulo y de las actividades planteadas, el estudiante podrá determinar la importancia de la célula cómo unidad fundamental de los seres vivos y relacionará el papel de la Biología Celular Molecular en el campo agropecuario especialmente en lo relacionado con el mejoramiento genético y la biotecnología agropecuaria. Situaciones de Profundización El estudiante manejará conceptos relacionados con los temas principales del curso de Biología Celular Molecular, con énfasis en la fisiología, morfología, y biogénesis de organelos, así como la importancia de la reproducción celular como mecanismo de transmisión de información genética. Situaciones de Transferencia Con base en los conocimientos adquiridos y las actividades prácticas los estudiantes estarán en capacidad de abordar problemas para los cuales deben proponer soluciones mediante la búsqueda de información científica, el planteamiento conceptual de los temas propuestos, el análisis y la discusión de las temáticas propuestas. 20 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 CONTENIDO DIDÁCTICO UNIDAD 1 21 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Nombre de la Unidad FUNDAMENTO CONCEPTUAL DE BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR Introducción La variedad que se observa a nivel de los seres vivos es sorprendente; sin embargo, todos los organismos están constituidos por las mismas moléculas, lo cual explica la evolución a partir de ancestros comunes. El concepto de vida es difícil de definir si se piensa en la diversidad que se observa en los seres vivos y más aún si todas las moléculas, que se integran para formar la vida, se observan en forma aislada e independiente son inertes. Esto refleja la existencia de interacciones complejas entre dichas moléculas que hacen se establezca una unidad funcional representada en la estructura celular. Debido a que la vida se basa en estas interacciones asombrosas, es difícil determinar el significado real del término vida; sin embargo, existen algunas características que diferencian a los seres vivos de los no vivos; en términos generales se puede mencionar: Estructura organizada y compleja; se reproducen utilizando el ADN como molde molecular; generan homeostasis y mantienen relaciones con el medio. Teniendo en cuenta este último aspecto el ambiente juega un papel fundamental en la organización, mantenimiento y evolución de los organismos vivos unicelulares y multicelulares. Esto se ha determinado a través de diversos experimentos; en este sentido, la aplicación del método científico ha propiciado un cambio en la enseñanza de la Biología que paso de ser una enseñanza netamente descriptiva a ser una de tipo experimental, por consiguiente, los temas que se abordan en el estudio de la Biología Celular Molecular tienen como piedra angular los experimentos que propiciaron dicho conocimiento. Para comprender la utilidad e importancia de la Biología Celular Molecular como herramienta en el campo agropecuario es necesario revisar como se llego al descubrimiento de las células y cuáles son sus propiedades básicas. Igualmente, para entender cada uno de los procesos experimentales que han llevado al conocimiento de las células es indispensable abordar qué es el método científico y cuál es su utilidad en la investigación biológica. Con estos elementos los estudiantes 22 LA UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 pueden incorporar la cultura investigativa en el campo profesional en el que se desempeñan. Posteriormente se revisará la teoría celular, el origen de las células y al final de la Unidad I se establecerá la importancia de las bases químicas de la vida. Justificación Intencionalidades Formativas Reconocer la utilidad e importancia de la Biología Celular Molecular como herramienta en el campo agropecuario Identificar los pasos del método científico y su aplicación en la investigación biológica Definir los componentes de la teoría celular y explicar el origen de las células a través de la teoría endosimbiótica. Determinar los elementos y moléculas importantes para la vida y su importancia en la actividad celular Denominación de Capítulo 1 Teoría Celular y Método Científico Denominación de Lección 1 Descubrimiento de las células Denominación de Lección 2 Propiedades Básicas Denominación de Lección 3 Utilidad e importancia Denominación de Lección 4 Que es el método científico y cual su utilidad Denominación de Lección 5 Pasos del método investigación Denominación de Capítulo 2 Origen de la Vida Denominación de Lección 6 Evolución Bioquímica Denominación de Lección 7 Células Primitivas Denominación de Lección 8 Vida en el agua Denominación de Lección 9 Importancia del oxígeno Denominación de Capítulo 3 Biomoléculas y Células Denominación de Lección 11 El origen de la célula Denominación de Lección 12 Teoría Celular Denominación de Lección 13 Bioelementos y Biomoléculas Denominación de Lección 14 Moléculas importantes para la vida 23 y su importancia en UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Denominación de Lección 15 Biomoléculas y actividad biológica 24 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 CONTENIDO DIDÁCTICO UNIDAD 2 25 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Nombre de la Unidad ORGANIZACIÓN CELULAR I Introducción Desde sus orígenes el hombre, utilizando las ciencias biológicas, ha luchado contra las agresiones y peligros a que está expuesta la humanidad. Las grandes epidemias y la presencia de enfermedades que cambiaron el curso de la historia y propiciaron una alta morbimortalidad, hacen parte del pasado gracias a los avances en el conocimiento científico, al perfeccionamiento de los métodos de diagnóstico y al implemento de la alta tecnología. Igualmente, ha sido posible conocer las funciones básicas más importantes que realizan los seres vivos como: actividades del metabolismo que son las que mantienen la maquinaria vital; funciones de relación que permiten generar respuesta a estímulos del exterior; funciones de defensa contra agentes bacterianos y víricos; funciones de reproducción y de crecimiento, entre otras. A partir de este conocimiento la ciencia se ha convertido en el preámbulo a una revolución terapéutica, con el descubrimiento de nuevas sustancias químicas, de nuevos procedimientos biológicos hasta la manipulación genética con el fin de mejorar el entorno, la agricultura, la ganadería y la producción de medicamentos y vacunas que contribuyen al mejoramiento de la salud humana y animal. La biología, la bioquímica, la genética y la inmunología son objetos de investigación para alcanzar tales fines mediante la utilización de herramientas moleculares. De esta forma, el estudio de las bases biológicas y moleculares de la célula es fundamental e indispensable para profesiones relacionadas con la vida y la salud humana, animal o vegetal pues permiten la comprensión y el análisis de fenómenos vitales del organismo para su posterior utilización en el ejercicio profesional. Los parámetros generales sobre el estudio de la célula permitirán comprender posteriormente procesos anatómicos, fisiológicos y patológicos en órganos y sistemas. Como se estudio en la Unidad 1 con el descubrimiento de Robert Hook (1635-1703), Schleiden y Shwaann (1838-1839), Virchow (1958), se empezaron a desarrollar trabajos sobre la célula, descubriéndose paulatinamente sus componentes y la importancia que tiene para los seres vivos en la 26 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 formación de tejidos, órganos, sistemas, en su funcionamiento y en la reproducción. Igualmente, en la Unidad 1 se considero que las primeras células se formaron a partir de una membrana celular, citoplasma y material hereditario (ADN). El material hereditario suspendido en el citoplasma, y este a su vez rodeado por una pared es característico de la célula procariota. A través de la evolución estas células generaron cambios hasta originar estructuras internas especializadas, sistemas de membrana y un núcleo donde se almacena la información genética permitiendo mayor complejidad; a este tipo de organización, se le denominó célula eucariota. Con la Unidad 2 se estudiará la estructura y función de las células procariotas y se empieza a plantear la estructura y función de la membrana celular eucariota, los organelos subcelulares y el panorama general del metabolismo celular, importante para la actividad y vitalidad de la célula. En este sentido, con esta Unidad se busca motivar a los estudiantes para que se interesen por las células y su estudio. Justificación Intencionalidades Formativas Identificar la estructura y función de las células Procariotas y Eucariotas. Determinar la importancia de la membrana celular en los procesos de transporte de moléculas. Establecer los mecanismos implicados en el metabolismo celular y su importancia en la actividad celular. Denominación de Capítulo 4 Estructura y función de las Células Procariotas Denominación de Lección 16 Estructura y función de la Célula Procariota Denominación de Lección 17 Componentes de la Pared Celular Denominación de Lección 18 Diferenciación Gram Positivas y Gram Negativas Denominación de Lección 19 Estructura y función del ADN Procariote Denominación de Lección 20 Importancia de los Operones Denominación de Capítulo 5 Estructura y función de las Células Eucariotas I Denominación de Lección 21 Organización general de las células eucariotas y 27 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 sus diferencias con las procariotas Denominación de Lección 22 Eucariota: animal y vegetal. Similitudes y diferencias Denominación de Lección 23 Estructura y función de la membrana celular: Estructura y Función Denominación de Lección 24 Transporte a través de la membrana: Difusión pasiva, Difusión facilitada y Transporte activo Denominación de Lección 25 Estructura y función del citoesqueleto Denominación de Capítulo 6 Estructura y función de las Células Eucariotas II Denominación de Lección 26 El citoplasma celular. Sistemas de membranas. Organelos Denominación de Lección 27 Lisosomas y Vacuolas Denominación de Lección 28 Mitocondrias y Cloroplastos Denominación de Lección 29 Energía y metabolismo celular: Glucólisis Denominación de Lección 30 Energía y metabolismo celular: Ciclo de Krebs 28 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 CONTENIDO DIDÁCTICO UNIDAD 3 29 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Nombre de la Unidad ORGANIZACIÓN CELULAR II Introducción A partir de los conceptos que se revisaron en la Unidad 1 y 2, referentes a las biomoléculas y a los principales componentes subcelulares, se empezaron a establecer las pautas para el estudio de la célula desde la óptica de la organización celular molecular. Las células y los componentes celulares son tan pequeños que no es posible verlos con el ojo humano; sin embargo, son tema de investigación de millones de publicaciones y motivan la realización de múltiples trabajos que han permitido conocer casi todos los aspectos de su microscópica estructura. Esto no se hubiese logrado sin la curiosidad y creatividad del ser humano pues en la actualidad son muchos los avances realizados en el campo biológico debido principalmente al desarrollo de técnicas y tecnologías que permiten conocer las estructuras subcelulares y comprender los mecanismos de integración entre las moléculas que interactúan para permitir los diferentes procesos metabólicos en las células. En este sentido, con esta Unidad se busca en primer término establecer la importancia del eje central de la célula, el núcleo, y establecer la utilidad del estudio de la Biología Celular Molecular en el campo agropecuario Justificación Intencionalidades Formativas Identificar los procesos de reproducción celular en eucariotas: Mitosis y Meiosis. Determinar la importancia de la estructura y función del ADN Establecer los mecanismos que permiten la Duplicación, Trascripción y Traducción del ADN. Conocer las principales técnicas utilizadas en Biología Molecular y su aplicación en el campo agropecuario. Denominación de Capítulo 7 Aspectos moleculares del núcleo celular I Denominación de Lección 31 Núcleo: Estructura y función Denominación de Lección 32 División Celular Î Mitosis Denominación de Lección 33 División Celular Î Meiosis Denominación de Lección 34 Plegamientos del ADN Denominación de Lección 35 Cromatina 30 clasificación. Eucromatina, UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Heterocromatina: Facultativa, Constitutiva Denominación de Capítulo 8 Aspectos moleculares del núcleo celular II Denominación de Lección 36 Duplicación del ADN. Iniciación, Elongación, Terminación Denominación de Lección 37 Modelo de Replicación de ADN Procarionte E coli Denominación de Lección 38 Trascripción. Iniciación, Elongación, Terminación Denominación de Lección 39 Traducción. Iniciación, Elongación, Terminación Denominación de Lección 40 Transposones Denominación de Capítulo 9 Principales Técnicas Utilizadas en Biología Molecular y su Aplicación En el Campo Agropecuario Denominación de Lección 41 Tecnología de ADN Recombinante. Vectores: Plásmidos, Cósmidos, Bacteriófagos Denominación de Lección 42 PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa) y Tipos de PCR Denominación de Lección 43 Secuenciación, Southern, Western y Northernblot Denominación de Lección 44 Biotecnología e Ingeniería Genética Denominación de Lección 45 Utilidad de las técnicas moleculares en el campo agropecuario 31 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FUNDAMENTO CONCEPTUAL DE LA BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR. CAPÍTULO 1: TEORÍA CELULAR Y MÉTODO CIENTÍFICO Introducción Este capítulo está diseñado identificar la célula como unidad fundamental de la vida y la importancia del método científico en el proceso de creación de conocimiento científico. A través de la lectura de este capítulo podrá entender el proceso de generación de nuevo conocimiento y los conceptos allí involucrados, especialmente la verificación de hipótesis. Lección 1: Descubrimiento de las células A finales del siglo XVI fue construido el primer microscopio constituido por dos lentes y denominado Microscopio Compuesto. A partir de ese momento una cantidad notable de jóvenes inquietos empezaron a descubrir un mundo nunca antes visto por el ojo humano. A Robert Hooke se acredita el descubrimiento de las células, pues este microscopista inglés a la edad de 27 años fue premiado por la Royal Society, academia científica de Inglaterra, por sus aportes científicos. Hooke observó paredes vacías de tejido vegetal muerto, estas celdillas como las llamó fueron producidas originalmente por células vivas que las rodeaban. Por su parte Antón van Leeuwenhoek, en sus ratos de ocio se dedicaba a construir microscopios y a realizar observaciones microscópicas, que durante 50 años describió y envió a la Royal Society de Londres. Leeuwenhoek examinó por primera vez una gota de agua de estanque observando un mundo nunca antes visto; “animalillos” que recorrían el espacio observado a través del microscopio. Igualmente, fue el primero en describir la morfología de las bacterias que obtuvo de agua en la que había remojado pimienta y de material raspado y obtenido de su propia dentadura. 32 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Lección 2: Propiedades Básicas de las Células Un ser vivo se caracteriza por presentar propiedades fundamentales como el poseer un metabolismo propio, replicar el material genético, renovar estructuras a nivel molecular e interactuar con el medio. Las células son las unidades más pequeñas que cumplen estas propiedades, éstas pueden ser extraídas de una planta ó un animal y cultivarse en el laboratorio mostrando crecimiento y reproducción por un tiempo prolongado. A continuación se relacionan las propiedades básicas de las células: Complejidad y Organización: Estas son propiedades evidentes en las células, pues a nivel celular el número de partes que componen las células es alto; además, en cada estructura hay una organización e interacción directa entre cada componente y existe una regulación que permite la conservación y el buen funcionamiento del sistema. Esta complejidad y organización viene dada desde la forma en que se unen los átomos para formar moléculas, la agrupación de éstas en polímeros gigantes, la organización de macromoléculas en organelos subcelulares y finalmente en células. Cada célula tiene una estructura consistente, sus organelos se ubican de forma específica en cada individuo de una especie y de una especie a otra. Es así como los extremos apicales de las células que revisten el intestino presentan microvellosidades (largas prolongaciones) que facilitan la absorción de nutrientes, por el contrario los extremos basales contienen gran cantidad de mitocondrias que suministran energía para los procesos de transporte de nutrientes. Aplicación de programa genético: El programa genético de las células permite su normal funcionamiento. Constituye el molde para construir estructuras celulares, y contiene las instrucciones para activar y regular la actividad de la célula y su reproducción. Capacidad para reproducirse a sí mismas: La reproducción celular se realiza por división, a partir de una célula madre. La célula se prepara para realizar este proceso, de tal forma que antes de la división el material genético se duplica con mucha fidelidad y cada célula hija recibe una dotación completa e igual de información genética. Capacidad para captar y consumir energía: La radiación electromagnética del sol es la fuente principal de energía requerida para la vida del planeta. Mediante la fotosíntesis la energía lumínica se convierte en energía química expresada en la formación de carbohidratos. La energía atrapada en estas moléculas suministra el combustible necesario para realizar las actividades de todos los organismos que habitan el planeta. En el hombre la glucosa circula a través del cuerpo suministrando energía química a todas las células, la glucosa se descompone en el interior de las células de tal manera que uno de los productos 33 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 finales, el ATP (Adenosa trifosfato), es rápidamente utilizado en las actividades que requieren energía dentro de las células. Propio metabolismo celular: En todas las células se llevan a cabo múltiples reacciones químicas que permiten conservar la estabilidad celular. La célula más sencilla (Bacteriana) efectúa cientos de diferentes transformaciones químicas y en la mayoría de los casos y para todas las células los cambios químicos requieren enzimas que incrementan la velocidad de las reacciones químicas en los seres vivos. Este conjunto de reacciones que ocurren dentro de la célula representan el metabolismo celular que comprende el catabolismo o degradación de compuestos y el anabolismo o síntesis de compuestos a partir de moléculas sencillas. Capacidad de autorregulación: Además de tener un metabolismo propio las células cuentan con una regulación continua, para lo cual, se requieren diversos mecanismos de control. La importancia de los diferentes mecanismos de regulación se hace más evidente cuando fallan. Por ejemplo, cuando una célula no puede corregir un daño a nivel del ADN se genera una mutación, esto hace que la célula se transforme y produzca células hijas alteradas, que inducen nuevas mutaciones, las cuales pueden ocasionar una transformación en los tejidos o la formación de un tumor cancerígeno con capacidad para destruir todo el organismo. En la célula, el molde para elaborar las proteínas se encuentra en los ácidos nucleídos; estas dos macromoléculas constituyen el principal factor diferenciador entre lo vivo y lo inerte. Capacidad para responder a estímulos: Todas las células que forman los seres vivos responden a estímulos, unas de forma más evidente que otras. Por ejemplo, un protozoario como la Euglena o el Paramecio, se desplaza hacia una fuente de nutrientes ó se alejan de un objeto que se interpone en su camino haciendo evidente la respuesta a estos estímulos. Por el contrario, la célula dentro de una planta ó animal multicelular responde a los estímulos de forma menos evidente. La capacidad de respuesta esta mediada en la mayoría de las células por receptores que interactúan de manera muy específica con sustancias del medio como hormonas, factores de crecimiento, materiales extracelulares y sustancias situadas en la superficie de otras células. Los receptores al interactuar con estas sustancias extracelulares desencadenan al interior de la célula una serie de señales en cascada que provocan una respuesta específica. Lección 3: Utilidad e importancia del estudio de la Biología Celular Molecular En la actualidad se busca alcanzar un conocimiento completo de las funciones celulares en términos moleculares; especialmente si se tiene en cuenta, que el desarrollo de la biología celular molecular ha tenido un auge sorprendente 34 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 en los últimos treinta años cambiando el enfoque de las áreas tradicionales de la biología. La biología molecular de la célula se centra básicamente en el estudio de cómo los genes gobiernan la actividad celular. Es importante tener en cuenta que los procesos vitales pueden expresarse en términos de la interacción de moléculas, átomos y partículas subatómicas; en este sentido, la interpretación de la biología molecular se basa en los conceptos modernos de la física y la química, y su aplicación a los fenómenos biológicos. Con la interacción entre estas ciencias, la biología molecular ha permitido obtener información sobre cómo se codifica la información genética; se ha establecido cómo las mismas moléculas llevan a cabo las mismas funciones en organismos fenotípicamente diferentes. Por ejemplo, los filamentos de actina, y la enzima que sintetiza ATP son prácticamente idénticos en organismos tan diversos como las levaduras, los pájaros y los árboles de pino rojo. De igual forma, procesos como la construcción de una membrana, la síntesis de proteínas y la conservación de energía química son similares en todos los seres vivos; en otras palabras, la unidad bioquímica que existe entre los seres vivos ha sido revelada por la biología molecular. Lección 4: Método científico y su utilidad Cuando se habla de la utilidad del método científico se piensa en ciencia e investigación científica. La ciencia, bajo la utilidad del método científico, puede considerarse como el conocimiento científico organizado ó el proceso por el cual se llega al conocimiento. Esto implica, la utilización de una metodología rigurosa para realizar observaciones de fenómenos específicos y para buscar el orden que sostiene estos fenómenos. En general las ciencias, incluida la biología, utilizan el método científico; el cual parte de la observación y permite llegar a una conclusión que para constituirse en una teoría debe ser probada y apoyada por tantas investigaciones que pocos científicos duden de su validez. Es importante reconocer los límites del método, en especial las conclusiones científicas deben permanecer como tentativas y están sujetas a revisión si así lo requieren nuevas observaciones ó experimentos. En este sentido, la ciencia ha usado teorías incorrectas en el pasado, en el presente y las seguirá teniendo en el futuro. Lección 5: Pasos del método y su importancia en investigación Para la investigación científica el método científico representa una serie ordenada de pasos a seguir (etapas) para llegar al conocimiento. Estas etapas presentan ciertas características y están interrelacionadas con el fin de permitir rigurosidad, calidad, originalidad, profundidad y sentido ético a las investigaciones. A continuación se describe cada una de ellas: 35 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 1. Observación: Toda investigación científica parte de la observación de un fenómeno específico. La observación puede ser cualitativa, se refiere a características, ó cuantitativa, a cantidad de personas, animales, plantas microorganismos que presentan un fenómeno particular ó que están involucrados en la presencia de dicho fenómeno. Esta observación genera preguntas ¿Cómo sucedió esto? ¿Por qué sucedió? 2. Revisión de conceptos: Se busca información relacionada con el fenómeno observado que permita limitar la estructuración de las preguntas. 3. Formulación de hipótesis: La ciencias actúa mediante la postulación y prueba de hipótesis. Las hipótesis son explicaciones tentativas al fenómeno observado. También se han definido como la suposición basada en observaciones previas que se ofrece como explicación de un suceso y que se usa como la base para observaciones ó experimentos futuros. 4. Diseño experimental: Los experimentos se deben diseñar tratando de eliminar la mayoría de variables que puedan afectar los resultados experimentales. Para tener validez científica, es necesario incluir controles en los experimentos en los cuales todas las variables permanecen constantes y solo la variable que se está probando cambia. De esta forma, el experimento se debe diseñar para probar una predicción específica permitiendo rechazar ó confirmar dicha predicción. 5. Análisis de datos: Una vez se realiza el experimento la información obtenida se puede expresar en números, la cuantitativa, ó en características, la cualitativa; con el fin de analizarla para establecer si se apoya ó se rechaza la hipótesis. 6. Conclusión: Determina la respuesta fundamental obtenida mediante cada uno de los procesos anteriores. Representa la generación de nuevo conocimiento. 7. Comunicación a la comunidad científica: Este es uno de los pasos más importantes debido a que permite difundir el nuevo conocimiento con el fin de que sea verificado por otros científicos. 8. Teoría: Se habla de teoría cuando una conclusión, obtenida a través del método científico, es probada y apoyada por muchas investigaciones que ratifican su validez. 36 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 CAPÍTULO 2: ORIGEN DE LA VIDA Introducción Los organismos vivos comparten los principales componentes bioquímicos debido a que por historia evolutiva se conoce que los átomos se agruparon para conformar moléculas que a su vez fueron interactuando y formaron macromoléculas constituyendo las primeras formas vivientes. En ese mundo primitivo se generaron actividades como intercambio energético con el medio extracelular estableciéndose inicialmente una estrategia consumidora de los nutrientes presentes en el "caldo primitivo", que luego se combinó con una estrategia de conversión energética para sintetizar nuevas moléculas. De esta forma, comienza la formación de las primeras estrategias metabólicas que marcan el posterior desarrollo del cambio de los organismos a través del tiempo. Sin embargo, la estructura de las células iniciales cambió, surgiendo nuevas versiones de células más complejas que tenían compartimientos internos, esto las diferenciaba de las células originales que solo estaban rodeadas por una membrana citoplasmática. Esta mayor complejidad tuvo como consecuencia modificaciones en la transmisión del material hereditario y en las formas de reproducción, surgiendo la posibilidad de la reproducción sexual, cuyas características la convirtieron en una estrategia muy difundida y de gran valor entre los organismos por proporcionar un patrón diferente, la diversidad. En la reproducción sexual, la organización y estructura de los sistemas genéticos adquiere gran valor debido a las potencialidades que representa para un organismo tener determinada estructura en sus genomas. A partir de la reproducción sexual se genero una explosión de vida originando, a través del tiempo, todos los organismos existentes hasta hoy (Figura 1. 1). 37 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.1 ORIGEN EVOLUTIVO. EXPLOSIÓN DE VIDA POR REPRODUCCIÓN SEXUAL Lección 1. Evolución Bioquímica La conformación de la vida está enmarcada en muchas hipótesis y aproximaciones teóricas que intentan explicar los eventos que ocurrieron en el inicio de la vida. Algunas de esas teorías explican, la organización de las primeras biomoléculas, hasta la aparición de las primeras células. Es importante tener en cuenta que, aunque muchas de estas teorías tienen evidencias experimentales importantes, la imposibilidad de recrear con exactitud las condiciones fisicoquímicas del escenario terrestre donde ocurrió el inicio de la vida, hace que estas teorías sean refutadas o modificadas muy a menudo. Al comparar las células procariotas y eucariotas y observar que comparten un lenguaje genético idéntico, un conjunto común de vías metabólicas y rasgos estructurales comunes se puede afirmar casi con certeza que las eucariotas evolucionaron a partir de ancestros procariontes. En este contexto, la materia viva ha generado un conjunto de reacciones bioquímicas con modificaciones a través del tiempo, por ejemplo, el metabolismo de los azúcares que han marcado diferencias entre los seres vivos. Lección 2. Células Primitivas 38 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 En los fósiles, dejaron sus huellas las primeras células. Estos son masas de calizas finamente estratificadas en forma de montículo denominadas estromatolitos, con una antigüedad de 3400 millones de años. Se ha determinado que los organismos que dejaron estos fósiles eran cianobacterias y otros procariotas coloniales que vivían en aguas poco profundas y que lograron sobrevivir gracias a la ausencia de organismos que los consumieran. En la actualidad existen estromatolitos vivos en zonas costeras de alta salinidad donde forman comunidades de procariotas en forma de malla. El dominio de los procariotas, que habían logrado generar un sistema sostenible con sus estrategias metabólicas básicas en equilibrio, se evidencia por la existencia de fósiles antiguos. De estos fósiles se puede deducir el tamaño, la forma y el grado de complejidad morfológica que resulta ser muy parecida a la de los procariotas actuales. Otros microfósiles encontrados en épocas más reciente (1500 millones de años) corresponden a células eucariotas debido a sus características; unicelulares, con membranas internas, cuerpos internos, conjuntos de cuatro células (producidas probablemente por mitosis) y un tamaño entre 10-100 nm, mayor al reportado para fósiles más antiguos entre 1-10nm. La primera división fundamental entre los primeros organismos unicelulares es la divergencia entre procariotas y eucariotas y consiste en diferencias estructurales y metabólicas, las cuales están representadas en todos los organismos actuales, que según su estructura celular solo pueden encontrarse en la categoría procariota ó eucariota. Lección 3. Vida en el agua El agua es un elemento esencial donde se asume se origino la vida; en este sentido, para entender el proceso se han recreado las condiciones en las que vivieron los primeros organismos. Estos evidentemente, fueron entidades unicelulares con funciones mínimas capaces de sostener el intercambio energético con el medio externo. Se distinguen en este momento dos estrategias fundamentales del metabolismo primitivo: organismos heterótrofos y organismos autótrofos. Los heterótrofos dependieron de materia orgánica disponible en el medio acuático existente, el intercambio energético se realizaba al incorporar sustancias que se degradan internamente liberando energía y desechos. De esta forma, la materia orgánica sintetizada en el “caldo primitivo” era consumida en este caso si este proceso se hubiera conservado, la vida pronto se habría autoconsumido. Por lo tanto, surgió una estrategia alterna: la autonomía sintética de materia orgánica, en la cual se independizaba el intercambio energético del ambiente acuático primitivo. Esta estrategia dependió de tres elementos básicos: una fuente de energía (química o lumínica), una fuente de carbono simple y un transportador de electrones. En este sentido, los nuevos organismos autónomos (autótrofos) compiten con los organismos primitivos consumidores (heterótrofos). Luego los organismos heterótrofos consiguen materia orgánica alterna al consumir a los propios organismos autótrofos, formándose así una interrelación que se mantiene en equilibrio estable en términos metabólicos. Con esto se modificó 39 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 significativamente el ambiente para los organismos que existirían después durante la historia de la vida en este planeta. Lección 4. Importancia del Oxígeno Los organismos autótrofos condicionaron el ambiente al dejar como producto metabólico el oxígeno, esto origino aumento en la concentración de oxígeno en la atmósfera hasta llegar al actual 21%. Este producto se genera durante el proceso fotosintético donde se convierten moléculas de dióxido de carbono en materia orgánica gracias a la energía de la luz. Para involucrar al dióxido de carbono en este proceso es necesario que esta molécula sea más reactiva, pues en la atmósfera está en estado oxidado. Esto se hace por medio de la transferencia de electrones a partir de un donador que en los primeros tiempos fue el H2S, a partir del cual era liberado como producto de desecho azufre. Luego el agua fue el donador de electrones cuyo producto de desecho es el oxígeno. En este sentido, el dióxido de carbono entra a formar parte de la materia orgánica en los primeros organismos, de hecho, las cianobacterias aún siguen siendo la ruta principal de entrada de elementos de la atmósfera a la biosfera (CO2 a través de la fotosíntesis y N2 por medio de la fijación biológica de nitrógeno), su autosuficiencia les permite vivir solo de agua, luz y aire. Esta estrategia energética se ha conservado desde el inicio de la vida y condujo al cambio de las proporciones de los elementos atmosféricos que ha permitido a la vida, seguir su camino a mayores complejidades. Lección 5. Respiración y heterótrofos Las consecuencias de la estrategia heterótrofa es la dependencia de oxígeno liberado por los autótrofos cerrando así el ciclo del carbono. Los primeros organismos heterótrofos solo eran capaces de degradar la materia orgánica en compuestos relativamente grandes; de esta manera, la glucosa era degradada hasta ácido láctico o etanol a través de la glicólisis anaeróbica. Pero el aumento de la concentración de oxígeno en la atmósfera permitió a los organismos oxidar de modo más completo la materia orgánica que consumían, hasta volver a convertir la glucosa en su unidad mínima inicial: dióxido de carbono. Por esta razón, la respiración oxidativa y la fotosíntesis son procesos antagónicos que permiten cerrar el ciclo del carbono, elemento que compone la materia orgánica, de donde se obtiene la energía necesaria para el mantenimiento de la vida. 40 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 CAPÍTULO 3: BIOMOLÉCULAS Y CÉLULAS Introducción La célula viva está constituida básicamente por cuatro elementos químicos: el carbono (C), el Hidrógeno (H), el oxígeno (O) y el nitrógeno (N), los cuales representan alrededor del 99% de la masa de las células. Estos cuatro elementos conforman los principales componentes de las biomoléculas, las cuales son los constituyentes esenciales de los organismos vivos. Lección 1. El origen de la célula Las células procariotas, con sus funciones integradas en un organismo unicelular, aparecieron inicialmente como versión primitiva de la célula actual. Los procariotas actuales forman el reino Mónera que se caracteriza principalmente porque las células carecen de núcleo; estos organismos pueden ser autótrofos o heterótrofos, anaeróbicos o aeróbicos respecto a la manera como degradan la materia orgánica, y los autótrofos a su vez: fotosintéticos o quimiosintéticos respecto a su estrategia autótrofa. Presentan paredes celulares que los diferencian dependiendo de los componentes relacionados con azúcares y péptidos; algunos se mueven por medio de flagelos (bacterias) o flujos citoplasmáticos que hacen girar las colonias filamentosas (cianobacterias) y otros son inmóviles. Su reproducción es por fisión binaria; de tal forma, que la información genética de las células hijas es idéntica, siendo los individuos resultantes clones (copias exactas). Las células eucariotas primitivas y las actuales comparten una serie de características con los procariotas, lo cual indica la importancia de esas características que se mantienen desde el inicio de la vida en las estructuras celulares. El estado unicelular y la membrana celular de algunos eucariotas son comunes en organismos del reino Protista. Respecto al metabolismo, los eucariotas definen sus estrategias perdiendo la heterogeneidad observada en los procariotas. Los organismos del reino Plantae tienen como estrategia metabólica la fotosíntesis que los convierte en autótrofos, por el contrario los organismos de los reinos Fungi y Animalia son heterótrofos. La mayoría de los eucariotas, excepto algunos protistas, son aerobios respecto a la manera como degradan la materia orgánica. Esta especialización metabólica se refleja estructuralmente en los organelos que le dan complejidad a la célula eucariota: la estrategia autótrofa de las plantas se realiza en los cloroplastos y la respiración aeróbica de todos los eucariotas en las mitocondrias. 41 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 En términos de origen, la complejidad estructural y funcional de la célula eucariota, que llegó a dar origen a cuatro de los cinco reinos vivos se piensa surgió de los procariotas que dieron origen a los eucariotas, esta explicación se basa en el registro fósil. La teoría más difundida sobre el origen de los eucariotas es la Endosimbiosis entre células procariotas de diferentes tamaños y funciones. Esta teoría en 1967 fue revivida por Lynn Margullis y explica claramente el origen de mitocondrias y cloroplastos pero no explica otras diferencias entre eucariotas y procariotas. En cuanto a las características de las mitocondrias la evidencia de su origen procariota radica en la similitud en cuanto a su forma y tamaño, contienen ADN de doble cadena y circular, sintetizan sus propias proteínas, se dividen por fisión binaria y toda la respiración oxidativa ocurre allí. Muchas bacterias actuales respiran como las mitocondrias, entonces se asume que algún organismo anaeróbico que sobrevivió a las condiciones atmosféricas que acumulaban oxígeno fagocito a estas procariotas lo cual permitió consumir el oxígeno atmosférico y producir energía. El mantenimiento de esta asociación endosimbiótica explicaría la existencia de las mitocondrias en las células eucariotas. Actualmente existen eucariotas que se deben parecer a los primeros eucariotas que sobrevivieron en la atmósfera primitiva pobre en oxígeno, los cuales carecen de mitocondrias y sobreviven en ambientes pobres de oxígeno como el tracto digestivo de los animales. Con este tipo de evidencias, junto a análisis comparativos de secuencias de ADN, de los genes que codifican para las enzimas de la respiración oxidativa, se reconstruye el origen de los organismos que estuvieron involucrados en ese fenómeno primitivo de endosimbiosis. La eficiencia metabólica ganada por los eucariotas también se reflejó en las nuevas funciones que pudo conseguir la membrana celular al verse aliviada de las tareas respiratorias. Funciones como la señalización eléctrica y el control de la permeabilidad de iones permitieron nuevas interacciones entre las células eucariotas en su estado multicelular. En cuanto a los cloroplastos, estos realizan la fotosíntesis de manera muy semejante a las cianobacterias, son semejantes en forma y tamaño; igualmente, en la disposición de la clorofila en las membranas, la forma de reproducción por fisión binaria, síntesis de proteínas y la presencia de ADN de doble cadena. En este sentido, la endosimbiosis con una cianobacteria ancestral, volvió autótrofos a los eucariotas que la contenían, la consecuencia de esta unión origina el reino Plantae. Lección 2. Teoría Celular Con los trabajos realizados por el botánico Matthias Schleiden (1938) y el zoólogo Theodor Schwann (1939) se logro determinar la importancia de las células. Schleiden estableció que a pesar de las diferencias en estructura, las plantas estaban constituidas por células y que el embrión de una planta tuvo su origen en una sola célula. Por su parte Schwann publico un trabajo sobre las bases celulares de la vida animal y concluyo que las células de plantas y animales eran estructuralmente similares proponiendo los dos principios básicos de la 42 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Teoría Celular: - Todos los organismos están compuestos por una ó más células. La célula es la unidad estructural de la vida. En 1855, el patólogo Alemán Rudolf Virchow, propuso el tercer principio de la teoría celular: - Las células solo pueden originarse por división de una célula preexistente. Lección 3. Bioelementos y Biomoléculas Una de las características de la materia viva es la capacidad de renovar estructuras, en este sentido, los organismos vivos tienen un orden molecular complejo que parte inicialmente de la fusión de átomos; por esta razón, es importante establecer la importancia de los elementos químicos presentes en los seres vivos. Estos elementos también llamados biogénicos se pueden clasificar según su abundancia y su función. A su vez según su abundancia se clasifican en: Bioelementos primarios, secundarios y oligoelementos, las características y proporciones en que se encuentran se relacionan en la figura 1.2. En cuanto a los oligoelementos es importante resaltar que a pesar de que se encuentran en cantidades ínfimas representan un papel fundamental pues la ausencia de uno de ellos ocasiona enfermedades de gran implicación para el buen funcionamiento del organismo. En la figura 1.3 se relacionan las alteraciones provocadas por déficit de estos oligoelementos. FIGURA 0.2 CLASIFICACIÓN DE LOS BIOELEMENTOS SEGÚN SU ABUNDANCIA. 43 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.3: ENFERMEDADES OCASIONADAS POR DÉFICIT DE OLIGOELEMENTOS 44 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.4: CLASIFICACIÓN DE LOS BIOELEMENTOS SEGÚN SU FUNCIÓN. Las Biomoléculas se originan a partir de hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno; estos cuatro bioelementos representan más del 99% de todos los átomos, con la singularidad de que ninguno de ellos, excepto el oxígeno, se encuentra entre los ocho elementos más abundantes de la corteza terrestre. Ahora sería preciso preguntarse por qué han sido estos cuatro elementos los que conforman las biomoléculas? De su estructura electrónica y de pequeño tamaño se puede deducir: 1. Facilidad de formar enlaces covalentes entre ellos, compartiendo electrones, 2. Disponibilidad de los átomos de carbono para la formación de esqueletos carbonados tridimensionales, 3. El que se favorezca la formación de enlaces dobles y triples entre algunos de esos átomos, 4. Posibilidad de establecer enlaces que facilitan la formación de estructuras lineales, ramificadas, cíclicas, heterocíclicas entre otras, 5. Con muy pocos elementos se da lugar a una gran variedad de grupos funcionales, con propiedades diferentes. Estas biomoléculas, sillares indispensables para la vida, pueden agruparse según su naturaleza química en Moléculas inorgánicas: agua, gases, sales; y Moléculas orgánicas: Carbohidratos, Lípidos, Proteínas y Ácidos Nucléicos (Figura 1.5). Dentro de las moléculas orgánicas se encuentran las no informacionales (Carbohidratos, lípidos) y las informacionales (Proteínas, ácidos nucleídos). Moléculas Inorgánicas: Estas comprenden el bióxido de carbono y todas las moléculas que no contienen carbono. En este contexto se encuentran los gases, sales inorgánicas y el agua. De las moléculas inorgánicas el agua abunda en la tierra y es considerada indispensable para la vida. De hecho, se puede decir con certeza que la vida surgió en las aguas de la tierra primitiva. Los organismos actuales contienen entre un 60 a 90% de agua y la vida en la tierra depende de las propiedades del agua. El agua interactúa con muchas moléculas por su propiedad de disolver una gran cantidad de sustancias, en especial la sal. 45 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.5: CLASIFICACIÓN SEGÚN LA NATURALEZA QUÍMICA DE LA BIOMOLÉCULAS. El agua es una molécula polar, donde los extremos de hidrógeno, cargados positivamente, atraen iones cargados negativamente; los externos de oxígeno, cargados negativamente, rodean iones con carga positiva. La figura 1.6 muestra la propiedad del agua como solvente. 46 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.6: EL AGUA POR SU POLARIDAD PERMITE QUE SUSTANCIAS POLARES Y CARGADAS SE DISUELVAN. AL CAER UN CRISTAL DE SAL DENTRO DEL AGUA, LAS MOLÉCULAS DE AGUA SE INTRODUCEN ENTRE LOS IONES DE SODIO Y CLORO. POR CONSIGUIENTE AISLADAS DE ATRACCIÓN POR OTRAS MOLÉCULAS DE CLORURO DE SODIO, LOS IONES FLOTAN Y EL CRISTAL SE DISUELVE GRADUALMENTE. Las moléculas polares y con carga reciben el nombre de hidrofílicas, debido a su atracción eléctrica por el agua; moléculas como azúcares ó aminoácidos se disuelven rápidamente en el agua. Por el contrario, las moléculas que no tienen carga y no son polares, como las grasas y los aceites se denominan hidrofóbicas. El agua actúa como componente estructural de proteínas, polisacáridos y otras las macromoléculas debido a que estabiliza su estructura mediante la formación de puentes de hidrógeno. Otra propiedad fisiológica importante es servir de transporte en el organismo y permitir la realización de las reacciones químicas en los seres vivos. El agua es el sustrato ó el producto de diversas reacciones enzimáticas, participa como reactante ó producto en las vías metabólicas. La propiedad termorreguladora del agua permite el equilibrio de temperaturas en todo el cuerpo. Lección 4. Moléculas orgánicas importantes para la vida Dentro de las moléculas orgánicas se encuentran las no informacionales (Carbohidratos, lípidos) y las informacionales (Proteínas, ácidos nucleídos). Es importante conocer que la química de la vida se centra en la estructura y actividad del carbono, esto debido principalmente a que el carbono tiene la particularidad de formar un gran número de moléculas. Este elemento contiene en su capa externa cuatro electrones y por lo tanto puede enlazarse a otros cuatro átomos. A su vez, el carbono forma enlaces con otros átomos de carbono y de esta manera, se organizan esqueletos que contienen cadenas largas de átomos constituyendo estructuras lineales, ramificadas ó cíclicas. Carbohidratos: Los carbohidratos químicamente son aldehídos o cetonas polihidroxilados. Están ampliamente distribuidos en animales y vegetales, donde desempeñan funciones estructurales y metabólicas. Los animales pueden sintetizar algunos carbohidratos a partir de proteínas y lípidos, pero el mayor número de carbohidratos de animales se deriva en último término de los vegetales. La función de los carbohidratos es almacenar energía química y como material de construcción durable para estructuras biológicas. En el organismo la glucosa es convertida en otros carbohidratos que cumplen funciones básicas como el glucógeno (Figura 1.7) (almacenamiento), galactosa (en la lactosa de la 47 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 leche, asociada a lípidos complejos o a proteínas) y la ribosa en los ácidos nucleídos. FIGURA 0.7: EL GLUCÓGENO ES UN POLÍMERO DE GLUCOSA CON ENLACES GLICOSÍDICOS (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) Los carbohidratos se caracterizan físicamente por ser azúcares sólidos, blancos, cristalinos, hidrosolubles, son capaces de desviar el plano de la luz polarizada y presentan planos de simetría en sus moléculas. Químicamente tiene como propiedades capacidad reductora, deshidratación, oxidación, alargamiento de cadena y formación de glucósidos. Los carbohidratos se clasifican en Monosacáridos (Figura 1.8), Disacáridos y Polisacáridos. Los Monosacáridos no se pueden hidrolizar en moléculas más sencillas y se dividen en simples (glucosa, fructuosa y galactosa) y derivados (desoxiazúcares, aminoazúcares, alditoles, azúcares ácidos, ésteres fosfóricos y azúcares mixtos). 48 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.8: MONOSACÁRIDOS SIMPLES. (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) Los Disacáridos (Figura 1.9) producen dos moléculas del mismo o diferente monosacárido. Como ejemplos se tiene Maltosa (Glucosa- Glucosa), Sacarosa (Glucosa-Fructuosa), Lactosa (Glucosa-Galactosa), entre otros. 49 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.9: SÍNTESIS Y ROMPIMIENTO DE UN DISACÁRIDO: A) LA SACAROSA ES SINTETIZADA POR UN REACCIÓN DE DESHIDRATACIÓN, EN LA CUAL UN HIDRÓGENO (-H) SE SEPARA DE LA GLUCOSA Y UN GRUPO HIDROXILO (-OH) DE LA FRUCTOSA, FORMANDO UNA MOLÉCULA DE AGUA Y DEJANDO LOS DOS MONOSACÁRIDOS LIBRES PARA UNIRSE POR LA CADENA SIMPLE, PERMANECIENDO EL ÁTOMO DE OXÍGENO. B) LA HIDRÓLISIS DE LA SACAROSA ES SÓLO LA INVERSIÓN DE ESTA SÍNTESIS, EL AGUA SE DIVIDE Y AÑADE A LOS MONOSACÁRIDOS ANTERIORES. (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) Los polisacáridos, son carbohidratos que al ser hidrolizados generan múltiples unidades monoméricas de monosacáridos (más de 10) este es el caso del glucógeno, almidón y celulosa. La figura 1.10 muestra la estructura de la quitina un polisacárido no ramificado del azúcar N- acetilglucosamina, similar en la estructura a la glucosa, pero tiene un grupo acetilamina en lugar del grupo hidroxilo. Este polisacárido se encuentra en la mayoría de los invertebrados, especialmente, en la cubierta externa de crustáceos, arañas e insectos. FIGURA 0.10: POLISACÁRIDOS, QUITINA. (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) Lípidos: Son compuestos muy heterogéneos poco o nada solubles en el agua pero muy solubles en disolventes orgánicos. Tienen como funciones ser los componentes básicos de las membranas biológicas, actúan como aislantes que previenen choques mecánicos y físicos, en el tejido adiposo constituyen depósitos de grasas que son formas de almacenar carbono y energía; además, generan protección que puede evitar infecciones y pérdidas o entradas excesivas de agua. El lípido químicamente es un éster de ácido graso con diversos alcoholes. Estas moléculas se clasifican en: 50 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Lípidos Simples: Como las grasas (ésteres de ácido graso con glicerol) y ceras (ésteres de ácido graso y con alcoholes monohidroxílicos de alto peso molecular). Lípidos Complejos: Son ésteres de ácidos grasos que contienen otros grupos químicos además del alcohol y del ácido. De esta forma se encuentran los fosfolípidos (contienen además de las unidades básicas un grupo fosfórico), (Figura 1.11) esfingolípidos (contienen esfingosina en lugar de glicerol), glucolípidos (contienen además de las unidades básica un carbohidrato). Lípidos precursores y derivados: Dentro de estos se encuentran las hormonas, las vitaminas liposolubles y las prostanglandinas. FIGURA 0.11: LOS FOSFOLÍPIDOS SON SIMILARES A LAS GRASAS Y ACEITES, EXCEPTUANDO QUE LOS DOS ÁCIDOS GRASOS DE LA COLA SON UNIDOS A LA CADENA DEL GLICEROL. EN LA TERCERA POSICIÓN EL GLICEROL ES OCUPADO POR UNA CABEZA POLAR COMPUESTA POR UN GRUPO FOSFATO (-PO), EL CUAL ESTÁ LIGADO AL SEGUNDO QUE CON FRECUENCIA CONTIENE UN GRUPO NITRÓGENO. (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) 51 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Proteínas: Las proteínas son asociaciones de aminoácidos, por lo tanto, químicamente tienen un grupo amino y uno carboxilo; los aminoácidos se unen a través de un enlace peptídico. Estos se caracterizan por ser ópticamente activos, ionizables, amortiguadores biológicos (especialmente aquellos que tienen una constante de ionización próxima al valor del pH fisiológico). Son sólidos solubles en agua. Químicamente tienen las reacciones de los grupos carboxilo, amino y grupo lateral R (cadena carbonada). Los aminoácidos se clasifican según varios parámetros: Hidrofobicidad: Aquí se encuentran los hidrófobos (Triptófano, valina, tirosina, fenilalanina) hidrófilos (Histidina, ácido aspártico, lisina, serina, treonina, glutamina. PH: ácidos (ácido aspártico, ácido glutámico), básicos (arginina, lisina) y neutros (fenilalanina, glicina). Nutrición: Esenciales, los que están presentes en la dieta y que el organismo es incapaz de sintetizar (Leucina, metionina, fenilalanina), No esenciales (obtenidos también a través de la dieta pero pueden sintetizarse mediante intermediarios metabólicos por transaminación (glicina, prolina, serina). Con Cadena alifática (glicina, alanina). Con Cadena Aromática (Con anillos cíclicos Histidina, Fenilalanina, Triptófano). Con átomos de azúfre (cisteína, metionina). Con grupos Hidróxilo (serina, treonina, tirosina). A partir de 20 aminoácidos se originan todas las proteínas existentes en los organismos vivos; la complejidad, diversidad y presencia de proteínas en una especie dada viene determinada por el código genético. Las proteínas en el cuerpo humano representan múltiples funciones entre las principales se encuentran servir como portadores de vitaminas, oxígeno, dióxido de carbono; además, llevan a cabo funciones estructurales, cinéticas, catalíticas, de movimiento y de señalización. De ahí que mutaciones en genes que codifican proteínas o en regiones de ADN que controlan la expresión génica, generen consecuencias desastrosas en el organismo. Las proteínas se clasifican según: Estructura: en fibrosas y globulares 52 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Funciones biológicas: Enzimas (deshidrogenasas, cinasas), proteínas reguladoras (Proteínas unidas al ADN, hormonas peptídicas), proteínas estructurales (colágeno, proteoglucanos), proteínas de almacenamiento (ferritina, mioglobina), proteínas protectoras (factores de coagulación, inmunoglobulinas), proteínas de transporte (hemoglobina, lipoproteínas plasmáticas) y proteínas contráctiles (tubulina, actina). La figura 1.12 muestra la estructura de las proteínas: Estructura primaria que determina el número y clase de aminoácido presente en la proteína. Estructura secundaria determina la forma en que se unen los aminoácidos en la proteína, la posibilidad de establecer enlaces no covalentes permite adoptar conformaciones más estables (Conformación en helicoide α, conformación hoja plegada β). Estructura terciaria determina la conformación tridimensional de la proteína (colágeno, queratina) generando nuevos plegamientos por presencia de otros enlaces diferentes al peptídico y al puente de hidrógeno entre ellos los puentes disulfuro, las fuerzas electrostáticas, los enlaces hidrofóbicos y los enlaces polares. Estructura cuaternaria determina la asociación de diversas cadenas que dan origen a estructuras globulares. 53 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.12: ESTRUCTURAS BÁSICAS DE LAS PROTEÍNAS (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) Las enzimas son proteínas con propiedades catalíticas están conformadas por dos partes fundamentales: Apoenzima: Parte proteica inactiva Holoenzima: Conformada por el complejo proteína cofactor. El cofactor puede ser una molécula inorgánica como un ión metálico (Metaloenzima) o puede ser una molécula orgánica, en tal caso se denomina coenzima; la holoenzima es activa catalíticamente. Las enzimas son altamente específicas según el sustrato en el cual actúen. Ácidos Nucléicos: Las dos clases básicas de ácidos nucleídos en los seres vivos son el ADN (Ácido desoxirribonucleico) y RNA (Ácido Ribonucleico). Diferencias y similitudes entre ADN y RNA: Químicamente son polímeros constituidos por unidades básicas denominadas nucleótidos cada nucleótido consta de tres estructuras químicas (Figura 1.13): 54 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Azúcar pentosa (Desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN) Base nitrogenada que se une al carbono 1 del azúcar estas se dividen en Purinas (Figura 1.14) (Se caracterizan por tener dos anillos formando su estructura y son la Adenina y la Guanina) y Pirimidinas (Figura 1.15) (Poseen un solo Anillo y son la Citosina, la Timina y el Uracilo); en el ARN no hay timina sino Uracilo; la complementariedad de estas bases para formar el ADN es A=T (unión establecida por dos puentes de Hidrógeno) y C=G (se establecen tres puentes de hidrógeno) (Figura 1.16 y 1.17.) Grupo fosfato que se une al azúcar por el carbono 5' o 3'. El enlace químico que se establece cuando se unen dos nucleótidos se denomina 3'-5' fosfodiester; de esta manera, múltiples enlaces generan asociación de gran cantidad de nucleótidos formando polímeros (Figura 1.18) FIGURA 0.13: COMPONENTES ESTRUCTURALES DE LOS NUCLEÓTIDOS, UNIDADES QUE CONSTITUYEN LOS ÁCIDOS NUCLEÍDOS 55 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.14: NUCLEÓTIDOS CONSTITUIDOS POR BASES PURICAS (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) FIGURA 0.15: NUCLEÓTIDOS CONSTITUIDOS POR BASES PIRIMÍDICAS (FUENTE: AUDERSIRK ET AL 2001) 56 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.16: FORMACIÓN DE DOS PUENTES DE HIDRÓGENO ENTRE ADENINA Y TIMINA (FUENTE: PURVES, ET AL 2001) FIGURA 0.17: FORMACIÓN DE TRES PUENTES DE HIDRÓGENO ENTRE CITOSINA Y GUANINA (FUENTE: PURVES, ET AL 2001) 57 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.18: MODELO DE ADN. DOS HEBRAS DE ADN ESTÁN ENROLLADAS EN UNA DOBLE HÉLICE QUE GIRA SOBRE SU EJE. (FUENTE: PURVES, ET AL 2001) Lección 5: Biomoléculas y actividad biológica. Las Biomoléculas presentan un papel fundamental para el buen funcionamiento de los seres vivos. Dentro de estas, la Macromoléculas (proteínas, ácidos nucleídos, polisacáridos y lípidos) ejecutan las actividades de la célula, son moléculas altamente organizadas que contienen gran cantidad de átomos de carbono. Estas estructuras complejas y gigantescas confieren a los organismos las propiedades de la vida. En todos los organismos desde una bacteria hasta el ser humano la estructura básica y función de las macromoléculas es similar. En la célula la mayoría de estas moléculas tienen una vida media corta en comparación con el ciclo de vida de la célula. Con excepción del ADN, las macromoléculas se rompen y se sustituyen continuamente; para esto, la célula cuenta con precursores de bajo peso molecular que se incorporan a las macromoléculas. Estos precursores son los monómeros de las macromoléculas; azúcares (polisacáridos), aminoácidos (proteínas), nucleótidos (ácidos nucleídos) y ácidos grasos (lípidos). En la actividad biológica de la célula además de estas macromoléculas se requieren intermediarios metabólicos; vitaminas, coadyuvantes de las proteínas; hormonas esteroides ó aminoácidos; moléculas, como el ATP, que intervienen en el almacenamiento de energía; moléculas, como el AMP cíclico, que tienen un papel importante en la regulación y productos de desperdicio metabólico como la urea. 58 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 59 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Actividades de Autoevaluación de la UNIDAD 1 En esta sección usted evaluará diversos aspectos de la actividad académica desarrollada en la unidad. Esta actividad tiene una valoración cualitativa de acuerdo a la siguiente escala: No satisfactorio, Satisfactorio, Supera lo esperado. En cada punto además de asignar la categoría correspondiente, dará una breve explicación de su respuesta. Autoevaluación de su trabajo individual. Usted describirá de manera cualitativa cual fue su rol como estudiante y su desempeño en el desarrollo, entrega y responsabilidad en las actividades de trabajo individual y colaborativo. Evaluación del desempeño de los compañeros de grupo de trabajo colaborativo. Debe indicar si hubo participación de sus compañeros, si el grado de compromiso en el desarrollo de trabajos colaborativos fue satisfactorio, no satisfactorio o supera lo esperado de cada uno de ellos justificando su apreciación Evaluación del material usado en la actividad de la unidad: Debe indicar y justificar si el material empleado para el desarrollo de esta unidad fue satisfactorio, no satisfactorio o supera lo esperado. Desempeño del rol del tutor. Debe dar su autoevaluación del tutor respecto a compromiso, responsabilidad, calidad, pertenencia, atención al estudiante, retroalimentación de trabajos y relaciones interpersonales. 60 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Fuentes Documentales de la Unidad 1 Audesirk, Teresa, et al. Biología, La Vida en la Tierra. Sexta Edición. Prentice Hall. México. 889 páginas. 2001. Alberts, Biología Molecular de la célula. Tercera Edición. Omega.1387 páginas.1994 Avers, Charlotee. Biología celular. Segunda Edición. Grupo Editorial Iberoamérica. México. 748 páginas. 1991. Cooper’s, Geoffreys M. La célula. Tercera Edición. Editorial Marban . 2006 Curtis, H. & Barnes, S. Biología. Editorial Médica Panamericana. Argentina.1199 páginas. 1993. Karp, Gerald. Biología celular y molecular. McGraw-Hill Interamericana. México. 746 páginas. 2001 Paniagua, Ricardo. Biología celular. McGraw-Hill Interamericana. México. 361 páginas. 1999. Purves,W. Y Otros. Life. The Sciencie of Biology. Sinauer Associates, Inc. U.S.A. 1.044 páginas. 2001. Villee, Claude A. Biología. Tercera edición. Interamericana. México. 1996 61 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 ORGANIZACIÓN CELULAR I CAPÍTULO PROCARIOTAS 1: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS Introducción Las células procariotas aparecieron en la tierra hace aproximadamente 3.500 millones, conformando los primeros organismos del tipo unicelular entre los que encontramos los organismos de los dominios: 1) Bacteria (bacterias y algas cianofíceas) y 2) Archaea (extremófilos). Los procariotas con células son estructuralmente más simples que las eucariotas, cuyo material genético se encuentra concentrado en la región central del citoplasma, pero carece de una membrana que defina un núcleo. El principal objetivo de este capítulo es el de reconocer los caracteres distintivos de las células procariotas. Lección 1. Estructura y función de las Células Procariotas Las células procariotas carecen de organelos debido a que no poseen ningún sistema de membranas interno y no poseen núcleo. Estas células están representadas por las bacterias que se conforman por las estructuras simples y son relativamente sencillas (Figura 2.1). 62 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.1: ESTRUCTURA GENERAL DE LA CÉLULA PROCARIOTA. (FUENTE: SMITH Y WOOD, 2001) A continuación se describen las partes de la célula procariota: Cápsula: Muchas bacterias poseen una envoltura amorfa de polímeros inorgánicos llamada cápsula o capa mucosa, que se halla fuera de la pared celular. Está formada por polisacáridos. En el ciclo de vida bacteriano la cápsula lleva a cabo únicamente funciones auxiliares. Parece intervenir en las interacciones célula–célula y puede ser que proporcione alguna protección contra agentes antibacterianos. Flagelos: Los flagelos son estructuras extendidas de proteínas, principalmente flagelina y se encuentran en muchos tipos de bacterias, incluyendo vibriones y bacilos a los que confieren movilidad. Son apéndices proteicos filiformes que se extienden desde la membrana, y pueden encontrarse distribuidos por toda la bacteria o sólo en los polos. Pilis (fimbrias): Constituyen estructuras de locomoción y fijación de la célula al tejido del huésped. Son similares a los flagelos, pero son más cortos y están constituidos por una proteína denominada pilina. Algunos pilis están encargados de la transmisión de material genético de una bacteria a otra, en cuyo caso se denominan pilis sexuales. 63 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Pared celular: La pared le proporciona protección osmótica a la bacteria, es esencial en la división celular, le da la forma y contiene determinantes antigénicos que sirven como factores de virulencia así como también para su clasificación serológica. Membrana citoplasmática: Es diferente de la de los eucariotes por la ausencia de esteroles. La membrana citoplasmática cumple con todas las funciones que tiene los organelos en la célula Eucariota: Permeabilidad selectiva y transporte de solutos. Transporte de electrones y fosforilación oxidativa en especies aeróbicas. Esto ocurre en invaginaciones de la membrana denominadas mesosomas, los cuales hacen el papel de las mitocondrias. Excreción de exoenzimas hidrolíticas, para degradar los polímeros en subunidades que penetren la membrana citoplasmática y sirvan como nutrientes. Muchas bacterias patógenas liberan exoenzimas como proteasas y toxinas que son factores de virulencia importantes. Funciones biosintéticas, hay sitios donde se depositan las enzimas necesarias para síntesis de fosfolípidos y compuestos de la pared celular. También hay sitios donde se localizan enzimas necesarias para la replicación del ADN, justo donde se fija éste, presumiblemente los mesosomas de tabique. Citoplasma: En él se pueden observar gránulos insolubles, que constituyen material de reserva, donde se depositan polímeros neutros que se conocen como gránulos metacromáticos, característicos de las corinebacterias. En él se encuentran: Ribosomas: Constituidos por RNA ribosomal y proteínas, difieren de los ribosomas de las células eucariotas en sus coeficientes de sedimentación. Proteínas: La mayoría de ellas son enzimas involucradas en el metabolismo celular. Plásmidos: ADN circular mucho más pequeño que el ADN bacteriano. Transportan genes extras que son usados en circunstancias especiales, como los son aquellos que confieren resistencia a los antibióticos. 64 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Mesosoma: Estructura que se forma por invaginaciones de la membrana cercanas a las zonas de división celular, que pueden estar relacionadas con la formación del tabique central. Material Genético: Un sólo filamento de ADN doble circular, al que se le considera como el cromosoma de la bacteria, está unido a los mesosomas, se piensa que esta fijación desempeña una función durante la división celular. En la mayoría de los procariotes, el ADN no contiene intrones. La división celular bacteriana se hace por fisión binaria. Consiste en la duplicación del material genético, alargamiento de la bacteria, formación de una membrana transversa que separa los dos cromosomas y el ensamble de una nueva pared celular. El crecimiento bacteriano depende básicamente de la disponibilidad de nutrientes en el medio. El mecanismo de recombinación del material genético o transferencia de genes tiene tres mecanismos: Transducción: Trasporte de genes por fagos de una bacteria a otra. En este caso el ADN es transferido de una célula a otra mediante la participación de un virus. La transferencia de los genes del huésped por los virus puede tener lugar de dos formas: transducción especializada, que ocurre únicamente con virus temperados, se caracteriza porque un grupo específico de genes del huésped es integrado directamente en el genoma viral, muchas veces sustituyendo a algunos de los genes virales y es transferido a la célula receptora durante el ciclo lisogénico, y transducción generalizada, en la cual los genes del huésped quedan como una parte de la partícula viral madura, en lugar del genoma viral o además de él. (Figura 2. 2). 65 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.2: PROCESO DE TRANSDUCCIÓN BACTERIANA. DESPUÉS DE LA INFECCIÓN DE UN FAGO, UNA DE LAS PARTÍCULAS SINTETIZADAS DE NOVO TOMA UN SEGMENTO DE ADN BACTERIANA EN LUGAR DEL VIRAL. CUANDO ESTA PARTÍCULA INFECTA A OTRA CÉLULA, INYECTA EL ADN BACTERIANO QUE RECOMBINA CON UN SEGMENTO HOMOLOGO DE LA SEGUNDA CÉLULA. (FUENTE: GRIFFITHS A ET AL, 2001) Conjugación: Paso de genes (plásmidos) por medio de los pilis sexuales. También se denomina apareamiento, es un proceso de transferencia genética que supone contacto entre dos células. El material genético transferido puede ser una copia de un plásmido o la copia de una porción del cromosoma sola o movilizada por el plásmido. En la conjugación una célula, la donadora, transmite información genética a otra célula, la receptora. En este proceso, debe ocurrir apareamiento específico entre las dos células. La donadora que posee el plásmido conjugativo presenta el pili sexual en su superficie, que es la estructura capaz de formar un puente entre las dos células para permitir el paso de la molécula de ADN. (Figura 2.3.). 66 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.3: PASO DE GENES UTILIZANDO PILIS SEXUALES. EL FACTOR F OTORGA A LA BACTERIA LA CAPACIDAD DE TRANSFERENCIA DURANTE LA CONJUGACIÓN. (FUENTE: GRIFFITHS A ET AL, 2001) Transformación: Captación directa ADN libre por una bacteria. Se caracteriza por la adición de ADN exógeno a una bacteria receptora y provoca un cambio genético. En este mecanismo se dice que una célula es competente cuando es capaz de adquirir una molécula de ADN y transformarse, parece que esta es una propiedad heredada por el organismo. En algunas bacterias la competencia está gobernada por proteínas especiales que juegan un papel importante en la captación y procesamiento del ADN. (Figura 2.4) FIGURA 0.4: PROCESO DE TRANSFORMACIÓN. AQUÍ SE EVIDENCIA INTERCAMBIO POR RECOMBINACIÓN HOMOLOGA. (FUENTE: GRIFFITHS A ET AL, 2001) 67 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Lección 2. Componentes de la Pared Celular. La pared celular se compone principalmente de peptidoglicano, macromolécula que consiste en una red bidimensional en forma de bolsa. En las bacterias Gram negativas el peptidoglicano forma una capa delgada, por el contrario las Gram positivas tienen una capa gruesa. Las paredes de las bacterias Gram negativas son complejas, una serie de lípidos y proteínas forman la membrana externa que cubre la delgada capa del peptidoglicano. En esta pared el espacio periplasmático está definido por dos membranas y contienen enzimas digestivas. En la membrana externa se encuentran proteínas, especialmente porinas, que forman canales inespecíficos; esta membrana contiene otras proteínas que actúan como permeasas selectivas. Las bacterias Gram negativas tienen en su pared lipopolisacáridos, macromoléculas características de este tipo de procariotas. Las paredes celulares de las bacterias Gram positivas contienen además del peptidoglicano, polisacáridos y ácidos teitoicos; estos son polímeros de ribitol ó glicerol unidos por enlaces fosfodiéster. La Figura 2.5 y 2.6 muestra las bacterias Gram positivas y Gram negativas respectivamente. FIGURA 0.5: ESTRUCTURA DE LA PARED CELULAR GRAM POSITIVA. A. PROTEÍNAS DE MEMBRANA. B. FOSFOLÍPIDOS. C. FOSFATIDILGLICOLIPIDO. D. GLICOLÍPIDO. E. PARED CELULAR (PEPTIDOGLICANO). (FUENTE: SMITH Y WORD 2001) 68 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.6: ESTRUCTURA DE LA PARED CELULAR GRAM NEGATIVA. A: TRÍMEROS DE PROTEÍNA PORINA, B:LIPOPOLISACÁRIDO, C:PROTEÍNAS DE LA MEMBRANA EXTERNA, D:PEPTIDOGLICANO (MUREINA), E:LIPOPROTEÍNA MUREINA, F:FOSFOLÍPIDO (FUENTE: SMITH Y WORD 2001). Lección 3. Diferenciación Gram Positivas y Gram Negativas A partir de la constitución química y sobre la base de la coloración Gram, las bacterias se han clasificado en dos grandes grupos Gram positivas y Gram negativas, debido a que cuando reaccionan con la tinción toman una coloración violeta oscuro o rosada respectivamente. Esto se explica porque al adicionar alcohol-acetona, previa tinción con una solución yodurada, la capa de peptidoglicano se deshidrata generando una película muy delgada en las Gram negativas y por tener mayor cantidad de lípidos se permite la salida de los complejos coloreados de la célula. Por el contrario, en las bacterias Gram positivas, al tener una capa gruesa de peptidoglicano y menor cantidad de lípidos, no se permite la salida de los complejos de yodo, del interior de la célula, debido a que la deshidratación genera una capa compacta. Al adicionar el colorante safranina (rosado) las bacterias Gram positivas toman la coloración violeta oscuro y las Gram negativas conservan el color rosado del último reactivo (safranina). 69 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Lección 4. Estructura y función del ADN Procariote. En los organismos procariontes el ADN celular se conoce también como tenóforo ó cromosoma procariótico; este por lo general no tiene proteínas asociadas a la molécula, por lo cual se considera que las bacterias tienen un ADN desnudo; sin embargo, en bacterias existen algunas proteínas asociadas cuya función está relacionada con el mantenimiento de la estructura molecular del ADN. La cantidad de ADN presente en una bacteria con E coli es de aproximadamente 4.700 pares de base (pb), lo que significa que si se extendiera su longitud seria de 1 mm y las células de E coli miden sólo 2-3 μm de largo. Esto es posible debido a que el ADN esta superenrollado optando una forma mucho más compacta permitiendo la torsión de la molécula para adaptarse al tamaño de la célula. La Figura 2.7 muestra el ADN relajado y superenrollado. Este ADN se enrolla en forma negativa ó positiva. Cuando la torsión se hace en dirección contraria a la doble hélice se habla de enrollamiento negativo. FIGURA 0.7: ESTRUCTURA DEL ADN SUPERENROLLADO Y RELAJADO. EN DESENROLLAMIENTO DEL ADN PARTICIPA ACTIVAMENTE UNA TOPOISOMERASA I, LA CUAL INTRODUCE CORTES EN UNA SOLA CADENA (MELLA). (FUENTE: MANDIGAN M ET AL, 2001). El enrollamiento hacia la izquierda es la forma en que el ADN se encuentra en la naturaleza. En bacterias la enzima encargada de facilitar este enrollamiento es la girasa, una topoisomerasa II (Figura 2.8). Algunos procariotas tienen una 70 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 enzima denominada girasa inversa cuya función es producir enrollamientos positivos. FIGURA 0.8: SUPERENROLLAMIENTO EN UN ADN CIRCULAR POR ACCIÓN DE LA TOPOISOMERASA II (GIRASA), LA CUAL ORIGINA RUPTURAS BICATENARIAS (FUENTE: MANDIGAN M ET AL, 2001) Lección 5. Importancia de los Operones La Figura 2.9 muestra los componentes estructurales del operon presente en los procariotes. Los operones son un conjunto de genes estructurales que se cotranscriben simultáneamente; siendo controlados por un mismo promotor, operador e inductor. 71 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.9: OPERON. CONFORMADO POR UN GEN INDUCTOR (I), UNA SECUENCIA PROMOTORA, UN OPERADOR Y GENES ESTRUCTURALES (Z, Y, A). Los operones al ser unidades de expresión génica, que contienen genes que codifican para varios polipéptidos en un RNA policistrónico, están controlados por un solo promotor. Esta particularidad es propia de los procariontes (Figura 2.10). FIGURA 0.10: PRODUCCIÓN DE RNA POLICISTRÓNICO A PARTIR DE UN OPERON 72 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 73 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 CAPÍTULO EUCARIOTAS I 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS Introducción Las células eucariotas surgieron hace unos 1.000 millones de años a partir del fenómeno de Endosimbiosis, y están representadas por los organismos del Dominio Eukarya (Protistas, Hongos, Plantas y Animales). Los organismos eucariotas se caracterizan por tener una organización más compleja que las células procariotas, y un sistema de doble membrana que rodea el material genético nuclear. El objetivo de este capítulo es el de identificar las principales características que diferencian a las células eucariotas entre ellas y de las procariotas. Lección 1. Organización general de las células eucariotas y sus diferencias con las procariotas. Si se comparan las células procariotas con las eucariotas se encuentra entre ellas similitudes y diferencias. Las similitudes están asociadas al hecho de que las eucariotas evolucionaron de las procariotas; en este sentido, ambos tipos celulares comparten un lenguaje genético idéntico, vías metabólicas comunes y rasgos estructurales similares; como por ejemplo, la presencia de membrana plasmática de estructura similar que sirve de barrera selectivamente permeable entre lo vivo y lo no vivo, la presencia de ribosomas que participan en el ensamble de proteínas mediante mecanismos similares en los dos tipos de células; sin embargo, tienen dimensiones diferentes; en los procariotes son más pequeños y contienen menor número de elementos. En cuanto a las diferencias, las células eucariotas tienen un mayor grado de organización que las procariotas, presentan organelos con funciones definidas, con una configuración estructural determinada por membranas y con un núcleo que contiene en su interior la información genética (Figura 2.11). En la Tabla 2.1 se establecen las principales diferencias entre procariotas y eucariotas. 74 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.11: CÉLULA EUCARIOTA. PRESENTA MEMBRANA CELULAR, CITOPLASMA CON ORGANELOS SUBCELULARES Y NÚCLEO DEFINIDO (FUENTE: MICROSOFT CORPORATION) TABLA 0.1: DIFERENCIAS ENTRE CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS 75 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 TABLA 0.2: DIFERENCIAS ENTRE EL FLAGELO DE LA CÉLULA PROCARIOTA Y EUCARIOTA. Lección 2. Eucariota: animal y vegetal. Similitudes y diferencias Las células eucariotas, con algunas excepciones, presentan organelos comunes, cada uno con características específicas en cuanto a estructura y función: Núcleo: Contiene la información genética que codifica la información necesaria para construir una célula y controla la actividad celular. Retículo Endoplásmico (RE): sistema membranoso que contiene partículas muy pequeñas denominadas Ribosomas que se encargan de sintetizar las proteínas. La presencia de los ribosomas da una apariencia rugosa, por esta razón, se habla de Retículo Endoplásmico Rugoso. Por el contrario, la membrana desprovista de ribosomas, Retículo Endoplásmico Liso, contiene enzimas encargadas de sintetizar lípidos. Aparato de Golgi: Sistema de membrana que se encarga de modificar las proteínas y los lípidos, sintetizan carbohidratos y empacan moléculas para su transporte. Vesículas: Bolsas que almacenan y transportan moléculas alrededor de la célula. Mitocondrias: Realizan intercambio gaseoso y producen ATP (Adenosin Trifosfato) a partir de la oxidación de los alimentos. Teniendo en cuenta lo anterior las células vegetales y animales comparten estas estructuras; sin embargo presentan algunas diferencias, las cuales se presentan en la Tabla 2.3. TABLA 0.3: DIFERENCIAS ENTRE CÉLULA ANIMAL Y VEGETAL 76 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Lección 3. Estructura y Función de la Membrana Celular. Las membranas permiten separar la célula de su ambiente extracelular pero generan interacción debido a su estructura y composición. De la misma manera las membranas ubicadas en el interior de la célula a nivel de la mitocondria, los lisosomas, el retículo, el complejo de golgi, los lisosomas y el núcleo permiten aislar cada uno de estos compartimientos, los cuales son especializados para realizar una función específica. Compuestos Químicos presentes en las Membranas Biológicas: Los componentes químicos de las membranas son básicamente lípidos, carbohidratos y proteínas; la cantidad y proporción de cada uno varía de acuerdo al tipo de membrana, generalmente las proteínas igualan o exceden a los lípidos a excepción de la mielina encontrada en algunas fibras nerviosas. Las membranas son láminas selectivas, con plasticidad, estables y metabólicamente activas con proteínas ancladas que generan funciones como la comunicación intra e intercelular. Los fosfolípidos, glucoesfingolípidos y esteroles son los principales lípidos de membrana, forman una doble capa y dan propiedad anfipática a ésta. La bicapa lipídica se forma de manera espontánea en un medio acuoso y es la unidad estructural de las membranas, es impermeable a la mayor parte de las moléculas solubles en agua ya que no se disuelven en el centro hidrofóbico de la bicapa. Gases como N, O2, CO2 al ser pequeñas moléculas se difunden fácilmente a través de las regiones hidrofóbicas, igualmente los derivados de lípidos como las hormonas esteroides. Aquellas moléculas no solubles en lípidos son transportadas por las proteínas insertas en la membrana las cuales también tienen carácter 77 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 anfipático. El número de proteínas varía en cada tipo de membrana, por ejemplo, en el retículo sarcoplásmico se encuentran de 6 a 8, en la membrana plasmática más de 100, las cuales actúan como enzimas, proteínas transportadoras, proteínas estructurales, antígenos y receptores para varias moléculas. Modelo del Mosaico Fluido: Los componentes químicos de las membranas, lípidos, carbohidratos y proteínas, interactúan formando el Modelo del Mosaico Fluido de la estructura de la membrana, según lo propusieron Singer y Nicolson (1972) (Figura 2.12). Consiste en una bicapa lipídica en la cual se encuentran diversas proteínas, formando un paquete denso que excluye el agua. En la parte central se generan interacciones de los espacios hidrofóbicos de lípidos y proteínas, mientras que hacia la superficie las moléculas anfipáticas están solvatadas en el medio acuoso. Las proteínas pueden estar inmersas firmemente la bicapa lipídica, denominándose proteínas integrales. Algunas integrales atraviesan completamente la doble capa por tanto se llaman proteínas transmembrana. Otras proteínas pueden unirse débilmente a la superficie interna ó externa de la membrana, recibiendo el nombre de proteínas periféricas. Tanto lípidos como proteínas tienen movilidad en la membrana y pueden tener cadenas de oligosacáridos expuestos en la cara externa de la membrana. El movimiento de los componentes lipídicos es denominado flip-flop el cual no es favorable termodinámicamente debido a la distribución asimétrica de los diversos lípidos a uno y otro lado de la membrana. Por ejemplo se genera asimetría en el interior y exterior de los fosfolípidos debido a que el tipo de fosfolípido es diferente. Así en la capa molecular exterior se encuentra fosfolípidos como la fosfatidilcolina y esfingomielina; mientras que en la capa interna se ubican los aminofosfolipidos como la fosfatidilserina y etanolamina. Generalmente, el esterol más abundante es el colesterol, el cual se encuentra en mayor proporción en el exterior ocasionando asimetría con respecto a la capa interior. 78 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.12: MODELO DEL MOSAICO FLUIDO DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA. (FUENTE: AUDERSIK, 2001) Mecanismos Moleculares de ensamblaje de Membranas: El ensamblaje de la membrana es bastante complejo debido a que la inserción de las proteínas integrales, en el interior de la bicapa lipídica, requiere de señales especiales; de hecho, las vías de biosíntesis celular de las proteínas son consideradas como un gran sistema clasificador dividido en la rama citosólica y la rama del retículo endoplásmico rugoso. Esta clasificación se da porque las proteínas, sintetizadas por los polirribosomas ligados a la membrana, contienen un péptido señal (secuencia específica de aminoácidos) que es el encargado de la adhesión a la membrana del retículo. Por el contrario, las proteínas sintetizadas en los polirribosomas libres no presentan este péptido señal; por lo tanto, el transporte hacia el citosol y la ubicación en la membrana mitocondrial, perixosómica o el núcleo es realizada por señalización celular. Los fosfolípidos son la clase principal de lípidos de la membrana, las enzimas responsables de su síntesis se encuentran en la superficie del retículo generando el autoensamblaje en el interior de la bicapa de esta forma, expanden la membrana y generan el desprendimiento de las vesículas de lípidos. Otra forma de incorporar lípidos a la membrana es a través de proteínas citosólicas de 79 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 recambio de lípidos que captan fosfolípidos de una membrana y los liberan en otra. Funciones de la Membrana: La membrana de la célula aísla el citoplasma celular del medio externo, sólo permite la entrada de sustancias específicas y que algunos mensajes pasen del medio extracelular al intracelular. Las proteínas sirven para el transporte de moléculas, como receptores o como ligandos y para la comunicación celular. La membrana es selectivamente permeable y regula el movimiento de materiales hacia adentro y hacia fuera de la célula. Igualmente, por las características bioquímicas de los componentes moleculares de la membrana se regula la cantidad de agua en la célula; por consiguiente, es semipermeable. Lección 4. Transporte a través de la membrana: Difusión pasiva, Difusión facilitada y transporte activo. Las membranas plasmáticas están implicadas en procesos, como la difusión facilitada, la difusión pasiva y el transporte activo, que permiten el trasporte de moléculas y de iones. Existen otros procesos dinámicos como la endocitosis, exocitosis y transmisión de señales que son funciones específicas de las membranas. Los sistemas de transporte se describen de acuerdo al número de moléculas desplazadas, a la dirección del movimiento, o al equilibrio generado en dicho movimiento. De esta forma, cuando un sistema mueve un tipo de moléculas en las dos direcciones se denomina uniportador. Cuando se realiza la transferencia de un soluto que depende de la estequiometria simultánea o de la transferencia secuencial de otro soluto el sistema se denomina cotransportador. Al moverse dos moléculas en direcciones opuestas el sistema es antiportador y cuando los solutos se mueven en la misma dirección el sistema se denomina Simportador. Difusión Pasiva: La difusión es el paso de sustancias de un sitio de mayor concentración a uno de menor concentración a favor de gradiente electroquímico. Por difusión pasiva se realiza el paso de gases a través de membrana. Difusión Facilitada: Este tipo de transporte, se diferencia de la difusión pasiva en que para el paso de iones y moléculas a través de membranas se requiere la presencia de proteínas transportadoras, las cuales son proteínas integrales que actúan formando poros a través de la bicapa lipídica. Estas proteínas presentan algunas características como: Aceleran la velocidad de difusión sin consumo de energía 80 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Permiten el movimiento a direcciones (unipolar) a través de membrana en ambas Son específicas para una sola molécula o para un solo grupo de moléculas Un ejemplo de este tipo de transporte, es la movilización de glucosa a través de la membrana del eritrocito. La Figura 2.13 muestra el sistema de transporte (Difusión Facilitada en el Adiposito y la célula Hepática). Transporte Activo: El proceso de transporte activo, se diferencia de la difusión facilitada en que las moléculas son transportadas en contra del gradiente electroquímico o concentración, para lo cual, se requiere un aporte energético; ésta energía proviene de la hidrólisis del ATP, del movimiento de electrones o de la luz. FIGURA 0.13: TRANSPORTE DE GLUCOSA A. POR DIFUSIÓN FACILITADA EN LA CÉLULA ADIPOSA. EN B. DIFUSIÓN SIMPLE POR MENOR CONCENTRACIÓN DE GLUCOSA EN EL INTERIOR DE LA CÉLULA DEBIDO A GLICÓLISIS ACTIVA. EN LOS DOS EJEMPLOS LA INSULINA Y SU RECEPTOR PARTICIPAN EN EL PROCESO. Un ejemplo de transporte activo es el sistema de transporte de la bomba sodio-potasio cuya proteína transportadora es la ATPasa de Na+ y K+ que hidroliza una molécula de ATP para transportar hacia afuera 3 Na+ y hacia 81 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 adentro 2K+, la proteína está presente en las membranas excitables de células musculares y nerviosas. Este transporte a través de membrana permite mantener un ambiente dinámico que favorece las reacciones bioquímicas que mantienen la vida. De esta manera, la célula adquiere del exterior moléculas combustibles de igual forma expulsa productos tóxicos debido a que la membrana es selectivamente permeable. Otros procesos dinámicos de la membrana son la endocitosis, la exocitosis y la transmisión de señales. La Endocitosis se divide en: 1. Pinocitosis: Proceso mediante el cual la membrana de la célula forma vesículas que atrapan el líquido extracelular y transporta al citosol nutrientes contenidos en él. 2. Fagocitosis: Proceso mediante el cual la membrana engloba partículas grandes formando una vacuola fagocítica, la cual se fusiona con los lisosomas que contienen enzimas proteolíticas; el contenido macromolecular se digiere para producir aminoácidos, azúcares simples y nucleótidos que se difunden fuera de las vesículas y son reutilizados en el citoplasma. La endocitosis requiere: Energía obtenida de la hidrólisis del ATP, Calcio presente en el líquido extracelular y elementos contráctiles de la célula generados por microfilamentos (Citoesqueleto). La Exocitosis es el proceso mediante el cual se permite la liberación de macromoléculas al exterior. La señal para la exocitosis es una hormona que al unirse a un receptor induce un cambio local y transitorio en la concentración de calcio que es el ión que desencadena el proceso de exocitosis. Transmisión de señales este proceso se lleva a cabo por señales bioquímicas efectuadas por estructuras como los neurotransmisores, las hormonas y las inmunoglobulinas que generan cambios conformacionales en la membrana e inducen señalización. Lección 5. Estructura y función del citoesqueleto El citosol de las células eucariotas se sostiene por una estructura compleja de fibras que se ramifican. Está constituido por proteínas filamentosas que se encuentran en el citoplasma, formando una red que da la forma a la célula y permite: Los movimientos intracelulares La organización de los cromosomas durante la división celular La unión con otras células para constituir los órganos y tejidos en los organismos multicelulares. 82 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 La Figura 2.14 muestra las moléculas implicadas en el movimiento tanto en plantas como en animales. Las principales proteínas del citoesqueleto son: Microfilamentos, Filamentos Intermedios y Microtúbulos (Figura 2.15). Proteínas del Citoesqueleto: Microfilamentos: Se componen de moléculas de actina, esta proteína se encuentra en todas las células eucariotas. Los monómeros solubles de actina globular (G) se polimerizan para formar actina filamentosa (F). La polimerización de la actina G a F depende del magnesio; la despolierización por el contrario es dependiente de calcio; estos cambios en la polimerización permiten el movimiento reptante que es controlado por proteínas de unión a la actina y se acopla a la hidrólisis de ATP a ADP. FIGURA 0.14: MOLÉCULAS IMPLICADAS EN EL MOVIMIENTO 83 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.15: PRINCIPALES COMPONENTES DEL CITOESQUELETO. MICROFILAMENTOS, FILAMENTOS IINTERMEDIOS Y MICROTÚBULOS (FUENTE: AUDERSIK, 2001) Es importante resaltar que la polimerización y despolimerización está regulada por la Gelsolina y el calcio; en este sentido, una baja concentración de calcio implica la polimerización; por el contrario, una baja concentración de calcio permite la despolimerización de la actina (Figura 2.16). Filamentos Intermedios: Son más gruesos que los microfilamentos y más delgados que los Microtúbulos. Tienen como característica ser los elementos menos solubles pero más estables del citoesqueleto. Las proteínas de los filamentos intermedios tienen tamaños variables, se distribuyen ampliamente encontrándose en animales invertebrados y vertebrados, también en plantas. Las funciones de los filamentos intermedios dependen del tipo de tejido, la Figura 2.17 muestra algunas proteínas que conforman los filamentos intermedios. Microtúbulos: Son estructuras huecas y cilíndricas presente en todas las células eucariotas. Los microtúbulos no sólo hacen parte del citoesqueleto sino que además forman el huso mitótico y constituyen el núcleo central de los cilios y flagelos. Están compuestos por heterodímeros de tubulina α y β. 84 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.16: REGULACIÓN DE LA POLIMERIZACIÓN Y DESPOLIMERIZACIÓN DE LA MOLÉCULA DE ACTINA Los microtúbulos tienen como función: 1. Proporcionar estructura y permiten mantener la posición de los organelos subcelulares. 2. Hacen parte del mecanismo que permite desplazar materiales y organelos dentro de la célula. 3. Permiten el movimiento de cilios y flagelos. 4. Componentes primarios del mecanismo encargado de la mitosis y la meiosis (Figura 2.18). 85 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.17: DIFERENTES TIPOS DE FILAMENTOS INTERMEDIOS Y SU RELACIÓN CON LA DIFERENCIACIÓN EN CÉLULAS DE MAMÍFEROS Motores Moleculares: Son proteínas encargadas de convertir energía química en mecánica. Estas proteínas que actúan en conjunto con las del citoesqueleto se agrupan en tres familias muy amplias: Cinesinas, dineínas y miosisnas. Las cinesinas y dineínas se desplazan a lo largo de vías que están conformadas por microtúbulos; por el contrario las miosinas se relacionan con microfilamentos. Estas proteínas al desplazarse a lo largo de las vías interactúan y experimentan cambios conformacionales constituyendo el ciclo mecánico, estos se acoplan con el ciclo químico que proporciona la energía necesaria para el movimiento. El ciclo químico implica: - Enlace de la molécula de ATP al motor, Hidrólisis de ATP con formación de ADP y liberación de productos del motor y 3. Enlace de una nueva molécula de ATP. 86 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.18: SE OBSERVAN LOS MICROFILAMENTOS CONFORMADOS POR MONÓMERO DE ACTINA, FILAMENTOS INTERMEDIOS POR SUBUNIDADES FIBROSAS Y MICROTÚBULOS POR HETERODÍMEROS DE TUBULINA. Cinesinas: Proteína estructuralmente conformada por dominios diferentes, que incluyen un par de cabezas y una cola; las cabezas generan la fuerza y la cola enlaza la carga que debe desplazar. Experimentalmente esta proteína se identifico en células nerviosas; sin embargo, proteínas similares se han encontrado en todas las células eucariotas. La cinesina también se relaciona con los movimientos de vesículas derivadas del retículo endoplasmático, endosomas, lisosomas y gránulos secretorios. Dineínas citoplásmicas: en 1963 se descubrió la primera proteína relacionada con el movimiento de cilio y flagelos, denominándosele dineína. Veinte años después se identificaron una gran variedad de proteínas semejantes a la dineína en diferentes tipos celulares. Esta proteína es de gran tamaño y se le han atribuido dos grandes funciones: -agente generador de fuerza para el movimiento de cromosomas durante la división celular y – Motor necesario para el movimiento de vesículas y organelos membranosos a través del citoplasma. La dineína que permite el movimiento de cilios y flagelos recibe el nombre de dineína ciliar, es una proteína que sirve de puente entre las moléculas de tubulina α y β permitiendo en desplazamiento de estas moléculas y generando el movimiento de estas estructuras presentes en las células eucariotas 87 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Bases Moleculares de la Contracción: El músculo y el sistema nervioso generan el movimiento, característica que diferencia a los animales de las plantas; este proceso consiste de manera general, en producir un cambio en la energía biológica gracias a una transformación quimiomecánica. El proceso molecular básico es el mismo para todas las células musculares y permite que ciertas proteínas puedan deslizarse y de esta manera se pueda generar el movimiento. La unidad contráctil se denomina sarcómero, cada sarcómero esta demarcado por la línea Z, que separa cada uno de los sarcómeros que hacen parte de la fibra muscular; a esta unidad contráctil se unen los filamentos delgados, los cuales están conformados por las proteínas actina, tropomiosina y troponina; la primera, tiene unos sitios de unión para la proteína miosina y las dos últimas forman un complejo. La troponina presenta unos sitios de unión del calcio implicados en la contracción-relajación; por lo tanto, esta proteína tiene una función reguladora en el movimiento. Existen también filamentos gruesos constituidos por la miosina, esta molécula es grande, compleja y está formada por tres regiones específicas que determinan una cola, un cuello y una cabeza; las colas se agrupan y forman el filamento grueso, mientras que el cuello y la cabeza se proyectan de manera lateral para formar un puente cruzado. Cada cabeza tiene un sitio de unión a la actina y un sitio enzimático que permite que se lleve a cabo la hidrólisis del ATP. Este complejo de proteínas permite que se genere un ciclo específico de movimiento, el cual está conformado por cuatro pasos esenciales, el primero se produce cuando el calcio se une al punto de unión presente en la troponina, esto ocasiona el segundo paso que es un cambio conformacional en el complejo tropomiosina-troponina que permite que la actina deje expuestos los puntos de unión a la miosina, una vez estos puntos de unión se encuentran libres se produce el tercer paso que consiste en que la cabeza de miosina se une a la actina gracias a la hidrólisis de ATP y por último, después de esta unión se genera un deslizamiento que permite el movimiento del filamento delgado sobre el filamento grueso. De esta forma, cuando no se da un aporte energético se produce rigidez muscular, que es lo que ocurre cuando se da la muerte (rigor mortis). Para generar el proceso, denominado acoplamiento excitación- contracción, que acopla el potencial de acción, el ciclo de puente cruzado y la contracción, se requieren tres procesos: 1. Traducción de señal a la membrana celular, 2. Generación de un segundo mensajero que actúa como regulador y 3. Control del ciclo de los puentes cruzados en las miofibrillas. De esta forma, gracias a un estímulo se genera traducción de señal en la membrana lo cual permite que ingrese calcio al sarcoplasma y a la vez se abran canales en el retículo sarcoplásmico interno que libera gran cantidad de calcio que activa la contracción por difusión de calcio, en favor de gradiente electroquímico, a las miofibrillas. Una vez se ha cambiado el potencial de acción, el retículo sarcoplásmico produce una recaptación de calcio y además se activa el transporte de sodio al interior del sarcoplasma permitiendo la salida de calcio; por consiguiente, no se difunde calcio a la miofibrilla y no hay unión entre filamentos delgados y gruesos. (Figura 2.19). 88 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Componentes de la Matriz Extracelular: La matriz extracelular está constituida por diversas proteínas, las cuales son secretadas de manera local por las células y tienen como función servir de soporte y mantener la estructura propia de cada uno de los tejidos presentes en el organismo, además influyen en la diferenciación, migración y proliferación de la célula con la que está en contacto. Dentro de los componentes básicos de la matriz extracelular se encuentran proteínas fibrosas como el colágeno y la elastina; proteínas estructurales o de adhesión como la fibronectina y la laminina y los proteoglicanos y los glucosaminoglicanos los cuales atrapan moléculas de agua para formar una sustancia basal altamente hidratada y gelificante que junto con las proteínas proporcionan fuerza, rigidez y resistencia (Figura 2.20). FIGURA 0.19: BASE MOLECULAR DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR. (ADAPTADO DE PURVES ET AL, 2001) El colágeno conforma una amplia familia de proteínas con la función de dotar de resistencia tensiva a los tejidos, existen diversos tipos con morfología y 89 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 distribución diversa. Dentro de este grupo los más relevantes son el colágeno tipo I que se caracteriza por presentar fibras grandes, estriadas y se localiza a nivel de córnea, dermis cutánea, tendón, ligamento y cartílago fibroso; el colágeno tipo II conformado por fibras estriadas pequeñas y cuya localización se da a nivel de humor vítreo, discos vertebrales y cartílago elástico; el Colágeno Tipo III igualmente presenta fibras estriadas y pequeñas pero se ubica en vasos sanguíneos, médula ósea, tejidos linfoides, nervios y pulmón entre otros; el colágeno tipo IV está constituido por capas laminares a nivel de cápsula del cristalino, membranas basales y láminas externas; el colágeno tipo V conformado por fibrillas cortas que se ubican en membrana basal placentaria, músculo liso y esquelético. FIGURA 0.20: MATRIZ EXTRACELULAR EN CÉLULAS EPITELIALES DE ANIMALES 90 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 La fibrilina una glucoproteína que forma fibrillas las cuales son constituyentes de las fibras elásticas y favorecen la adhesión entre los distintos componentes de la matriz extracelular. Estas microfibrillas conforman las fibras suspensorias del cristalino y hacen parte de las matrices extracelulares de los glomérulos renales, del pulmón, de la piel y de los vasos sanguíneos. La elastina es una proteína hidrofóbica que se caracteriza por ser el componente principal de las fibras elásticas. La interacción entre elastina y fibrilina permiten la formación y el normal funcionamiento de la fibra elástica cuya función básica es permitir que los tejidos recuperen la forma después del estiramiento. La fibronectina y laminina son otras proteínas de la matriz extracelular. La fibronectina se caracteriza por ser una glucoproteína multifuncional de la que existen tres formas principales: 1. Proteína plasmática circulante, 2. Proteína que se fija de forma transitoria a diversas células y 3. Fibrillas insolubles que hacen parte de la matriz extracelular. La importancia de la fibronectina radica en la capacidad que esta tiene para adherirse a diversos componentes de los tejidos por las zonas de unión al colágeno, la heparina y las moléculas de adhesión celular. La laminina es una glicoproteína sulfatada y conforma la membrana basal, además tiene la capacidad de unirse a receptores celulares específicos como las integrinas, heparan sulfato, colágeno y entactina (proteína que permite unir la laminina y el colágeno). Los glicosaminoglicanos son grandes cadenas de polisacáridos constituidos por unidades de disacáridos y presentan las siguientes propiedades: posee cargas negativas, lo que permite que su comportamiento sea hidrofílico y retienen iones positivos y agua, manteniendo la arquitectura tisular. Pueden dividirse por su estructura en sulfato de condroitina, queratansulfato presentes en córnea; dermatansulfato, heparansulfato, ácidos hialurónico y heparina. Otro componente importante, además de la matriz extracelular, es el fluido extracelular; este se compone principalmente de agua y en él se encuentran inmersos otros componentes como: gases, especialmente O 2 y CO2; iones inorgánicos, en cantidades apreciables se encuentran Na+, K+, Cl-, Ca+, HCO3- y PO4 y en mínimas cantidades Zn++, Mn++, Co++; lípidos, aminoácidos, azúcares, vitaminas y hormonas. Para mantener la estructura de las células y la forma básica de cada tejido además de la matriz extracelular es necesaria la presencia de las moléculas de adhesión como las integrinas, selectinas y cadherinas entre otras, las cuales permiten que las células se puedan adherir unas con otras y con la matriz extracelular. La integridad estructural se mantiene gracias a varias uniones como son: los hemidesmosomas, que fijan la membrana basal de las células con la 91 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 matriz extracelular; desmosomas, que establecen uniones entre las células, contactos focales, que fijan el citoesqueleto de filamentos intermedios de las células a la membrana basal. La Tabla 2.4 muestra las diversas uniones y su función. TABLA 0.4: TIPOS DE UNIÓN CELULAR 92 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 CAPÍTULO EUCARIOTAS II 3: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS Introducción La presencia de orgánulos. como Nucléolo, Núcleo celular, Ribosoma, Vesículas de secreción, Retículo endoplasmático rugoso, Aparato de Golgi, Citoesqueleto, Retículo endoplasmático liso, Mitocondrias, Vacuolas, Citoplasma, Lisosomas, Centríolos (solo en la célula animal), Membrana citoplasmática, Cloroplastos (Solo en la célula vegetal y de las algas), Pared celular (Solo en la célula vegetal, de hongos y protistas),.en las células eucariotas ha conllevado al desarrollo de una notable especialización en las funciones desarrolladas por estos. En este capítulo trataremos sobre las diversas funciones celulares y las principales rutas metabólicas que permiten la sobrevivencia de las células eucariotas. Lección 1. El citoplasma celular. Sistemas de membranas. El citoplasma celular es un complejo coloidal constituido básicamente por agua, sales, aminoácidos, proteínas y carbohidratos libres. En él se encuentran los organelos celulares, entre ellos los conformados por un complejo sistema de membranas. Aparato de Golgi: Es un sistema de sacos membranosos que almacena, modifica y empaqueta las macromoléculas sintetizadas en el Retículo Endoplásmico para secretarlas o para llevarlas a los diferentes organelos. Retículo Endoplasmático: Está constituido por láminas, tubos y sacos de membranas que se extienden por todo el citoplasma, el Retículo Endoplasmático rugoso (RER) contiene ribosomas, se comunica con la membrana externa del núcleo y con el aparato de golgi para el posterior transporte de las proteínas. Los Ribosomas son gránulos prominentes, constituidas por proteínas y RNA ribosomal, se encuentran libres en el citoplasma o unidos a la membrana del retículo endoplasmático rugoso. El papel de los ribosomas es mediar la biosíntesis de proteínas. El Retículo Endoplasmático Liso (REL) no tiene ribosomas, su función es la síntesis de lípidos y la desintoxicación de fármacos u otros compuestos potencialmente dañinos, como plaguicidas y herbicidas (Figura 2.21). 93 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.21: RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO Y LISO. APARATO DE GOLGI. AMBOS CONSTITUIDOS POR UN COMPLEJO SISTEMA DE MEMBRANAS. (ADAPTADO DE PURVES ET AL, 2001 Lección 2. Lisosomas y Vacuolas. Los Lisosomas: son vesículas rodeadas de membrana que contiene enzimas involucradas en la digestión intracelular, Figura 2.22; por consiguiente, desempeña un papel fundamental en el recambio de organelos; es decir, en la destrucción y sustitución de estas estructuras subcelulares, proceso denominado autofagia. Los lisosomas realizan fagocitosis, formando un fagosoma que permite la destrucción de materiales que ingresan desde el medio externo actuando como un sistema de defensa para la célula, este proceso se conoce también como heterofagia. Las Vacuolas: Estas estructuras de las células vegetales ocupan más del 90% del volumen de muchas células, presentan una estructura sencilla pero efectúan un amplio espectro de funciones; sirven como almacén transitorio de solutos y macromoléculas, almacenan compuestos tóxicos que utilizan como medio de defensa frente a la agresión por hongos ó herbívoros. Los tóxicos almacenados también son obtenidos como resultado de reacciones metabólicas; por consiguiente, utilizan las vacuolas para eliminar estos subproductos del metabolismo debido a que las plantas carecen de un sistema de excreción. 94 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.22: LISOSOMAS. ESTAS ESTRUCTURAS PRESENTAN CASI 50 ENZIMAS HIDROLÍTICAS DIFERENTES, SINTETIZADAS EN EL RETÍCULO ENDOPLÁSMICO RUGOSO Y ENVIADAS A ESTOS ORGANELOS (FUENTE: AUDERSIK ET AL, 2001). Lección 3. Mitocondrias y Cloroplastos. Las mitocondrias están rodeadas por una membrana doble, poseen crestas, matriz y ADN. Paralelamente llevan a cabo un conjunto de reacciones en las que el ácido pirúvico se desdobla a dióxido de carbono, agua y ATP, producto final del metabolismo de carbohidratos, lípidos y proteínas. Además la mitocondria realiza el proceso de respiración celular. La Figura 2.23 muestras las estructuras que conforman esta estructura subcelular. 95 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.23: PRINCIPALES ESTRUCTURAS PRESENTES EN LA MITOCONDRIA. MEMBRANAS, MATRIZ, CRESTAS (FUENTE: AUDERSIK ET AL, 2001). Los cloroplastos son organelos que se encuentran en las células vegetales, en ellos se realiza la fotosíntesis, proceso que permite transformar la energía luminosa en energía química. La mayor cantidad de cloroplastos se encuentran en las hojas, en cada célula se encuentran entre 40 y 50 cloroplastos. Los cloroplastos presentan una membrana doble: una externa y otra interna, en el interior el cloroplasto tiene unas estructuras denominadas tilacoides que se agrupan formando granas, alrededor de los tilacoides se encuentra la clorofila que absorbe la luz para llevar a cabo la fotosíntesis. A través de reacciones químicas la energía luminosa, captada por la clorofila, se convierte en ATP (Adenosin trifosfato). Los productos de la fotosíntesis se almacenan en forma temporal en gránulos de almidón 96 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.24: ORGÁNULOS CON FORMA DE DISCO, DE ENTRE 4 Y 6 MICRÓMETROS DE DIÁMETRO. EN LA HOJA POR CADA MILÍMETRO CUADRADO SE ENCUENTRAN APROXIMADAMENTE 500.000 CLOROPLASTOS. Lección 4. Energía y Metabolismo Celular: Glicólisis Los organismos heterótrofos ingieren moléculas orgánicas de gran tamaño y por digestión las convierten en subunidades más pequeñas; sin embargo, a través de la hidrólisis se libera muy poca energía, de esta manera, la mayor parte de energía libre se encuentra almacenada en azúcares, aminoácidos, ácidos grasos y glicerol, monómeros de las biomoléculas. Con la reducción de tamaño de las moléculas se permite su paso a las células, siendo fácilmente absorbidas al interior. Dentro del citoplasma las moléculas reducen aún más su tamaño formando sustancias más simples, dependiendo de las necesidades energéticas de la célula, pueden seguir una de las siguientes rutas: Servir como elementos constitutivos de azúcares, aminoácidos, ácidos grasos ó glicerol, a partir de los cuales se forman polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleídos, proceso denominado Anabolismo porque permite la formación de moléculas complejas mediante la utilización de moléculas simples y ganando energía en la medida en que prosiguen; es decir, estas reacciones requieren energía, no ocurren espontáneamente. Ser degradadas hasta convertirse en moléculas inorgánicas como CO2, H2O y NH3. Esta etapa del metabolismo que permite pasar de moléculas relativamente complejas a moléculas simples y liberando gran cantidad de energía se denomina Catabolismo. 97 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 La Figura 2.25 muestra la interacción entre las vías metabólicas, catabólicas y anabólicas. Las células catabolizan glucosa de tal forma que producen suficiente energía libre para poder sintetizar una molécula de ATP. Para esto se requiere de la ruptura de la glucosa, proceso denominado Glucólisis. FIGURA 0.25: RUTAS CATABÓLICAS (FLECHAS HACIA ABAJO). RUTAS ANABÓLICAS (FLECHAS HACIA ARRIBA). BIOMOLÉCULAS (PROTEÍNAS, POLISACÁRIDOS, LÍPIDOS). MONÓMEROS (AMINOÁCIDOS, GLUCOSA, ÁCIDOS GRASOS Y GLICEROL). INTERMEDIARIOS METABÓLICOS (PIRUVATO, ACETIL COA) COMUNES A TODAS LAS BIOMOLÉCULAS. PRODUCTOS FINALES (CO2, H2O, ATP). Las células pueden generar diferentes productos; por ejemplo, los productos finales de la degradación de la glucosa, en la levadura, son el etanol y el bióxido de carbono; este proceso es denominado Fermentación Alcohólica. En la célula muscular el producto final es el ácido láctico y el proceso se conoce como Fermentación Acido-láctica. Sin embargo, la mayoría de las células utilizan el oxígeno para catabolizar la glucosa; en este caso, los productos finales son el bióxido de carbono y el agua y el proceso se denomina Respiración Celular. La degradación de la glucosa por glicólisis requiere diversas enzimas y las coenzimas NAD (Nicotidamida adenina dinucleótido) y ATP para llevar a cabo las reacciones implicadas en el proceso. Estas reacciones se llevan a cabo en el citoplasma 98 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 celular. En la fermentación alcohólica y en la acidoláctica los electrones desprendidos del aldehído 3-fosfoglicérico por el NAD+ se aprovechan para reducir el ácido pirúvico; sin embargo, en la respiración celular los electrones son llevados a la mitocondria en donde cada par origina dos moléculas de ATP, ahora si se suman todas las moléculas de ATP formadas a partir de una molécula de glucosa completamente catabolizada, por medio de la glicólisis y el ciclo del ácido cítrico, la ganancia neta máxima es de 36 ATP. Las vías metabólicas descritas y las reacciones químicas necesarias para cada ruta se observan en todas las células vivas desde la bacteria más simple hasta el organismo multicelular animal ó vegetal más complejo. Lección 5. Energía y Metabolismo Celular: Ciclo de Krebs El ciclo de Krebs, también denominado ciclo del ácido cítrico, comprende una serie de reacciones química que ocurren en de la mitocondria, a través de las cuales se realiza la descomposición final de la biomoléculas, carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos grasos, presentes en los alimentos. Las biomoléculas se descomponen en pequeñas unidades denominadas grupos acetilo (CH3CO), las cuales al comienzo del ciclo se combina con oxalacelato para producir ácido cítrico, posteriormente se realizan una serie de reacciones que permiten la transformación del ácido cítrico en dióxido de carbono y se liberan cuatro electrones que viajan dentro de las célula gracias a la cadena transportadora de electrones produciendo energía en forma de ATP antes de reaccionar con el oxígeno para formar agua. La molécula original de oxalacelato se regenera al final del ciclo, igualmente, los compuestos intermedios pueden utilizarse nuevamente como materiales para la construcción de biomoléculas. Por el contrario, los grupos acetilo se destruyen. En la Figura 2.26 se observan las reacciones que se llevan a cabo el ciclo de krebs. 99 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.26: PRODUCTOS OBTENIDOS Y ENZIMAS QUE INTERVIENEN EN EL CICLO DE KREBS 100 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Actividades de Autoevaluación de la UNIDAD 2 En esta sección usted evaluará diversos aspectos de la actividad académica desarrollada en la unidad. Esta actividad tiene una valoración cualitativa de acuerdo a la siguiente escala: No satisfactorio, Satisfactorio, Supera lo esperado. En cada punto además de asignar la categoría correspondiente, dará una breve explicación de su respuesta. Autoevaluación de su trabajo individual. Usted describirá de manera cualitativa cual fue su rol como estudiante y su desempeño en el desarrollo, entrega y responsabilidad en las actividades de trabajo individual y colaborativo. Evaluación del desempeño de los compañeros de grupo de trabajo colaborativo. Debe indicar si hubo participación de sus compañeros, si el grado de compromiso en el desarrollo de trabajos colaborativos fue satisfactorio, no satisfactorio o supera lo esperado de cada uno de ellos justificando su apreciación Evaluación del material usado en la actividad de la unidad: Debe indicar y justificar si el material empleado para el desarrollo de esta unidad fue satisfactorio, no satisfactorio o supera lo esperado. Desempeño del rol del tutor. Debe dar su autoevaluación del tutor respecto a compromiso, responsabilidad, calidad, pertenencia, atención al estudiante, retroalimentación de trabajos y relaciones interpersonales. 101 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Fuentes Documentales de la Unidad 2 Audesirk, Teresa, et al. Biología, La Vida en la Tierra. Sexta Edición. Prentice Hall. México. 889 páginas. 2003 Alberts, Biología Molecular de la célula. Tercera Edición. Omega.1387 páginas.1994 Avers, Charlotee. Biología celular. Segunda Edición. Grupo Editorial Iberoamérica. México. 748 páginas. 1991. Cooper’s, Geoffreys M. La célula. Tercera Edición. Editorial Marban. 2006 Curtis, H. & Barnes, S. Biología. Editorial Médica Panamericana. Argentina.1199 páginas. 1993. Griffiths A, Miller, Jeffrey. Genética. Mc Graw Hill. N.Y. 2001 Karp, Gerald. Biología celular y molecular. McGraw-Hill Interamericana. México. 746 páginas. 2001 Madigan M, Martinko, J, Parker J. Brock. Biología de los microorganismos. Prentice Hall. U.S.A. 2001 Paniagua, Ricardo. Biología celular. McGraw-Hill Interamericana. México. 361 páginas. 1999. Purves,W. Y Otros. Life. The Sciencie of Biology. Sinauer Associates, Inc. U.S.A. 1.044 páginas. 2001. Smith, C.A and Wood, Iberoamericana. U.S.A 2001. E.J. Biología Celular. Addison-Wesley Villee, Claude A. Biología. Tercera edición. Interamericana. México. 1996 102 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 ORGANIZACIÓN CELULAR II CAPÍTULO 1: ASPECTOS MOLECULARES DEL NÚCLEO CELULAR I Introducción El núcleo es el elemento característico de las células eucariotas; está constituido por una envoltura nuclear que rodea el material genético de la célula y en el interior, por el nucleoplasma, sitio donde se encuentra el ADN. Esta estructura juega un papel muy importante en la regulación de las diferentes funciones celulares y en la trasmisión de la información genética a través de los procesos de mitosis y meiosis. Durante la división celular, la estructura del núcleo varía según la fase de la división de la célula. Lección 1. Núcleo: Estructura y función El núcleo está limitado por una doble membrana que lo separa del resto del citoplasma. Dentro del núcleo se encuentran los cromosomas constituidos por proteínas, principalmente histonas, que empaquetan el material genético, el ADN. El DNA contiene genes (segmentos de DNA que codifican un producto) y pseudogenes (segmentos de DNA que no codifican un producto). A su vez, los genes están conformados por secuencias exónicas e intrónicas. Los exones son segmentos del gen que codifican un producto; por el contrario, los intrones son segmentos del gen no codificantes. La división se hace por mitosis o meiosis. La mitosis es el proceso de división de los cromosomas y del citoplasma de la célula, que da lugar a la formación de dos células hijas con la misma dotación cromosómica que la célula madre. La meiosis es la división celular por la cual se obtiene células hijas diferentes genéticamente a la madre, debido a que el proceso meiótico genera variabilidad por la recombinación genética. La meiosis genera reducción del material genético de la célula hija con respecto a la célula madre; sin embargo, es importante aclarar, que la información presente en los gametos es completa pero en una sola copia (Figura 3.1). 103 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.1: ESTRUCTURA DEL NÚCLEO DE LA CÉLULA EUCARIOTA. (FUENTE: AUDERSIK ET AL, 2001) Lección 2. División Celular: Mitosis Las células eucariotas tienen un ciclo celular que comprende dos etapas: 1. División Celular (Mitosis, Meiosis): que comprende la división de la célula y la separación de las células hijas, y 2. Interfase: este periodo comprende tres fases características 1. G1: En esta fase la célula realiza procesos metabólicos (respiración, síntesis de azúcares, lípidos y proteínas) y comienza su crecimiento celular; 2. S: En esta se realiza la replicación de material genético; 3. G2: En esta fase la célula se asegura de que todo el DNA se haya duplicado y realiza los últimos procesos necesarios para dividirse como son: finalizar la síntesis de proteínas ribosomales y aumentar de tamaño (Figura 3.2). Las células que no se dividen son usualmente arrestadas en la fase Go. El DNA es sintetizado sólo durante la fase S entre las fases G1 y G2. 104 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.2: CICLO CELULAR. COMPRENDE INTERFASE Y DIVISIÓN CELULAR Mitosis: La etapa fundamental del ciclo celular de la célula eucariota, es la mitosis. El proceso mitótico presenta dos características universales: la condensación de los cromosomas y la formación del aparato mitótico. Este aparato está conformado por microtúbulos constituidos por unidades de tubulina y proteínas asociadas sobre las cuales se lleva a cabo el movimiento de los cromosomas. La mitosis en las células animales forma ásteres, razón por la cual se denomina mitosis astral; en las células vegetales, no se forman estas estructuras debido a que los vegetales carecen de centrosomas, constituyendo una mitosis anastral. Tanto en animales como en vegetales la mitosis se caracteriza por presentar cinco fases: Profase temprana, profase tardía o prometafase, metafase, anafase y telofase. La profase se caracteriza por la migración de los centrosomas hacia los polos, formación del aparato mitótico, inicio de la condensación de la cromatina, el nucléolo se desintegra para formar nuevos ribosomas y el núcleo se observa de mayor tamaño; en prometafase o profase tardía ocurre la desintegración de la membrana nuclear y la unión de los cinetocoros con los microtúbulos del aparato mitótico; en metafase todos los cromosomas dobles se localizan en el plano ecuatorial debido a la tensión que producen los microtúbulos asociados a los cinetocoros; en la anafase se genera la ruptura de los 105 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 centrómeros y la separación y migración de las cromátidas hermanas. La telofase, en las células animales, se caracteriza por la formación de un anillo contráctil de microfilamentos de actina; en las células vegetales, la presencia de paredes celulares rígidas al rededor de cada célula impide la formación del anillo contráctil. El proceso de separación implica la acumulación de polisacáridos que forman el fragmoplasto que se extiende hasta la pared formando la lámina, al rededor de la cual se formarán las nuevas paredes primarias. (Figura 3.3). FIGURA 0.3: PROCESO DE DIVISIÓN CELULAR MITÓTICA: PROFASE, METAFASE, ANAFASE Y TELOFASE. ADAPTADO DE PURVES ET AL 2001 Lección 3. División Celular: Meiosis Este proceso se caracteriza porque permite la producción de células haploides (n), información completa de la especie pero en una sola copia, a partir de células diploides (2n), dos copias de cada cromosoma. El proceso involucra el intercambio de material genético entre los cromosomas homólogos (difieren en el origen Î Padre y Madre), lo que conlleva a variabilidad genética generando diferencias entre una generación y otra. En forma general la Meiosis presenta dos etapas Meiosis I y Meiosis II, la primera es una división reduccional y la segunda 106 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 es igual a una mitosis. En la meiosis I la fase más larga y compleja es la Profase I dividida en cinco subfases, debido a los cambios que se han reconocido en los cromosomas. La subfase de Leptotene se caracteriza porque las cromátidas hermanas de cada cromosoma duplicado se unen por la presencia de una proteína que forma un elemento lateral que luego permitirá el reconocimiento con el cromosoma homólogo. En Cigotene se forma el complejo sinaptonémico a partir de la unión de los cromosomas homólogos. La subfase de Paquitene se caracteriza porque se forman estructuras que contienen cuatro cromátidas (tétradas ó bivalentes) que permiten la recombinación genética por entrecruzamiento (crossing-over) de segmentos de las cromátidas no hermanas, este proceso permite el intercambio de material genético entre cromátidas maternas y paternas. En Diplotene se inicia la separación de los cromosomas homólogos y se hacen visibles los quiasmas (regiones en los cromosomas que evidencian el intercambio de material genético). Finalmente la Diacinesis se caracteriza por la re recondensación de los cromosomas. Metafase I: los cromosomas se alinean en el plano ecuatorial de la célula. Anafase I: se presenta separación de cromosomas homólogos, dirigiéndose a los polos de la célula. Telofase I: se reconstruyen las membranas nucleares al rededor de los dos núcleos hijos (n) y se produce la citocinesis. Los cromosomas se descondensan y puede ocurrir un corto período de reposo, sin replicación del material genético; posteriormente se inicia la Meiosis II con las mismas características de una mitosis, dando como resultado cuatro células haploides con material genético diferente. En las Figuras 3.4, 3.5 y 3.6 se presentan las diferentes etapas de la meiosis. 107 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.4: DIFERENTES ETAPAS DE PROFASE EN MEIOSIS I. FUENTE: PURVES ET AL, 2001 108 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.5: METAFASE, ANAFASE Y TELOFASE DE MEIOSIS I. (FUENTE: PURVES ET AL, 2001). FIGURA 0.6: METAFASE, ANAFASE Y TELOFASE DE MEIOSIS I. FUENTE: PURVES ET AL, 2001 Lección 4. Plegamientos del ADN El ADN se encuentra empaquetado formando diferentes plegamientos constituidos químicamente por cromática (Asociación DNA-Proteínas). En principio genera enrollamientos que permiten condensar el ADN, para posteriormente permitir que las histonas H2A, H2B, H3 y H4 formen un octámero de histonas que envuelven 146 pares de bases (pb), estructura conocida cono Nucleosoma. Estos nucleosomas se separan uno de otro por un ADN espaciador de 54 pb. Una vez se tienen seis nucleosomas estos se unen mediante la histona H1 que se ubica en el DNA espaciador permitiendo la unión de los nucleosomas y formando una nueva estructura, el Solenoide. La asociación de aproximadamente siete solenoides forma la fibra de cromatina. Finalmente estas fibras se condensan formando el cromosoma, que constituye la forma estable de la cromatina. (Figura 3.7). 109 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.7: EMPAQUETAMIENTOS DEL ADN. FUENTE: PURVES ET AL 2001 Lección 5. Cromatina Como se menciono la cromatina es la asociación de DNA y proteínas. Esta se clasifica dependiendo de su actividad; en este sentido se habla de: Eucromatina: cromatina activa que se trascribe completamente. –Heterocromatina Facultativa: esta cromatina puede ó no trascribirse, depende de las necesidades y la actividad celular. –Heterocromatina constitutiva: nunca se trascribe. 110 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 CAPÍTULO 2: ASPECTOS MOLECULARES DEL NÚCLEO CELULAR II Introducción En este capítulo vamos a profundizar en los aspectos moleculares implicados en la replicación del ADN. Durante este proceso, el núcleo produce una copia del ADN por medio de un conjunto de enzimas que duplican la información contenida en las hebras de ADN. El mecanismo de replicación se caracteriza por ser un proceso semiconservativo porque cada uno de las dos copias de ADN tiene una cadena del ADN anterior, adicionalmente, este proceso poseen un sistema de reparación de errores. Lección 1. Replicación del ADN En la replicación del DNA el emparejamiento de las bases nitrogenadas es estricto debido a que cada base expuesta se acopla directamente con su complementaria. La adenina se asocia con la timina a través de dos puentes de hidrógeno y la citosina con la guanina a través de tres; de esta forma cada una de las cadenas actuará como molde y empezará a reproducir una hélice doble e idéntica a la que se abrió (Figura 3.8). 111 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.8: EMPAREJAMIENTO DE BASES EN LA CADENA DE ADN (FUENTE: PURVES ET AL, 2001) Para la replicación se requiere la presencia de varias enzimas, la DNA polimerasa, cataliza la formación de un enlace fosfodiester entre el desoxirribonucleótido 5' trifosfato activado y la cadena naciente de DNA, la enzima requiere de un grupo 3' hidroxilo libre para su actividad y cataliza la elongación de la cadena en dirección 5' Î 3. La helicasa, rompe los puentes de hidrógeno entre las bases y permite abrir la doble hélice de DNA, la proteína ssb mantiene el DNA monocatenario en posición extendida, la ligasa sella roturas y las topoisomerasas crean o eliminan superenrollamientos La replicación comienza en una región llamada origen de replicación y prosigue en las dos cadenas a lo largo del DNA. La DNA polimerasa lee de 3´ a 5´ e incorpora nucleótidos en dirección 5' a 3', de esta forma se elonga la cadena a nivel de la horquilla de replicación. Una hebra se sintetiza en forma continua y la otra de manera discontinua. La cadena discontinua genera mediante su replicación fragmentos cortos (Fragmentos de okasaky) que luego son unidos mediante la acción de la ligasa. (Figura 3.9) 112 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.9: REPLICACIÓN DE LA CADENA CONTINUA Y DISCONTINUA DEL ADN. (FUENTE: PURVES ET AL, 2001) Lección 2. Modelo de Replicación del DNA procarionte (E. coli) El DNA de E. coli es circular de doble banda y representa habitualmente un enrollamiento positivo que contribuye para que el DNA sea más compacto y esté más empaquetado. Esta forma dificulta la replicación, la preiniciación consiste en formar el topoisómero negativo, por acción de enzimas llamadas topoisomerasas (en E. coli la más conocida es llamada DNA girasa) este topoisómero negativo es menos compacto y comienza el desenrollamiento de la doble hélice, para esto deben ser vencidas las interacciones hidrofóbicas y las ejercidas por los puentes de hidrógeno, este proceso es realizado por las enzimas helicasas que consumen dos moles de ATP por cada par de bases que separan. Las cadenas separadas tienden de nuevo a unirse o a formar las interacciones intracatenarias, para evitar esto actúan un grupo de proteínas estabilizadoras de DNA de una sola banda (ssb), ellas se unen fuertemente a cada banda de DNA como unas con otras. La estructura formada por la abertura de la hélice y su estabilización recibe el nombre de horquilla de iniciación Iniciación 113 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Una vez separadas las dos hebras del DNA, intervienen en el proceso unas seis proteínas que forman un complejo que recibe el nombre de primosoma el cual se une a una banda de DNA. Las proteínas que forman el complejo, utilizando la energía de hidrólisis del ATP, se mueven sobre el DNA hasta localizar una señal genética (específica para cada organismo) a partir de la cual comienza la síntesis complementaria de un oligorribonucleótido, que es un pequeño fragmento de RNA (60 nucleótidos) que permanece unido a la banda de DNA y que recibe el nombre de ARN - iniciador ("primer"). Este iniciador proporciona el extremo 3'OH para la acción de la DNA polimerasa III (pol III) la cual une el primer desoxirribonucleótido complementario a la hebra del DNA y cataliza la formación del enlace 3'-5'fosfodiéster entre el desoxirribonucleótido y el último ribonucleótido del RNA cebador. Elongación Comprende eventos secuenciales que conducen al alargamiento de las cadenas de DNA. La horquilla de replicación se mueve en las dos direcciones durante la elongación a partir del punto de origen. Una vez incorporado el primer desoxirribonucleótido, la pol III continua incorporando uno a uno los siguientes nucleótidos cuyas bases son complementarias a las que ocupan la posición correspondiente en el DNA que se está copiando, por lo tanto, es un proceso repetitivo, esta banda se denomina conductora. En la otra hebra la síntesis se produce por fragmentos, debido a que en la misma hay varias “primers”, por tanto se forman varios fragmentos de RNA iniciador (cebador ó primer) y por esta razón esta banda se denomina conducida, es decir se forman híbridos DNA-RNA. Los fragmentos de RNA son reconocidos e hidrolizados por la DNA polimerasa I, la cual a su vez separa los ribonucleótidos, los sustituye por los desoxirribonucleótidos complementarios a la hebra del DNA y forma los enlaces 3'5' fosfodiéster entre los mismos, sin embargo quedan espacios entre los fragmentos ahora de DNA que son sellados por la acción de la enzima DNA ligasa, la cual cataliza la formación del enlace 3'5' fosfodiéster. Terminación En el DNA de E. coli que es circular se produce fusión de las dos horquillas que venían moviéndose en dirección opuesta formándose una sola por fusión catalizada por las ligasas. Las cadenas circulares quedan entrelazadas una con otra y se requiere un mecanismo llamado de descatenirización, en el que intervienen la DNA girasa para separarlas. 114 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Lección 3. Trascripción del ADN. El ADN de procariontes codifica proteínas implicadas en el metabolismo intermediario y en la biosíntesis de macromoléculas. La transferencia de la información de DNA a proteínas comienza con la síntesis de RNA en un proceso denominado trascripción. Para la síntesis de RNA se requiere de una RNA polimerasa cuyas funciones son: Desenrolla parcialmente el molde de DNA Reconoce y se une a localizaciones específicas de la molécula de DNA. Sintetiza un RNA cebador para la elongación posterior. Cataliza procesativamente la elongación de la cadena al mismo tiempo que enrolla y desenrolla el DNA. Termina la trascripción después de copiar el gen. Esta complejidad en la funciones se debe a toda la maquinaria de trascripción y a las subunidades que la conforman: Subunidad α, constituye la partícula central; Subunidad β' participa en la unión al DNA; Subunidad β contiene parte del centro activo; Subunidad δ (sigma) implicada en la iniciación de la trascripción. La trascripción que cataliza la RNA polimerasa comienza en las regiones promotoras en un proceso denominado iniciación. La subunidad δ de la polimerasa, permite que la enzima reconozca y se una específicamente a estas regiones, formando una unión flexible que conduce a la formación de un complejo cerrado, posteriormente la enzima se une con más fuerza, desenrolla algunos pares de bases alrededor de la región y provoca denaturación del DNA, formando un complejo abierto. La subunidad δ permite la formación de un cebador constituido aproximadamente por 10 ribonucleótidos, esto permite la liberación de la subunidad δ y la incorporación de la proteína NusA, que se une a la polimerasa e impide que sigma se reasocie durante el proceso de elongación, que se caracteriza por incorporación de nucleótidos a la cadena naciente de RNA. El proceso de terminación de la trascripción requiere de secuencias especiales y es señalizada por información contenida en sitios del DNA que se está transcribiendo, este proceso de terminación tiene lugar debido a la pérdida de estabilidad del complejo de elongación cuando se transcriben las secuencias de terminación. De 115 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 esta manera, el RNA recién sintetizado forma una estructura en horquilla, que junto con los residuos de adenina del DNA parecen actuar como señal para que se suelte la polimerasa y termine la trascripción (Figura 3.10). Otro factor importante en el proceso de terminación de la trascripción es la presencia de rho una proteína presente en el citosol como hexámero de subunidades idénticas que actúan como ATPasa activa y que tienen afinidad por RNA monocatenario. rho se une al RNA expuesto tras un complejo de trascripción detenido, que puede alcanzar 80 nucleótidos; en este proceso el ATP se hidroliza a AMP y PPi y el RNA se disocia de la burbuja de trascripción y es desenrollado por rho. De esta forma la trascripción puede ser dependiente ó independiente de rho. FIGURA 0.10: PROCESO DE INICIACIÓN, ELONGACIÓN Y TERMINACIÓN DE LA TRASCRIPCIÓN (FUENTE: PURVES ET AL, 2001). Lección 4. Traducción de la información genética La biosíntesis de cada molécula de proteína en una célula, es dirigida por el DNA en la función específica de la proteína. La información que se encontraba en un lenguaje nucleotídico pasa a otro lenguaje el aminoacídico y esto es posible por la existencia de un código genético que establece la equivalencia entre los tripletes de bases del RNAm y la secuencia de aminoácidos de la proteína. Para 116 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 realizar el proceso de traducción se requiere de varios tipos de moléculas de RNA como por ejemplo el tRNA que transporta los aminoácidos al ribosoma para la síntesis de proteínas, el mRNA que contiene la información que especifica la secuencia de las proteínas y el rRNA que constituye la mayor parte del ribosoma. Los procariontes tienen 3 moléculas de rRNA y los eucariontes 4 moléculas de rRNA de diversos tamaños. Dentro de los eventos previos a la traducción se encuentran: la activación de los aminoácidos con la participación de enzimas específicas como las aminoacil RNAt sintetasas y consta de dos etapas: en la primera, llamada de activación, reacciona el aminoácido correspondiente y el ATP formándose un derivado aminoacil y en la segunda reacciona este derivado aminoacil con el RNAt específico formándose el aminoacil-RNAt y de esta forma participan los aminoácidos en la traducción, unidos a sus RNAt específicos. La iniciación consta de varias fases que conllevan a la formación de una estructura de alta complejidad llamada el complejo de iniciación. La formación de este complejo requiere de la participación de proteínas no ribosomales, denominadas factores de iniciación. (Figura 3.11). FIGURA 0.11: PROCESO DE INICIACIÓN DE LA TRADUCCIÓN. (FUENTE: AUDERSIK ET AL, 2001) El F-3 se une a la subunidad menor e impide que esta se una a la mayor. El eIF-2 reacciona con el GTP formando un complejo eIF-2GTP. Este complejo reacciona con el Met-RNAt formando el complejo ternario: eIF-2- GTP-Met-ARNt. En esta forma se incorpora a un sitio específico de la subunidad menor del ribosoma. Esta unión es estimulada por los factores eIF-3 y el eIF-4C. Se produce entonces la unión del RNAm que requiere de los factores eIF-1, eIF-4A, eIF-4B. La 117 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 unión se produce por la secuencia específica en el extremo 5' del RNAm eucarionte denominada CAP. Posteriormente la subunidad menor se desplaza sobre el RNAm utilizando la energía de hidrólisis del ATP hasta alcanzar el primer triplete AUG la señal de iniciación. Se produce entonces la unión de la subunidad mayor, con la participación del factor eIF-5. Al producirse la unión se produce la hidrólisis del GTP a GDP y Pi, liberándose todos los factores que aún permanecían unidos al ribosoma. La elongación consiste fundamentalmente en el alargamiento paso a paso de la cadena polipeptídica. También participan proteínas no ribosomales llamadas factores de elongación. En el ribosoma se distinguen dos sitios: el sitio P o pentidil que es donde se ubica el aminoacil met-RNAt (o al péptido en crecimiento) y el sitio A o aminoacil que es donde se incorporan los siguientes aminoácidos unidos a su RNAt específicos. Estos sitios ocupan tanto la subunidad mayor como la subunidad menor del ribosoma. (Figura 3.12). FIGURA 0.12: PROCESO DE ELONGACIÓN DE LA TRADUCCIÓN. (FUENTE: AUDERSIK ET AL, 2001) El proceso de terminación se produce cuando frente al sitio A parece uno o más de los codones de terminación (UGA, UAG, UAA). La aparición de esta señal activa a una proteína no ribosomal llamada factor de liberación eRF que requiere la energía de hidrólisis del GTP. La terminación implica: Finalizar la incorporación de aminoácidos a la cadena polipeptídica del RNAt al cual está unida, la expulsión del RNAt y la separación del RNAm. (Figura 3.13). 118 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.13: PROCESO DE TERMINACIÓN DE LA TRADUCCIÓN. (FUENTE: AUDERSIK ET AL, 2001) Lección 5. Transposones La teoría cromosómica de la herencia establece que los cromosomas llevan los genes y que cada uno de ellos ocupa un lugar preciso y fijo dentro del cromosoma. Una excepción a esta norma la generan los elementos genéticos móviles Transponibles los cuales pueden ser capaces de moverse a nuevas posiciones dentro de un mismo cromosoma o incluso moverse a un cromosoma diferente. Algunos Transposones causan también, rearreglos de otras secuencias genómicas y además proporcionar la mayor fuente de mutación del genoma. La adquisición de nuevas secuencias resulta de la habilidad de vectores para transportar información entre genomas. Elementos extracromosomales mueven información horizontalmente mediante transferencia de secuencias largas de material genético. En bacterias el movimiento se da por conjugación, en eucariontes algunos virus transfieren información genética durante el ciclo de infección. Los elementos transponibles pueden promover rearreglos del genoma directa o indirectamente: Los eventos mismos de transposición pueden causar deleciones, inversiones o dirigen el movimiento de secuencias a nuevas posiciones. Los transposones sirven como sustrato de sistemas de recombinación celular porque pueden funcionar como regiones portadoras de homología; dos copias de un transposon con diferente localización (la misma secuencia en diferente cromosoma), puede proporcionar sitios de recombinación recíproca. Estos cambios resultan en deleciones, inserciones, inversiones o translocaciones. El papel genético normal de estos elementos aún no se conoce con certeza. Han sido detectados por las irregularidades que generan en actividades y estructuras de genes cercanos a los sitios donde se mueven. Estos elementos 119 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 transponibles se han detectado en fagos, bacterias, hongos, plantas superiores, virus e insectos. Aunque estos elementos se detectaron inicialmente en eucariontes (maíz), la naturaleza molecular fue entendida primero en bacterias y fagos. Los elementos transponibles que fueron inicialmente caracterizados en bacterias tenían una forma sencilla denominada secuencias de inserción (IS). Los elementos IS son constituyentes normales de cromosomas, bacterias y plásmidos. Los elementos IS son unidades autónomas que codifican para dos proteínas cuya función es llevar a cabo la propia transposición del elemento IS. Un elemento IS es un fragmento DNA flanqueado por una secuencia de 20 pares de bases que se repiten en ambos extremos del fragmento, pero de tal forma que una secuencia está invertida con respecto a la otra. Los elementos IS se insertan en secuencias específicas denominadas secuencias blanco que tienen aproximadamente de 5 a 9 nucleótidos de longitud. Cuando se comparan las secuencias de nucleótidos DNA antes y después de la inserción del elemento IS, se nota que la secuencia blanco que inicialmente es única se encuentra repetida a ambos lados del transposon después de la inserción, lo que implica que la inserción del transposon genera una duplicación de la secuencia blanco. Además, las dos secuencias blanco tienen sus bases en la misma dirección mientras que las secuencias que flanquean al elemento IS están invertidos una respecto a la otra, por esta razón las primeras se denominan repeticiones Directas y las segundas repeticiones terminales invertidas que son los sitios de reconocimiento para las enzimas implicadas en el proceso de transposición. Todos los elementos IS contienen una región que codifica para la proteína denominada Transposasa que es necesaria para la transposición. Elementos compuestos Algunos transposones que contienen resistencia de una droga contienen un par de elementos IS y son llamados tranposones In también se denominan elementos compuestos debido a que portan una región control que porta resistencia a las drogas la cual es flanqueada por dos brazos que contienen elementos IS. La Estructura del transposon compuesto es mucho más compleja pues, en los dos extremos se encuentra un elemento IS, entre los cuales se encuentran uno o varios genes, además de los genes que codifican para la enzima transposasa. Los genes encontrados en estos transposones confieren resistencia a los antibióticos. Estos transposones pueden encontrase en el cromosoma principal o en plásmidos. Por otra parte la orientación de los brazos se identifica como L o R y la orientación del mapa genético del transposon de derecha a izquierda. (Figura 3.14). 120 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.14: ORIENTACIÓN DEL MAPA GENÉTICO DE UN TRANSPOSON Transformación por mecanismo replicativos y no replicativos La inserción de un transposon dentro de un nuevo sitio consiste en crear localizaciones de ruptura en el DNA blanco, unir el transposón al final de cada cadena sencilla posteriormente sellar el gap. La generación y complementación de la cadena final explica la repetición directa del DNA blanco del sitio de inserción. (Figura 3.15). 121 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.15: INSERCIÓN DE SECUENCIAS Y FORMACIÓN DE TRANSPOSONES El uso de localizaciones terminales es común a todos los tipos de transposición pero se distinguen básicamente tres mecanismos por los cuales se mueven los transposones: Transposición Replicativa: El elemento es duplicado durante la reacción así que la transposición completa es una copia del elemento es una copia del elemento original. Es decir se genera una copia nueva del elemento transponible durante la transposición de esta toma una copia aparece en el nuevo sitio y la otra permanece en el sitio antiguo. La transposición replicativa implica dos tipos de actividad enzimática generadas por dos enzimas específicas: Una transpososa que actúa sobre las terminaciones del transposon original y una resolvasa que actúa sobre las copias duplicadas. Transposición No Replicativa: El elemento transponible se mueve completamente de un sitio a otro por tanto no se produce replicación del elemento transponible, en su lugar el elemento se escinde del cromosoma y se integra al nuevo sitio. Este tipo de mecanismo requiere solamente de la enzima transposasa 122 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Transposición Conservativa: Esta describe otro evento de transposición no replicativa, en la cual el elemento es escindido del sitio donador e insertado en el sitio blanco por una serie de eventos en los cuales muchos nucleótidos unidos son conservados, es decir, que no se destruyen. Algunos transposones usan solamente un camino mientras que otros pueden ser capaces de utilizar los dos. Los elementos transponibles generan modificaciones en el DNA, estas modificaciones están asociadas con deleciones, duplicaciones e inversiones. Las deleciones ocasionadas por transposones en su vecindad inician con pérdida de un extremo del elemento hacia el DNA circundante, estos sucesos así como las inversiones probablemente resultan de una variación en el camino siguiente a los eventos mismos de transposición. La pérdida del transposón y la restauración del gen ocasionan una escisión precisa. Los tranposones también pueden causar deleción en la que parte del elemento transponible es delecionado con el DNA circundante de longitud variable, este proceso de escisión imprecisa se reconoce como una deleción o inversión que arranca de los extremos internos de los segmentos IR (repeticiones invertidas) del transposón. La frecuencia de escisión precisa es muy baja de 10-6 a 10-9 ocurre raramente y probablemente implica una recombinación entre las 9pb duplicadas en el sitio blanco. Por el contrario la escisión imprecisa tiene una frecuencia mayor e implica recombinación entre secuencias de 24 pb, estas secuencias son repeticiones invertidas. Intermediarios comunes por transposición Muchos elementos transponibles movilizan DNA de un cromosoma a otro. Esto incluye elementos IS, transposones en eucariotas y el bacteriófago Mu. La inserción de una copia de DNA ó de RNA retroviral usa un mecanismo de inserción similar al de los transposones igualmente el primer estado de recombinación de las Inmunoglobulinas tienen un mecanismo similar. El fago Mu. Utilizan un proceso de transposición que incluye los dos mecanismos o caminos de transposición. Mu se integra dentro del genoma por transposición no replicativa durante el ciclo lítico, el número de copias es amplificado por transposición Replicativa. El fago Mu es capaz de insertarse en cualquier lugar de un genoma bacteriano o en un plásmido en cualquier orientación. Una vez insertado genera una mutación en el locus de inserción. Cada partícula del fago madura tiene un trozo del DNA hospedador que lo flanquea por cada extremo. Mu también puede actuar como movilizador de cualquier DNA y transponerlo a otro lugar del genoma. Puede actuar sobre otro DNA como el del fago 1 o facto F en esta situación el DNA insertado se flanquea por dos genomas de Mu. 123 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Transposición replicativa a través de cointegrados La terminación 3’ de la cadena del complejo de transferencia es usada para la replicación. Esta genera una estructura denominada cointegrado el cual representa una fusión de dos moléculas originales. El cointegrado tiene dos copias del transposón una de las cuales se une entre el replicón original, orientando la replicación directa. El crossover es establecido por la transposasa, esta conversión del cointegrado requiere de funciones de replicación del DNA hospedero. La reacción de recombinación es llamada Resolución la enzima responsable de esto reacción es la Resolvasa. El hallazgo de una estructura cointegrada como intermediario de la transposición ha permitido establecer un modo de transposición replicativa para ciertos elementos. El elemento transponible se duplica durante la fusión y la recombinación que resuelve el cointegrado en dos círculos pequeños que dejan copia del elemento transponible en cada uno. En el fago Mu la transposición genera una estructura crossover, la cual es convertida por replicación en cointegrado. Elementos controladores en el maíz causan ruptura y rearreglos Estudios genéticos del maíz han permitido identificar cambios en el genoma durante división de células somáticas, estos cambios fueron atribuidos a elementos controladores reconocidos por la habilidad de moverse de un sitio a otro. Inicialmente fueron identificados por McClintock, que de acuerdo a sus experimentos logró comprobar que ellos, tenían una estructura y comportamiento similar que los transposones. Se encontró para el maíz un factor genético Ds (División) que causa una elevada tendencia a la rotura cromosómica en el sitio en que aparece, estas roturas pueden ser localizadas citológicamente o por el desenmascaramiento de genes recesivos. La inestabilidad generada por Ds, es dependiente de la presencia de un gen no ligado Ac (activador). Elementos controladores de maíz forman familias de transposones En el genoma del maíz, se encuentran diversas familias de elementos controladores. Los miembros de cada familia se dividen en dos clases: 124 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Elementos autónomos: Tienen la habilidad de esconderse y transponerse porque contienen la habilidad de un elemento autónomo, la inserción genera muchos locus inestables del alelo mutante. La pérdida del elemento autónomo mismo, o la habilidad de transponerse convierte un alelo inestable (mutable) en un alelo estable. Elemento No Autónomo: Son estables, ellos no transponen o sufren cambios espontáneos en su condición. Las familias de elementos controladores son definidas por la interacción entre autónomos y no autónomos. Una familia consiste de un solo tipo de elementos autónomos los cuales son acompañados de una gran variedad de elementos no autónomos. Un elemento no autónomo tiene la capacidad de activar en trans por el elemento autónomo. Los elementos no autónomos son derivados de elementos autónomos por deleción u otros cambios que inactivan la activación trans de la transposasa, pero salen intactos del sitio incluido el terminal sobre el cual la transposasa actúa. El más largo de los elementos autónomos es el Ac el cual ocupa un gen de 5 exones, el producto es una transposasa, el elemento mismo termina en repeticiones invertidas de 11 pb y la secuencia blanco tiene 8 pb que están duplicadas en el sitio de inserción. Otro tipo de transposon es el Spm han sido establecidos en otras plantas y son definidos como miembros de una misma familia, debido a su organización tan similar. Todos ellos tienen las mismas repeticiones invertidas y generan duplicaciones de 3 pb en el DNA blanco después de la transposición, se conocen como transposones CACTA por la similaridad en la secuencia de terminación. El rol de elementos transponibles en disgénesis híbridos Muchas mutaciones espontáneas y reorganizaciones cromosómicas en Droshophila están causadas por elementos transponibles. Muchas secuencias de DNA repetitivo están dispersos a lo largo de los cromosomas y pueden moverse como elementos discretos. Se han caracterizado tres tipos de elementos transponibles: Elementos similares a copia: Los miembros de esta familia llevan una repetición invertida imperfecta – corta. Estos elementos repiten un número determinado de pares de bases de DNA de Drosophila en la inserción. Elementos FB: Tienen homologías de secuencia, pero diferentes elementos también tienen diferencias de secuencia. Llevan repeticiones invertidas largas en sus terminaciones, en ocasiones el elemento completo consta de repeticiones invertidas pero en otros casos el elemento central separa las repeticiones 125 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 invertidas. Las mutaciones que estos elementos ocasionan se derivan de la interrupción de la secuencia en un gen, por la inserción del elemento FB o por efectos sobre la expresión génica debidos a la inserción o cerca de una región central. Estos elementos se escinden por si, mismos y promueven reorganizaciones genómicas con alta frecuencia. Elemento P: Tienen región central y extremos con repeticiones invertidas. El tamaño varía entre 0.5 – 2.9 kb los más pequeños se considera que se originan de un elemento grande que a delecionado órganos, segmentos. Los elementos grandes tienen la capacidad de codificar 3 productos proteínicos. Para estos elementos la transposasa es responsable de los movimientos de los elementos P por el contrario el represor impide producción de tranposasa bloqueando de esta forma la movilización del elemento. 126 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 CAPÍTULO 3: PRINCIPALES TÉCNICAS UTILIZADAS EN BIOLOGÍA MOLECULAR Y SU APLICACIÓN EN EL CAMPO AGROPECUARIO. Introducción La demanda del mercado y las exigencias de la producción han conllevado a que hoy en día, la biotecnología tenga una amplia aplicación en el campo agropecuario. Estos avances están dirigidos a realizar un mejor aprovechamiento de la tierra, mejorar la calidad de los productos, cubrir demandas específicas del mercado y En este capítulo revisaremos las principales técnicas de aplicación en el campo agropecuario, para lo cual revisaremos conceptos relacionados con: Tecnología del ADN recombinante, clonado del ADN, hibridización, restricción y reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Lección 1. Tecnología de ADN Recombinante. Vectores: Plásmidos, Cósmidos, Bacteriófagos. La formación de moléculas de DNA recombinante consisten en la unión covalente, in Vitro, del inserto de DNA (fragmento que se quiere clonar) al vector fragmentado, mediante la utilización de una enzima denominada ligasa. La unión depende del tipo de extremo que haya resultado; en este sentido se conocen: 1. Extremos cohesivos: su secuencia es especifica de la enzima de restricción empleada y solo se asocian con extremos compatibles, generando una unión eficaz. 2. Extremos romos: no pueden asociarse pero la ligasa los puede unir con menor eficacia que a los cohesivos, en este caso no supone ninguna diferencia la enzima de restricción empleada con la que se prepararon. Siempre puede originarse asociación intramolecular entre los dos extremos romos de una misma molécula, vector ó inserto. También puede darse asociación intermolecular, tanto la que ocasiona rDNA (vector-inserto) como otras que generan productos no deseados (vector-vector; inserto-inserto). (Figura 3.16) 127 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.16: ASOCIACIÓN VECTOR – INSERTO. SE MUESTRA LOS PRODUCTOS POSIBLES A OBTENER. Tipos de Vectores Existe variedad en los vectores empleados para clonación de insertos de DNA. Pueden clasificarse de acuerdo a varios parámetros: 1. Procedencia, según sean de Eucariotas o Procariotas. 2. El tipo de molécula a partir de la cual se preparan: -Plásmidos (Bacterias, Levaduras, plantas). -Virus que infectan bacterias (Bacteriófagos/Fagos), plantas, invertebrados ó vertebrados. Cromosomas Artificiales que se derivan de elementos cromosómicos de fagos, bacterias ó de levadura y se simbolizan como: PACS, BACS y YACS respectivamente. –Quimeras estas son moléculas formadas por combinación de otra quimera de origen diferente, normalmente de plásmido ó fago. 3. Tipo de Célula Anfitriona en la que el rDNA resultante se puede luego incorporar. 4. Gen de resistencia que contiene el vector para la selección ó detección posterior. 5. El tamaño del DNA que admite como inserto. La Tabla 3.1 muestra la clasificación de los vectores de acuerdo a este último parámetro. 128 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Tabla 1: Clasificación de los vectores de acuerdo al tamaño del DNA que admiten Lección 2. PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa) Es una herramienta esencial en el campo molecular que permite amplificar de forma directa secuencias de DNA e indirecta RNA a través de ciclos repetidos que son dirigidos por cebadores ó “primers” en los dos casos el proceso se realiza In Vitro. Los mecanismos implicados en esta metodología son similares a los que ocurren in vivo durante el proceso de Duplicación del ADN. La PCR requiere de una serie de ciclos que comprenden denaturación, hibridación y replicación; el número de ciclos fluctúa entre 20 y 40, cada uno dura entre 1,5 a 5 minutos. La duración total esta alrededor de dos horas obviamente esto depende de las condiciones concretas. A través de los últimos años han surgido variantes de la PCR entre ellas se puede mencionar: -PCR Larga, esta se caracteriza por amplificar secuencias de gran tamaño entre 5 y 40 Kb . –PCR Anidada, aumento de la especificidad realizando una segunda PCR con “primer” nuevos que hibridan dentro del fragmento amplificado en la primera PCR, esto genera productos de PCR más cortos y más específicos. –PCR Inversa, se emplea para clonar regiones de DNA desconocidas, situadas cerca de una región conocida, en este caso se amplifica la región externa que flanquea a los “primers”, contrario a lo que ocurre con la PCR convencional. –RT-PCR, esta variante se trata de una amplificación de mRNA a 129 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 través de la síntesis previa de su cDNA (Complementario al RNA) que después se amplifica por PCR. –PCR Múltiplex, amplifica simultáneamente varias secuencias de DNA. Q-PCR, en tiempo real, es un tipo de PCR cuantitativo que mide la cantidad de cDNA o de mRNA en una muestra proveniente de cualquier tipo celular. El tiempo real se utiliza comúnmente para determinar la expresión del mRNA de un gene, y su expresión durante ciertas condiciones, por ejemplo cuando una célula se trata con una droga. Este tipo de PCR se puede utilizar para comparar muestras normales con muestras alteradas por una enfermedad, esto permite determinar los cambios de la expresión que ocurren con patogénesis. Por tratarse de un método altamente sensible se utiliza en la detección de patógenos en diversas muestras. Lección 3. Secuenciación, Southern, Northern, Western Secuenciación: La finalidad de esta técnica radica en investigar la secuencia exacta de nucleótidos de un determinado fragmento de DNA. El principio básico de este método se explica que durante la síntesis de una cadena de DNA, la enzima polimerasa añade los dNTP uno tras otro, en el orden que tiene la cadena molde. Durante este proceso de secuenciación, generalmente se realizan cuatro reacciones correspondientes a cada una de las bases nitrogenadas que hacen parte de la cadena de DNA (Figura 3.17). Southern, Northern y Western Blotting: El principio metodológico de estas técnicas es el mismo la diferencia radica en que el Southern se realiza en el DNA, el Northern en RNA y el Western en proteínas. El procedimiento requiere cinco etapas: Electroforesis, permite separar fragmentos de acuerdo a tamaño de las moléculas. Desnaturalización, se trata con una solución generalmente un álcali. Transferencia, la muestra pasa del gel por capilaridad a la membrana de nitrocelulosa. Hibridación, la sonda se incuba en una bolsa hermética. Detección, el resultado de la hibridación se revela de acuerdo con el marcaje previo de la sonda: autorradiografía de filtro, detección de fluorescencia y análisis de imagen. 130 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 FIGURA 0.17: PROCESOS IMPLICADOS EN EL PROCESO DE SECUENCIACIÓN (FUENTE: PURVES ET AL, 2001) Lección 4. Biotecnología e Ingeniería Genética Biotecnología: Mediante biotecnología se permite la utilización o manipulación de organismos vivos, o de compuestos obtenidos de estos organismos, con el fin de obtener productos de valor para los seres humanos. Para lograr estos fines los primeros organismos utilizados fueron las bacterias y los hongos, posteriormente se utilizaron las plantas y en forma reciente los animales. Con la ingeniería genética la biotecnología paso de implicar procesos microbianos, como la elaboración de la cerveza o el pan, la obtención de antibióticos o la descontaminación de aguas, a la utilización de organismos genéticamente modificados para obtener mayores beneficios. Ingeniería Genética: La Ingeniería genética implica la utilización de diversas técnicas que mediante la alteración del material genético permiten modificar las características de un organismo con el fin de mejorar animales o plantas. A través de la ingeniería genética, con utilización de bacterias ó virus, se consigue aumentar la síntesis de compuestos, formar nuevos compuestos, adaptar organismos a diferentes medios, así como la obtención de animales y plantas transgénicos, o animales knock-out que tienen determinados genes inactivos con lo cual se comprueba el efecto de la in activación en el metabolismo. En Ingeniería genética se utilizan enzimas de restricción con el fin de aislar un segmento de 131 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 ADN que contiene un gen de interés. Las enzimas de restricción han sido llamadas tijeras moleculares y son muy útiles debido a que reconocen secuencias específicas en la molécula de ácido nucléico donde aparece dicha secuencia. También son importantes para la construcción de vectores. Lección 5. Utilidad de las técnicas moleculares en el campo agropecuario En forma global la clonación es fundamental en el campo agropecuario debido a que permite generar mejores condiciones en organismos animales y vegetales. Según la finalidad la clonación puede ser: 1. De organismos Î Plantas ó Animales completos; 2. De células Î aisladas ó formando tejidos u órganos; 3. De moléculas Î sean estas genes ó fragmentos de DNA ó RNA. En este sentido, dependiendo del proceso experimental, la clonación se puede dividir en: -Acelular: Clonación de moléculas sin intervención de células, es decir amplificación in Vitro por Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR) y – Celular Amplificación de ácidos nucleídos mediante su introducción, por vectores, en una célula anfitriona en cultivo. En este caso, se emplea tecnología de DNA recombinante. La importancia de la clonación acelular se enfoca en el campo biotecnológico como proceso de multiplicación de moléculas de DNA ó RNA por PCR. Unos vectores muy conocidos son los bacteriófagos estos se emplean actualmente como vectores de clonación en el campo de la ingeniería genética y su estudio tiene implicaciones importantes en la biomedicina, la genética y biotecnología, en concreto en la comprensión de las infecciones virales, defectos genéticos, problemas de desarrollo, causas del cáncer y la resistencia de las bacterias a los antibióticos. La utilidad de los vectores en el campo agropecuario radica en que son elementos requeridos para la clonación celular de moléculas de DNA con lo que se permite cumplir con dos objetivos: Amplificación y Expresión. Con la amplificación se permite: Secuenciar Estudiar la estructura de ácidos nucleídos de células animales, vegetales, hongos y bacterias El estudio de homología entre especies importantes en agricultura y en el sector pecuario 132 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Diagnóstico mediante la identificación de mutaciones que causan enfermedad en los organismos animales y vegetales. Con la Expresión se permite: Estudiar los procesos de trascripción y traducción, también la forma en que se regulan, estudiando por ejemplo secuencias promotoras. Estudiar la producción de proteína ó RNA (forma normal ó alterada) para su identificación, para estudiar su función y propiedades, para aplicación comercial en diagnóstico, terapéutica, nutrición, industria entre otras. Desde hace más de tres décadas son muchos los avances realizados mediante la biotecnología. Sucesos como la producción de penicilina a partir del hongo Penicillium, que inicialmente se produjo de forma artesanal para posteriormente ser desarrollada a gran escala. Paralelamente a esta producción masiva de penicilina, se utilizaban otros microorganismos para obtener una gran variedad de antibióticos, como la estreptomicina. Actualmente, la biotecnología es una herramienta importante para la obtención de nuevos antibióticos que permitan actuar frente a las bacterias patógenas resistentes a los mismos. Con la ingeniería genética se ha logrado producir antibióticos sintéticos y obtener distintos tipos de drogas. Igualmente insulina humana, necesaria para el tratamiento de la diabetes, a partir del gen que sintetiza esta hormona, esto ha marcado diferencias en el sentido de que es idéntica a la humana a diferencia de las hormonas producidas por cerdos y vacas. Otro ejemplo, es la producción de la hormona del crecimiento humano a partir de bacterias que tienen en su genoma un inserto del gen humano. La manipulación genética a partir de microorganismos también ha permitido generar: - Interferón utilizado para el tratamiento de ciertos cánceres y algunos tipos de hepatitis. -Eritropoyetina para suministrar a pacientes sometidos a diálisis que pierden eritrocitos los cuales se recuperan con la utilización de la eritropoyetina logrando estabilidad en los pacientes. – Vacunas construidas mediante bacterias inocuas, a las que previamente se les ha introducido genes que determinan la producción de ciertos antígenos, permitiendo producir anticuerpos para contrarrestar la infección en el individuo vacunado, este modelo ha permitido producir por ingeniería genética la vacuna contra la hepatitis B y la rabia. A nivel ambiental también se han logrado avances que han permitido proteger y restaurar el ambiente a través de sistemas biológicos que reducen la contaminación acuática, área y terrestre utilizando microorganismos o plantas capaces de degradar compuestos. En el sector agrícola la biotecnología ha permitido desarrollar cultivos y plantas con mayor contenido nutritivo, resistentes a la sequía y a las plagas. El desarrollo de plantas transgénicas resistentes a las polillas ha beneficiado al sector productivo al evitar grandes pérdidas en las 133 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 cosechas a nivel mundial. Gracias a la inserción de un gen transportado por el Bacillus thuringiensis que induce la producción de una sustancia tóxica que actúa como insecticida para estos lepidópteros. Por biotecnología también se han creado plantas resistentes a virus, hongos y gusanos, plantas tolerantes a los herbicidas. Igualmente, se puede mejorar la calidad de los productos al incrementar los niveles de algunas proteínas. En el campo animal se han realizado modificaciones genéticas en embriones fecundados que permiten mejorar algunas características como mejorar la producción de leche, incrementar la tasa de crecimiento, tratar diversas enfermedades con fármacos obtenidos utilizando ingeniería genética como es el caso del enfisema pulmonar que se trata con alfa-1- antitripsina obtenida por biotecnología. En la actualidad, se han introducido diversos genes en ovejas y cerdos que les confieren resistencia a diversas enfermedades. 134 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Actividades de Autoevaluación de la UNIDAD 3 En esta sección usted evaluará diversos aspectos de la actividad académica desarrollada en la unidad. Esta actividad tiene una valoración cualitativa de acuerdo a la siguiente escala: No satisfactorio, Satisfactorio, Supera lo esperado. En cada punto además de asignar la categoría correspondiente, dará una breve explicación de su respuesta. Autoevaluación de su trabajo individual. Usted describirá de manera cualitativa cual fue su rol como estudiante y su desempeño en el desarrollo, entrega y responsabilidad en las actividades de trabajo individual y colaborativo. Evaluación del desempeño de los compañeros de grupo de trabajo colaborativo. Debe indicar si hubo participación de sus compañeros, si el grado de compromiso en el desarrollo de trabajos colaborativos fue satisfactorio, no satisfactorio o supera lo esperado de cada uno de ellos justificando su apreciación Evaluación del material usado en la actividad de la unidad: Debe indicar y justificar si el material empleado para el desarrollo de esta unidad fue satisfactorio, no satisfactorio o supera lo esperado. Desempeño del rol del tutor. Debe dar su autoevaluación del tutor respecto a compromiso, responsabilidad, calidad, pertenencia, atención al estudiante, retroalimentación de trabajos y relaciones interpersonales. 135 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas Pecuarias y del Medio Ambiente Contenido didáctico del curso Biología Celular y Molecular 203017 Fuentes Documentales de la Unidad 3 Audesirk, Teresa, et al. Biología, La Vida en la Tierra. Sexta Edición. Prentice Hall. México. 889 páginas. 2003 Alberts, Biología Molecular de la célula. Tercera Edición. Omega.1387 páginas.1994 Avers, Charlotee. Biología celular. Segunda Edición. Grupo Editorial Iberoamérica. México. 748 páginas. 1991. Cooper’s, Geoffreys M. La célula. Tercera Edición. Editorial Marban. 2006 Curtis, H. & Barnes, S. Biología. Editorial Médica Panamericana. Argentina.1199 páginas. 1993. Griffiths A, Miller, Jeffrey. Genética. Mc Graw Hill. N.Y. 2001 Karp, Gerald. Biología celular y molecular. McGraw-Hill Interamericana. México. 746 páginas. 2001 Madigan M, Martinko, J, Parker J. Brock. Biología de los microorganismos. Prentice Hall. U.S.A. 2001 Paniagua, Ricardo. Biología celular. McGraw-Hill Interamericana. México. 361 páginas. 1999. Purves,W. Y Otros. Life. The Sciencie of Biology. Sinauer Associates, Inc. U.S.A. 1.044 páginas. 2001. Smith, C.A and Wood, Iberoamericana. U.S.A 2001. E.J. Biología Celular. Addison-Wesley Villee, Claude A. Biología. Tercera edición. Interamericana. México. 1996 136
