Biologia Celular y Molecula

BIOLOGA CELULAR Y MOLECULAR

Biologa celulary molecular

Dr. Dolores Javier Snchez Gonzlez

Jefe del Departamento de Biologa Celular y Tisular;Profesor Titular de Biologa Celular y Tisular;

Profesor Titular de Metodologa de la Investigacin, Escuela Mdico Militar,Universidad del Ejrcito y Fuerza Area.

Profesor Titular de Histologa, Escuela Militar de Graduados de Sanidad,Universidad del Ejrcito y Fuerza Area.

Seccin de Posgrado e Investigacin, Escuela Superior de Medicinadel Instituto Politcnico Nacional.

Miembro del Sistema Nacional de Investigadores, CONACYT.

Dra. Nayeli Isabel Trejo Bahena

Seccin de Medicina Legal, Hospital Central Militar.Escuela Militar de Graduados de Sanidad,Universidad del Ejrcito y Fuerza Area.

EditorialAlfil

Biologa celular y molecularTodos los derechos reservados por:E 2006 Editorial Alfil, S. A. de C. V.Insurgentes Centro 51--204, Col. San Rafael06470 Mxico, D. F.Tels. 55 66 96 76 / 57 05 48 45 / 55 46 93 57e--mail: [email protected]

ISBN 968--7620--34--X

Primera edicin, 2006

Direccin editorial:Jos Paiz Tejada

Editor:Dr. Jorge Aldrete Velasco

Diseo de portada:Arturo Delgado--Carlos Castell

Dibujos:Alejandro Rentera

Impreso por:Digital Oriente, S. A. de C. V.Calle 15 Mz. 12 Lote 17,Col. Jos Lpez Portillo09920 Mxico, D. F.Septiembre de 2006

Autores ycolaboradores

AUTORES

Dr. Dolores Javier Snchez GonzlezJefe del Departamento de Biologa Celular y Tisular;Profesor Titular de Biologa Celular y Tisular; Profe-sor Titular de Metodologa de la Investigacin, Es-cuela Mdico Militar, Universidad del Ejrcito yFuerzaArea. Profesor Titular deHistologa, EscuelaMilitar de Graduados de Sanidad, Universidad delEjrcito y FuerzaArea. Seccin dePosgrado e Inves-tigacin, Escuela Superior de Medicina del InstitutoPolitcnicoNacional. Miembro del SistemaNacionalde Investigadores, CONACYT.

Captulos 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10

Dra. Nayeli Isabel Trejo BahenaSeccin deMedicina Legal, Hospital Central Militar.Escuela Militar de Graduados de Sanidad, Universi-dad del Ejrcito y Fuerza Area.

Captulos 2, 4, 5, 6, 8

COAUTORES

Dr. Ismael Vsquez MoctezumaLaboratorio de Biologa Molecular, InstitutoMexica-no de Oncologa, Universidad de Puebla, UNIPUE-BLA. Seccin de Posgrado e Investigacin, EscuelaSuperior de Medicina, Instituto Politcnico Nacional

Captulos 1, 5, 8, 10

M. en C. Dairo Jess Orjuela HenryProfesor Titular de Biologa Molecular y Gentica.Profesor Titular de Bioqumica. Profesor AsociadodeBiologa Celular y Tisular. Profesor Titular deMe-todologa de la Investigacin, Escuela Mdico Mili-tar, Universidad del Ejrcito y FuerzaArea. FacultaddeQumica, UniversidadNacionalAutnoma deM-xico.


Dr. Luis Humberto Prez AstudilloProfesor Titular de Biologa Celular y Tisular, Escue-la Mdico Militar, Universidad del Ejrcito y FuerzaArea. Jefe del Laboratorio deAnlisis Clnicos BIO-TEST, Ciudad Sahagn, Hidalgo, Mxico.


Quim. Clin. Claudia Mara Martnez MartnezProfesor Titular de Biologa Celular y Tisular, Escue-la Mdico Militar, Universidad del Ejrcito y FuerzaArea. Facultad de Medicina, Universidad NacionalAutnoma de Mxico.

Captulo 4

Dr. Esa Floriano SnchezJefe del Departamento deBioqumica y BiologaMo-lecular. Profesor Titular de Biologa Molecular y Ge-ntica. ProfesorTitular deBioqumica. ProfesorTitu-lar de Metodologa de la Investigacin, EscuelaMdico Militar, Universidad del Ejrcito y FuerzaArea.

Captulo 4

V

VI (Autores y colaboradores)Biologa celular y molecular

M. en C. Yolanda Irasema Chirino LpezFacultad de Qumica, Universidad Nacional Autno-ma de Mxico.

Captulo 1

M. en C. G. Yazmn Arellano SalazarFacultad de Qumica, Universidad Nacional Autno-ma de Mxico.

Captulo 3

COLABORADORES

Las siguientes personas colaboraron en la preparacinde muestras de clulas y tejidos, en la revisin de loscontenidos y en la toma de algunas de las fotografas pre-sentadas en esta obra.

Dr. Juan Ambrosio Ortega RangelProfesor Titular de Biologa Celular y Tisular, Escue-la Mdico Militar, Universidad del Ejrcito y FuerzaArea. Laboratorio deMicroscopia Confocal, Institu-to Nacional de la Comunicacin Humana.

Tcnico Histopatlogo Lucas Salazar AcevedoDepartamento de Biologa Celular y Tisular, EscuelaMdico Militar, Universidad del Ejrcito y FuerzaArea. Departamento de Patologa del Hospital n-

geles Interlomas. Departamento de Patologa delHospital ABC.

Q. F. B. Andrs Balderas CornelioDepartamento de Biologa Celular y Tisular, EscuelaMdico Militar, Universidad del Ejrcito y FuerzaArea.

Q. F. B. Fabiola Salinas CanoLaboratorio Cientfico de Investigaciones, Procura-dura General de Justicia Militar.

Qum. Cln. Gilberto Francisco Uscanga TejedaLaboratorio Cientfico de Investigaciones, Procura-dura General de Justicia Militar.

M. en C. Gema Martnez CabreraLaboratorio de Neuromorfologa, Instituto deNeuro-biologa, Universidad Nacional Autnoma de Mxico.

Q. F. B. Arturo Hernndez MendozaQumico Farmacutico Bilogo, Facultad de Qumi-ca, Universidad Nacional Autnoma de Mxico. In-vestigador del Instituto Nacional de Pediatra. Jefe dePlanes y Programas, Seccin Pedaggica, EscuelaMdico Militar, Universidad del Ejrcito y FuerzaArea.

Biol. Juan Carlos Len ContrerasDepartamento de Patologa, Instituto Nacional deCiencias Mdicas y Nutricin Salvador Zubirn.

Contenido

Introduccin XI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Prlogo XIII. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Captulo 1. Generalidades de biologa celular 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dolores Javier Snchez Gonzlez, Yolanda Irasema Chirino Lpez,

Ismael Vsquez MoctezumaIntroduccin 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Fisiologa celular 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Metabolismo 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Homeostasis 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Bases qumicas de la vida 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Agua 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Equilibrio cido--base 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Trastornos del equilibrio cido--base 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Molculas orgnicas 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Renovacin celular 28. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Captulo 2. Evolucin y diversidad de los seres vivos 29. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dolores Javier Snchez Gonzlez, Nayeli Isabel Trejo BahenaEvolucin 29. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Niveles de organizacin en biologa 34. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Diversidad de los seres vivos 40. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Captulo 3. Citoplasma 49. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dolores Javier Snchez Gonzlez, Dairo Jess Orjuela Henry, G. Yazmn Arellano SalazarIntroduccin 49. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Membrana celular o plasmalema 49. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Reconocimiento celular 57. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Retculo endoplasmtico 61. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ribosomas 71. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Aparato de Golgi o dictiosoma 77. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Vacuolas 80. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Cuerpos multivesiculares 80. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Lisosomas 80. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Peroxisomas 81. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Proteasomas 81. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Mitocondrias 82. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

VII

VIII (Contenido)Biologa celular y molecular

Laminillas anilladas 88. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Citoesqueleto 88. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Organelos no membranosos 93. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Inclusiones citoplasmticas 95. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Captulo 4. Ncleo celular. Estructura y expresin gnica 99. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dolores Javier Snchez Gonzlez, Nayeli Isabel Trejo Bahena,

Claudia Marta Martnez Martnez, Esa Floriano SnchezIntroduccin 99. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Envoltura nuclear o nucleolema 101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Poros nucleares 101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Nucleolo 102. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Cromatina 104. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Empaquetamiento del DNA 106. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Cromosomas 108. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Replicacin (duplicacin) del DNA 110. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Transcripcin de genes 112. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .RNA autocatalticos o ribozimas 116. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Retrotranscripcin 117. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Captulo 5. Genoma humano y herencia 119. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dolores Javier Snchez Gonzlez, Ismael Vsquez Moctezuma, Nayeli Isabel Trejo BahenaIntroduccin 119. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Genoma 120. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Bases moleculares de la herencia 121. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Genes 125. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Mapeo gnico 126. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Herencia humana 126. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .DNA no codificante o extragnico 129. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Polimorfismo de un nucletido 131. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Genoma mitocondrial 131. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Mutaciones 132. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Reparacin del DNA 133. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Cariotipo 134. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Anomalas cromosmicas 134. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Enfermedades genticas 135. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ejemplos de trastornos de un solo gen 136. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Trastornos cromosmicos 138. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Trastornos multifactoriales 138. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Captulo 6. Nacimiento celular. Ciclo celular 139. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dolores Javier Snchez Gonzlez, Dairo Jess Orjuela Henry,

Luis Humberto Prez Astudillo, Nayeli Isabel Trejo BahenaIntroduccin 139. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Divisin celular en procariotas 140. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Divisin celular en eucariotas 141. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Interfase 141. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Mitosis 142. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Meiosis 145. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Control del ciclo celular 148. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ciclinas 150. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Cinasas dependientes de ciclina 152. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Transduccin de seales y ciclo celular 154. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Captulo 7. Muerte celular. Apoptosis 157. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dolores Javier Snchez Gonzlez, Dairo Jess Orjuela Henry, Luis Humberto Prez Astudillo

IXContenido

Introduccin 157. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Caractersticas morfolgicas 158. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Fases 159. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Necrosis y apoptosis 160. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .TUNEL 160. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Relacin de la apoptosis con el ciclo celular 160. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Histofisiologa de la apoptosis 162. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Familias de molculas relacionadas con la apoptosis 162. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Regulacin molecular de la apoptosis 170. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Cambios en la membrana plasmtica 174. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Cambios nucleares 176. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Eliminacin de la clula apoptsica 176. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Apoptosis y enfermedad 177. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Captulo 8. Biologa molecular del cncer 179. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dolores Javier Snchez Gonzlez, Ismael Vsquez Moctezuma, Nayeli Isabel Trejo BahenaIntroduccin 179. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Oncogenes virales y oncogenes celulares 179. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Agentes mutagnicos 180. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .El cncer y la herencia 180. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Oncogenes y genes supresores de tumores 180. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Alteraciones epigenticas relacionadas con el cncer 181. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Genes clave en la gnesis del cncer (oncogenes) 184. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Genes supresores (antioncogenes) 186. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Marcadores tumorales 188. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Control del ciclo celular y terapia contra el cncer 189. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Captulo 9. Microscopia 193. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dolores Javier Snchez Gonzlez, Luis Humberto Prez AstudilloIntroduccin 193. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Historia de la histologa y del microscopio 193. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Microscopio de campo claro 194. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Tipos de microscopios 196. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Manejo del microscopio ptico 201. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ajuste de la iluminacin Khler 202. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ajuste para micrometra 203. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ajuste para contraste de fases 204. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Limpieza del microscopio 204. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Captulo 10.Microscopia y tcnicas complementarias 205. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dolores Javier Snchez Gonzlez, Dairo Jess Orjuela Henry, Luis Humberto Prez Astudillo,

Ismael Vsquez MoctezumaMtodos histolgicos 205. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Tipos de colorantes 212. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Tcnicas comunes de tincin en histologa 214. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Examen citolgico 217. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Tcnicas especiales de tincin (argnticas) 218. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Inmunolocalizacin para protenas 219. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Deteccin de cidos nucleicos por microscopia 223. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Tcnicas de microscopia electrnica 226. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Fraccionamiento celular 230. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Autorradiografa y radioistopos 232. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Aislamiento y crecimiento de clulas en cultivo 233. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Referencias 235. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ndice alfabtico 239. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

X (Contenido)Biologa celular y molecular

IntroduccinDolores Javier Snchez Gonzlez

El estudio de lamedicina est sufriendo profundas trans-formaciones en la actualidad, ya que se est retomandola importancia del estudio de las materias bsicas tradi-cionales como pilar fundamental en la integracin bsi-co--clnica de la prctica mdica y en su relacin con lainvestigacin biomdica, al incorporar de manera conti-nua los avances cientficos en el estudio de genes (geno-ma), protenas (proteoma) y biomolculas de la biologamolecular; el estudio de las clulas (biologa celular); te-jidos (histologa); biologa del desarrollo (embriologa);en la funcin (fisiologa); en el descubrimiento de nue-vas estrategias teraputicas contra enfermedades (farma-cologa) y contra defectos congnitos (terapia gnica),as como la interrelacin del ser humano con organismospatgenos (microbiologa y parasitologa).En un futuro prximo se integrarn al estudio de la

biomedicina y de la prctica profesional del mdico dis-ciplinas que cambiarn para siempre el rumbo de la me-dicina como hoy la percibimos: la farmacogentica y lafarmacogenmica, en la generacin de medicamentosms efectivos y menos txicos con base en la estructuragenmica de cada poblacin; estas nuevas estrategias te-raputicas, a su vez, forman parte de una nueva tenden-cia en el estudio de la medicina: la medicina genmica,la cual consiste en identificar las variaciones en el geno-

ma humano que confieren riesgo de padecer enfermeda-des comunes, dando lugar a una prctica mdica ms in-dividualizada, ms preventiva y ms predictiva, ya quepermitir identificar a los individuos con riesgo de desa-rrollar enfermedades comunes antes de que aparezcanlos sntomas y as evitar o retrasar sus manifestaciones,complicaciones y secuelas.La biologa celular integra la estructura, biologa mo-

lecular y fisiologa a nivel celular; por esta razn tam-bin se le denomina biologa celular y molecular, mien-tras que la citologa se refiere slo a la estructura de lasclulas. La biologa celular y tisular es el estudio de labiologa celular y la histologa integradas como un todo,ya que los tejidos estn formados por clulas.La investigacin histolgica (biologa tisular) se ha

desarrollado de manera explosiva en aos recientes, yaque al incorporar a la biologa molecular, inmunologay microscopia en todas sus modalidades: electrnica,confocal, multifotnica, etc., ha permitido el desarrollode tcnicas de investigacin poderosas, como la hibrida-cin in situ fluorescente (FISH) para el estudio de loscidos nucleicosDNAyRNAen clulas y tejidos (biolo-ga molecular aplicada a la histologa) y la inmunohisto-qumica e inmunofluorescencia (inmunologa aplicadaa tejidos).

XI

XII (Captulo 10)Biologa celular y molecular

PrlogoDolores Javier Snchez Gonzlez

El conocimiento actual de la estructura y funcin de losseres vivos tiene su fundamento en los mtodos necesa-rios para la investigacin en las clulas y tejidos. Losdescubrimientos recientes sobre las clulas son conse-cuencia directa del desarrollo de tcnicas de investiga-cin novedosas, como la microscopia confocal lser, elfraccionamiento celular, la inmunohistoqumica, la ci-ntica de enzimas y la biotecnologa de los cidos nuclei-cos (DNA y RNA), entre otros. Se requiere tener ciertosconocimientos respecto a los principios fundamentalesde los mtodos utilizados actualmente en la investiga-cin biomdica para que el estudio de la biologa celulary molecular no sea un aprendizaje estril, sino que ade-ms permita adoptar una postura crtica frente a los fen-menos que ocurren en las clulas y tejidos. Por esta ra-

zn, en este libro se incluye una seccin de microscopiadedicada a estas nuevas metodologas que nos permitensumergirnos hasta el interior de las tejidos, clulas y es-tructuras subcelulares para explorar, entender y en sucaso descubrir los fenmenosbioqumicos y fisiolgicosque regulan el nacimiento, el desarrollo y lamuerte celu-lar en un concierto complejo de billones de clulas quetrabajan juntas en armona de manera sincrnica en losorganismos pluricelulares, como el ser humano.Esta obra est dirigida a estudiantes de medicina, ve-

terinaria, biologa, odontologa, enfermera y ciencias dela salud en general; a tcnicos de laboratorio de histopa-tologa, de biologa y bioqumica, as como al personalespecializado en procedimientos de investigacin bio-mdica bsica.

XIII

XIV (Prlogo)Biologa celular y molecular

Agradecimientos

AlaDra.Martha Patricia FernndezGuzmn, fundadorade la Maestra de Morfologa en el Ejrcito Mexicano.Por su incansable labor en la Escuela Mdico Militar,ejemplo a seguir para las generaciones venideras. Por suparticipacin directa en mi formacin cmo morflogo.Al Dr. Jaime Berumen Campos, ex--investigador del

Ejrcito Mexicano y actual investigador del HospitalGeneral de Mxico y de la Universidad Nacional Aut-noma deMxico, verdadero ejemplo a seguir en el cam-po de la investigacin en medicina, por su frrea y tenazbsqueda en la generacin del conocimiento.Al Dr. Rogelio Enrique Hernndez Pando, por su in-

cansable labor como investigador del Instituto Nacionalde Ciencias Mdicas y Nutricin Salvador Zubirn ypor su apoyo total y desinteresado para la realizacin deproyectos de investigacin.Al Dr. Ramn Arturo Valds Espinosa, quien fue mi

gua en la metamorfosis del campo clnico hacia el cam-po de la investigacin experimental y me alent hacia labsqueda del conocimiento con mentalidad crtica y ob-jetiva.A mis profesores de histologa: Alberto Alejandro

MercadoCoria y JuanAmbrosioOrtegaRangel, quienesme ensearon la materia en la carrera de medicina, as

como en el posgrado y, con su esfuerzo y experiencia alo largo de los aos, han contribuido a la formacin m-dica de incontables generaciones en la Escuela MdicoMilitar y en la Facultad de Medicina de la UniversidadNacional Autnoma de Mxico.Dedico esta obra a tres grandes patlogos queme pre-

cedieron en el Laboratorio de Histologa de la EscuelaMdico Militar: Luis Bentez Bribiesca, Mario AyalaZavala yArturoVargasSolano, porque justo es que se re-conozca la obra de los que nos han precedido, sobre todosi su labor ha dejado huella imborrable en nuestras men-tes y en nuestros corazones y porque ellos han trascen-dido hacia la generacin del conocimiento.A la Fundacin Gonzalo Ro Arronte, IAP, por la do-

nacin del microscopio confocal a la Escuela MdicoMilitar, de donde se obtuvieron todas las fotografas his-tolgicas mostradas en esta obra.A Jos Paiz Tejada, Director General de Editorial Al-

fil, S. A. de C. V., por su apoyo en la redaccin y revisinde esta obra. Por sus valiosos comentarios, sugerenciasy arreglos en los esquemas y figuras que enriquecen allibro.

Dolores Javier Snchez Gonzlez

XV

XVI (Agradecimientos)Biologa celular y molecular

Dedico esta obra a nuestros alumnos, a los que nos debemos y razn por la cualexisten las Escuelas, Facultades y Universidades, quienes continuarn con nuestra labor,

superndonos y demostrndonos que el conocimiento de nuestro entornoes cada vez ms complejo y maravilloso a medida que pasa el tiempo.

Espero alcanzar a ver la nueva gran revolucin que se avecina en la prctica mdicay que hasta ahora parece ser propiedad slo de la comunidad cientfica:

la era genmica.

A mis maestros en general: por su fructfero trabajoy por su participacin directa en mi formacin.

Sembraron y comimos, sembremos para que coman.

Al Coronel Pagador Retirado Rafael Corona Vargasy al Dr. Ismael Vsquez Moctezuma,

quienes me alentaron hacia la escritura de mi primer libro.

A mi familia y a mi esposa Nayeli, coautora principal de este libro.Por su apoyo, amor ilimitados y ayuda mutua

en el difcil y eterno camino hacia la superacin.


La mente humana es tan extensa, profunday misteriosa como el universo mismo.

Nosotros somos nuestros propios astronautas.


Saber no es suficiente, debemos aplicar.Desear no es suficiente, debemos actuar.

Goethe

XVIII (Captulo 10)Biologa celular y molecular

EditorialAlfil.Fotocopiarsinautorizacines

undelito.

E

1Generalidades de biologa celularDolores Javier Snchez Gonzlez, Yolanda Irasema Chirino Lpez, Ismael Vsquez Moctezuma

Captulo

INTRODUCCIN

El protoplasma es la sustancia fundamental de los seresvivos, como componente viviente de la clula; estcompuesto principalmente por ncleo y citoplasma. Launidad mnima de protoplasma capaz de realizar lasfunciones de nutricin, relacin y reproduccin de ma-nera independiente es la clula. Los seres vivos mssimples, como los protozoos, se componen de una solaclula, mientras que los organismos superiores (multi-celulares o metazoos) son complejos de muchas clulasdiferentes especializadas en diferentes cosas. El ncleoest compuesto por nucleoplasma y nucleolema, omem-brana nuclear, que lo separa del citoplasma. La clulaest rodeada por una membrana celular o plasmalema.El ncleo y el citoplasma contienen organelos e inclu-siones inmersas en la porcin de citoplasma que se de-nomina citosol.Las clulas son bioqumica, estructural y funcional-

mentemuy complejas; se clasifican en procariotas y eu-cariotas. Por lo general las clulas procariotas son mspequeas y carecen de ncleo y de la complejidad inter-na de las clulas eucariotas; sin embargo, todas las clu-las comparten caractersticas comunes, que son:

1. Caractersticas estructurales:S Membrana celular o plasmalema, que las se-para y comunica con el exterior.

S Pared celular que rodea a la membrana plas-mtica (slo en bacterias y clulas vegetales).

S Ribosomas.

S Citoplasma, que forma la mayor parte del vo-lumen celular y en el que estn inmersos losorganelos celulares.

S cido desoxirribonucleico (DNA), es el ma-terial hereditario de los genes.

S cido ribonucleico (RNA), expresa la infor-macin contenida en el DNA.

S Biomolculas, como enzimas y otras prote-nas (producto de los genes), que ponen en fun-cionamiento la maquinaria celular; carbohi-dratos, lpidos, etc.

2. Caractersticas diferenciales y funcionales:S Autoalimentacin o nutricin.S Autorreplicacin o divisin celular.S Metabolismo.S Crecimiento.S Diferenciacin.S Sealizacin qumica.S Evolucin, etc.

La clula es la unidad funcional de todos los tejidos,mientras que los tejidos con caractersticas similaresforman los rganos y stos con funciones similares for-man, a su vez, los aparatos o sistemas. Todos los orga-nismos vivos estn formados por clulas, de tal maneraque ningn organismo es un ser vivo si no contiene almenos una clula. Algunos organismos microscpicos,como bacterias y protozoos, son clulas nicas (unice-lulares), mientras que las plantas y los animales estnformados pormillones de clulas organizadas en tejidosy rganos.Aunque los extractos acelulares y virus reali-zan muchas de las funciones de las clulas vivas, care-cen de vida independiente, capacidad de crecimiento yreproduccin por s mismos y, por tanto, no se les consi-

1

2 (Captulo 1)Biologa celular y molecular

dera seres vivos. La biologa estudia las clulas con baseen su constitucinmolecular y la forma en que constitu-yen organismos muy complejos, como el ser humano.Para comprender cmo funciona, se desarrolla y enve-jece el cuerpo humano sano y qu falla en caso de enfer-medad, es necesario conocer las clulas que lo integran.Las clulas son de formas y tamaos muy variados.

Algunas de las clulas bacterianas ms pequeas tienenformacilndrica demenos de1Nmde longitud,mientrasque las neuronas son de forma compleja, con numerosasprolongaciones delgadas que miden varios metros delongitud. La mayora de las clulas vegetales miden de20 a 30 Nm de longitud, tienen forma poligonal y paredcelular rgida. En promedio, las clulas del reino animalmiden de 10 a 60 Nm de dimetro; su membrana celulares flexible, con abundantes pliegues.En el citoplasma se llevan a cabo numerosas reaccio-

nes qumicas que permiten a las clulas realizar sus fun-ciones fundamentales, como crecer, producir energa yeliminar residuos; estas acciones en conjunto se deno-minan metabolismo. Adems, las clulas contienen lainformacin gentica heredable codificada en los geneslocalizados en grandes secuencias del DNA. La infor-macin gentica dirige las funciones celulares y asegurala descendencia. Las numerosas similitudes entre las c-lulas de los diversos reinos de la vida demuestran queprovienen de una clula ancestral comn y que existeuna relacin evolutiva entre las clulas modernas y lasprimitivas. El trmino parnquima (del griego para, en-tre, en, en, y chein, verter) se aplica a los tejidos consti-tuidos por clulas vivas que cumplen diferentes funcio-nes. Las caractersticas distintivas de los seres vivos conrespecto de los no vivos incluyen crecimiento, repro-duccin, herencia, adaptacin al entorno, organizacinprecisa, metabolismo, homeostasis (capacidad de man-tener unmedio interno apropiado a pesar de los cambios

que tienen lugar en el medio externo), movimiento, res-puesta a estmulos, evolucin ymuerte. En este captuloviajaremos al interior de las clulas para explorar y en-tender los fenmenosbioqumicos y fisiolgicos que re-gulan el desarrollo celular en los reinos de la vida.

La clula

Las clulas (del latn cellulae, celda) son estructurasmuy organizadas, constituidas por organelos implica-dos cada uno de ellos en diferentes funciones. Los orga-nelos son estructuras comunes a casi todas las clulas,se consideran como rganos internos metablicamenteactivos y realizan funciones esenciales especficas. Lasinclusiones son acmulos inertes que contienen produc-tos metablicos o celulares. La clula es capaz de regu-lar su metabolismo y de mantener en reserva un ampliorepertorio de reacciones qumicas reprimidas debido ala presencia predominante en el citoplasma de organeloslimitados por membrana.Al igual que los dems seres vivos, los seres humanos

estn formados por 250 distintos tipos de clulas confunciones especficas que en total suman casi 100 billo-nes (1014). Las clulas se pueden estudiar segn su for-ma y su tamao (figura 1--1).

Forma

Las neuronas contienen numerosas ramificaciones, mien-tras que las clulas musculares son alargadas y fusifor-mes. Se ha demostrado que la forma est condicionadapor la funcin: en unmedio lquido adquieren forma re-dondeada, en asas compactas con forma polidrica,como en la sangre y en suspensin. Las amebas y losleucocitos pueden variar su forma a medida que se des-

Figura 1--1. Esquema de una clula animal. Se muestran sus principales componentes: ncleo, citoplasma, membranas celulary nuclear y organelos.

Vacuolas

Peroxisoma

Centriolos

Ncleo

Lisosomas

Nucleolo

Filamentos intermedios

Membrana nuclear

Membrana

CitosolFilamentos de actinaVescula

MicrotbulosRetculo endoplsmico lisoMitocondriasRetculo endoplsmico rugosoRibosomasCuerpo basalFlagelo

Aparato de Golgi

plasmtica

3Generalidades de biologa celularEditorialAlfil.Fotocopiarsinautorizacines

undelito.

E

Figura 1--2. A. Se muestran las unidades usuales de medicin en biologa y medicina, basadas en el sistema mtrico decimal.: ngstrom; nm: nanmetro; Nm: micrmetro. B.Mltiplos y submltiplos del metro. El sistemamtrico decimal agrupa unidadesde medida basadas en el metro y relacionadas entre s por mltiplos o submltiplos de 10. El metro es la diezmillonsima partede la distancia del polo norte al ecuador, o la distancia recorrida en el vaco por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 seg,casi 3 nanosegundos (ns). Se implant en la PrimeraConferenciaGeneral de Pesos yMedidas en 1889 enPars, donde se fabricun metro patrn de platino e iridio a 0 _C y una atmsfera de presin. Actualmente se le conoce como Sistema Internacional deUnidades (SI), el cual contiene siete unidades bsicas, que son el metro (m) para la longitud, el segundo (s) para el tiempo, elkelvin (K) para la temperatura, el kilogramo (kg) para la masa, la candela (cd) para la intensidad luminosa, el amperio (A) parala intensidad de corriente elctrica y el mol (mol) para la cantidad de sustancia.

1 m = 103 mm = 106 Nm = 109 nm = 1010 1 mm = 103 Nm = 106 nm = 107

10--3 mm = 1 Nm = 103 nm = 104 10--6 mm = 10--3 Nm = 1 nm = 10

10--7 nm = 10--4 Nm = 10--1 nm = 1

Primer orden de magnitud 10--1 decmetros 101 decmetrosSegundo orden de magnitud 10--2 hectmetros 102 centmetrosTercer orden de magnitud 10--3 kilmetros 103 milmetrosCuarto orden de magnitud 10--4 mirimetros 106 micrmetrosQuinto orden de magnitud 10--6 megmetros 109 nanmetrosSexto orden de magnitud 10--9 gigmetros 1010 ngstromsSptimo orden de magnitud 10--12 termetros 1012 picmetrosOctavo orden de magnitud 10--15 petmetros 1015 fentmetrosNoveno orden de magnitud 10--18 exmetros 1018 attmetrosDcimo orden de magnitud 10--21 zettmetros 1021 zeptmetrosUndcimo orden de magnitud 10--24 yottmetros 1024 yoctmetros

Equivalencias de un metro

rdenes de magnitud Mltiplos Submltiplos

A

B

plazan; las clulas epiteliales son casi rectangulares y seunen fuertemente a sus vecinas, mientras que los esper-matozoides tienen un gran flagelo que les provee loco-mocin.

Tamao

No existe relacin entre el tamao del animal y el tama-o de sus clulas; tampoco existe relacin entre el tama-o celular y su funcin. Debido a que las clulas son pe-queas, las distancias que lasmolculas recorren dentrode ellas son cortas; esto les permite acelerar sus procesosmetablicos. En biologa se utiliza de manera habitual elsistema mtrico decimal (SMD). Un nanmetro (nm)equivale a 0.000000001m, o 0.000001mm (figura 1--2).

FISIOLOGA CELULAR

Las clulas tienen propiedades fundamentales que no ne-cesariamente son comunes a todas las clulas, como res-piracin, irritabilidad, conductibilidad, contractilidad,reproduccin, absorcin, secrecin y excrecin, etc. La

absorcin es la capacidad de las clulas de captar sustan-cias del entorno, las cuales pueden ser procesadas en elinterior de la clula y posteriormente secretadas para de-sempear diversas funciones, o excretadas comoproduc-tos de desecho. Las clulas degradan los alimentos con-sumidos en presencia de oxgeno (respiracin celular).La capacidad celular de responder a diversos estmu-

los se denomina irritabilidad. Si este estmulo es lo sufi-cientemente fuerte, se puede transmitir (conductivi-dad), como en el caso de los potenciales de accin entrelas neuronas. Las clulas musculares, entre otras, tam-bin tienen la funcin de contractilidad ante diversos es-tmulos. Otras funciones celulares son:

Relacin

Esta funcin permite la interaccin de las clulas con elmedio ambiente, y se basa en sus movimientos internos(ciclosis) o externos (tropismos y taxismos). La ciclosises el movimiento cclico que se genera en el citoplasmapor acciones del citoesqueleto ante estmulos internosy externos. Los tropismos son movimientos de las clu-las vegetales que orientan el crecimiento hacia o en con-tra de un estmulo externo, por ejemplo el fototropismopositivo en hojas y negativo en races (crecimiento diri-


gido por la luz solar). Los taxismos son movimientosque realizan las clulas animales para trasladarse de unlugar a otro mediante cilios, flagelos o por seudpodos(movimientos ameboidales) en respuesta a estmulos.

Sensibilidad

Las clulas reaccionan a estmulos fsicos o qumicos ensu ambiente interno o externo. Los estmulos queprodu-cen reacciones en la mayora de las clulas son los cam-bios en la temperatura, presin, vibraciones, luminosi-dad y cambios en la composicin qumica del entorno,entre otros. Las plantas tambin reaccionan a la luz, lagravedad, la humedad, etc. La velocidad de flujo del ci-toplasma de las clulas vegetales se acelera o detienepor las variaciones en la intensidad de la luz.

Crecimiento

Se define como un aumento en lamasa celular, como re-sultado de un incremento del tamao de las clulas indi-viduales (hipertrofia), del nmero de clulas (hiperpla-sia) o de las dos cosas. Cabemencionar que la velocidadde crecimiento puede ser uniforme o diferente en las di-versas partes de un organismo.

Reproduccin

Es la propiedad de engendrar organismos similares ase-gurando la supervivencia de la especie. Todas las clu-las provienen de una clula similar, excepto la clulaprimitiva que dio origen a la vida en la Tierra, que pudooriginarse a partir de biomolculas, energa y agua.Puede ser asexual, como en los organismos unicelu-

lares, o sexual, como en los organismos superiores. Enlos vegetales inferiores la reproduccin puede ser ase-xual o sexual, con alternancia de generaciones sexualesy asexuales. En los mamferos, la reproduccin celularpuede ser por mitosis (la clula madre origina dos clu-las con igual nmero de cromosomas diploides) o pormeiosis (la clula madre origina cuatro clulas con lamitad del nmero cromosmico o haploides).

Herencia

Todas las clulas poseen un sistemagentico en lamol-cula de DNA, el cual forma los genes o unidades dema-

terial hereditario. Los monmeros de nucletidos deDNA codifican la informacin que determina las carac-tersticas individuales de los organismos. El cdigo ge-ntico es universal en todas las clulas, lo que tambinconfirma la evolucin a partir de una clula ancestral.Los genes transmiten la informacin de generacin engeneracin, y tambin regulan el desarrollo y funciona-miento celular. El DNA transcribe su informacin alRNA. El RNA mensajero traduce ese mensaje para quese forme una determinada protena.

Adaptacin

La capacidad que tienen las clulas para adaptarse a suambiente es la caracterstica que les permite sobreviviren un mundo en constante cambio. Estas adaptacionesson rasgos que incrementan la capacidad de sobreviviren ambientes hostiles. Tales adaptaciones pueden serestructurales, bioqumicas, genticas, fisiolgicas, con-ductuales o una combinacin de ellas. La mayor partede las adaptaciones se producen en periodos muy pro-longados de tiempo, y en ellas intervienen varias gene-raciones; sta es la base fundamental de la evolucin.

Nutricin

Mediante este conjunto de funciones, las clulas obtie-nen nutrientes y energa por intercambio con el entorno.En los organismos auttrofos (fabrican su propio alimen-to) las funciones son fotosntesis, respiracin y circula-cin, mientras que en los hetertrofos (obtienen energade otro organismo) son asimilacin, ingestin, diges-tin, excrecin, respiracin y circulacin.La fotosntesis es la conversin de energa luminosa

(luz solar) en los enlaces carbono--carbono (C--C) de loscarbohidratos; mediante este proceso, la mayora de losauttrofos obtienen su energa.La quimiosntesis es la captura de energa liberada

por ciertas reacciones qumicas. Se cree que la quimio-sntesis apareci en la Tierra antes que la fotosntesis.

METABOLISMO

La palabra metabolismo deriva del vocablo griego me-tabol, que significa cambio, transformacin.Medianteeste concepto se engloba una serie de reacciones qumi-cas esenciales para la nutricin, crecimiento y repara-cin de las clulas, as como para la conversin de la


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energa en formas utilizables (transduccin) en los seresvivos. Las reacciones metablicas ocurren de maneracontinua en las clulas, y cuando se interrumpen total-mente se produce la muerte. Ciertos nutrientes se usancomo combustible en la respiracin celular, donde laenerga almacenada en la clula se utiliza para su propiouso. En lamayora de los organismos la respiracin celu-lar tambin requiere oxgeno (O2), mientras que se elimi-nan los desechos celulares, como el dixido de carbono(CO2). Las reacciones qumicas se regulan por enzimaso catalizadores qumicos.El metabolismo tiene tres fases:

Absorcin

En esta fase las sustancias qumicas y la energa del me-dio ambiente (nutrientes) penetran en el protoplasma.La energa puede ingresar a la clula bajo la forma deenerga radiante, como luz, electricidad, calor, etc. Laabsorcin consiste en la penetracin demolculas a tra-vs de la membrana plasmtica. Esto implica que lasmolculas slidas, lquidas o gaseosas que se absorbendeben estar disueltas.

Transformacin

En esta fase se incluyen todos los actos por los que elprotoplasma transforma las molculas y la energa ab-sorbidas; se divide en cuatro etapas:

1. Digestin. Consiste en hacer solubles los nu-trientes absorbidos para hacerlos reaccionar qu-micamente y transformarlos en molculas tilespara la clula.

2. Asimilacin. Consiste en incorporar al proto-plasma los nutrientes absorbidos, incorporndo-los como componentes propios.

3. Desasimilacin. En este proceso, el protoplas-ma desintegra parte de sus componentes o de susreservas para generar los compuestos y energaque intervienen en la asimilacin.

4. Secrecin. En esta fase el protoplasma producecompuestos que intervienen en las transforma-ciones.

Excrecin

Es la fase de eliminacin de las molculas que no se in-corporaron a las clulas; tambin se pueden dispersar

como energa. La absorcin, transformacin y excre-cin pueden producir en los organismos un crecimientode la materia y energa (anabolismo) o pueden producirprdida de stas (catabolismo). En el anabolismo, lasreacciones qumicas permiten transformar sustanciassencillas en otras complejas, lo que se traduce en almace-namiento de energa, produccin de nuevos materialescelulares y crecimiento. Sin embargo, el desdoblamien-to de sustancias complejas con liberacin de energa sedesarrolla en el catabolismo. La fermentacin y respira-cin son procesos catablicos.

1. Fermentacin. Es un proceso de generacin deenerga en ausencia de O2. Los productos finalesdel proceso son molculas orgnicas pequeas,como el etanol, lo que se aprovecha en la indus-tria para producir bebidas alcohlicas.

2. Respiracin. Es un proceso que requiere de O2para producir cantidades elevadas de energa me-diante una oxidacin completa, liberando CO2 yH2O. La respiracin celular es un proceso cata-blico que se caracteriza por una serie de reaccio-nes qumicas de oxidorreduccin, por medio delas cuales la clula degrada molculas de nu-trientes y produce energa biolgicamente til enla molcula adenosn trifosfato, o ATP, que la al-macena y transporta.

Metabolismo basal

La actividad de mantenimiento de energa incluye pro-cesos como la sntesis de protenas (es la actividad quems energa consume, de 30 a 40% de las necesidades),el transporte activo y la neurotransmisin (40%); la ac-tividad cardiaca y la respiracin consumen 10% de laenerga generada. El cerebro consume 20% de la ener-ga basal, al igual que lamasamuscular, aunque en pesorepresentan 2 y 40%, respectivamente. En general, serequiere de 1 kilocalora (Kcal) por kilogramo de pesocorporal por hora. Las actividades ligeras, como cami-nar, trabajo de oficina o domstico habitual, consumenentre 2.5 y 5 Kcal/minuto; las actividades moderadas,como viajar en bicicleta, cavar, etc., consumen entre 5y 7.5 Kcal/minuto; las actividades pesadas, como losdeportes intensos o trabajos fuertes, como la minera,consumen entre 7.5 y 10Kcal/minuto, y actividadesmuypesadas, como carreras de velocidad, consumenms de10 Kcal/minuto. Los nutrientes, como protenas, carbo-hidratos y grasas, actan como combustible productorde energa. El organismo obtiene las grasas de maneraexgena mediante la alimentacin y endgena por elmetabolismo.


HOMEOSTASIS

Es la tendencia de los organismos a mantener un mediointerno constante; los mecanismos que realizan estafuncin se llamanmecanismos homeostticos (del grie-go homos,mismo o similar, y stasis, estar, fijar), y son lacapacidad de mantener relativamente constante el me-dio interno. Los procesos metablicos deben ser cons-tantemente regulados para mantener un estado de equi-librio. Cuando ya se sintetiz una cantidad suficiente deun componente celular, es necesario reducir o detener suproduccin. Cuando disminuye la energa disponible enuna clula es necesario activar el metabolismo para po-ner a disposicin de la clula nueva energa. Estos me-canismos autorregulados de control son muy sensiblesy eficientes. La regulacin de la temperatura corporal(homeotermia) evita que sta se salga de sus valoresnormales (de 36.5 a 37.2 _C en el ser humano). Cuandola temperatura se eleva, el hipotlamo enva seales ner-viosas hacia las glndulas sudorparas e incrementa lasecrecin de sudor, que al evaporarse humedece y enfrala piel, reduciendo la temperatura corporal. Adems, elaumento del flujo sanguneo en la piel origina que el ca-lor se disipe por radiacin.Cuando la temperatura del cuerpo desciende por de-

bajo de su nivel normal, los vasos sanguneos de la pielse contraen, reduciendo la prdida de calor a travs desu superficie. Si la temperatura corporal desciende anms, el cerebro enva impulsos nerviosos hasta los mscu-los, estimulando contracciones musculares rpidas, de-nominadas escalofros, un proceso que genera calor.

BASES QUMICAS DE LA VIDA

Los seres vivos estn compuestos por tomos ymolcu-las. Los elementos bsicos estn organizados de unama-nera muy especfica para mantener el flujo de energanecesario para la vida. A pesar de la gran biodiversidad,la composicin qumica y los procesos metablicos delas clulas son similares. Adems, los mismos princi-pios fsicos y qumicos que rigen a los sistemas vivos seaplican a los sistemas abiticos. La qumica de los seresvivos se analiza en la bioqumica, ciencia que estudialos compuestos derivados del carbono, y se caracterizapor reacciones en solucin acuosa con un intervalo detemperatura pequeo. Las principales macromolculasorgnicas son las protenas, formadas por cadenas linea-

les de aminocidos; los cidos nucleicos DNA y RNA,formados por bases nucleotdicas, y los polisacridos,formados por subunidades de azcares. Las propieda-des de las clulas se determinan por las molculas quelas componen; las clulas contienen tantomolculas or-gnicas como inorgnicas.

Enlaces qumicos

Un enlace qumico es la fuerza que mantiene unidos alos tomos de las molculas; los enlaces qumicos se di-viden en:

Uniones electrostticas o inicas

Se dan cuando un ion es atrado por otro ion con cargaopuesta. Un ion se forma cuando un tomo libera elec-trones (catin) o capta electrones (anin), y la cargaopuesta de los dos iones produce una atraccin y un en-lace. Las uniones electrostticas son fuertes y necesitan320 kilojoules (kJ) por mol para ser separados, aunqueen presencia de agua slo se requiere de 8 kJ/mol pararomperlos (figura 1--3).

Enlaces covalentes

En este tipo de enlace los tomos comparten los electro-nes para completar la rbita electrnica, y cuando stase completa la molcula se estabiliza. Se requiere de200 a 450 kJ/mol para romper estos enlaces. Si se com-parte un par de electrones es un enlace simple, pero sise comparten dos pares es un enlace doble. El carbonopuede formar cuatro enlaces covalentes, como se obser-va en la figura 1--4 en la molcula del metano.Se produce polaridad cuando los electrones de un en-

lace covalente no se comparten de modo equivalente.Esto hace que un tomo adquiere una carga ligera positi-va y el otro una negativa. Lasmolculas con cargas rela-tivas se denominan polares, mientras que las que no tie-nen cargas relativas son no polares. Los enlaces polaresy los no polares le dan caractersticas especiales a lasmolculas.

Enlaces o puentes de hidrgeno

Se producen cuando los tomos deHcon positividad re-lativa son atrados por tomos con relatividad negativa;estos enlaces no comparten los electrones y tampoco losintercambian. Estos enlaces sonmuy dbiles y, por con-secuencia, se pueden separar con facilidad, slo se re-quieren de 8 a 20 kJ/mol para seraparlos (figura 1--5).


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tomo desodio

tomo decloro

Catin desodio

Anin decloro

Na Cl Na Cl

Figura 1--3. Esquema de la formacin de un enlace inico en el cloruro de sodio (sal de mesa). Un catin de sodio es atrado porun anin de cloro. La carga opuesta de los dos iones produce una atraccin y un fuerte enlace que requiere de 320 kilojoules (kJ)por mol para ser separado, en ausencia de agua.

+ Na+ + Cl--Na Cl

Fuerzas de van der Waals

Pueden ser de atraccin o repulsin, y se presentan por-que se crean desequilibrios cuando se comparten loselectrones en un enlace covalente. Estas fuerzas acercanal mximo a las molculas, pero manteniendo la distan-cia necesaria entre los tomos, es decir, lasmolculas seubican en un punto de equilibrio entre atraccin y repul-sin (como la Tierra y la Luna).Esta atraccin slo requiere de 4 kJ/mol para romper-

se (figura 1--6).

Bioelementos

Casi 98% de la masa total de los seres vivos est forma-da por slo seis elementos: hidrgeno (H), nitrgeno(N), oxgeno (O), carbono (C), calcio (Ca) y fsforo (P).Algunos investigadores han establecido al C, H, O, Ncomo los bioelementos primarios o principales, ya queslo estos cuatro elementos constituyen 95%de lamasatotal de los reinos de la vida. Quiz la explicacin de su

Figura 1--4. Esquema de la formacin de enlaces covalen-tes simples en el metano entre el carbono y los hidrgenosdonde comparten slo un par de electrones.

H

C

H

HH

Frmulaestructural

Frmulamolecular

Modeloelectrnico

CH4

abundante presencia en las clulas se deba a sus propie-dades fisicoqumicas, que los hacen idneos para formaral protoplasma.Estas propiedades son las siguientes:

1. Forman entre ellos enlaces covalentes, compar-tiendo electrones.

2. El C, el O y el N pueden compartir ms de un parde electrones, formando enlaces dobles y triples,lo cual les confiere gran versatilidad para formarenlaces qumicos.

3. ElC, elH, elO y elN son los elementosms lige-ros con capacidad de formar enlaces covalentes;esto ocasiona que las uniones entre ellos seanmuy estables.

Figura 1--5. Esquema de la formacin de puentes de hidr-geno en molculas de agua. Son enlaces muy dbiles don-de los tomosdeH+ conpositividad relativa son atrados portomos de O-- con relatividad negativa; estos enlaces nocomparten los electrones y tampoco los intercambian.

Puentes dehidrgeno


tomos de carbono

Fuerzas devan der Waals

Enlacescovalentes

Figura 1--6. Esquema de las fuerzas de van der Waals quese establecen entre las biomolculas. Los electrones se dis-tribuyen de tal manera que las molculas no polares setransforman en polares de manera temporal.

4. Debido a que los enlaces del carbono adoptanuna configuracin tetradrica, las molculas or-gnicas tienen estructuras tridimensionales muyvariadas (figura 1--7).

5. La conformacin espacial de lasmolculas org-nicas es responsable de la actividad biolgica.

Otros 14 elementos ms se presentan de manera cons-tante en los seres vivos, pero en cantidadesmenores, por

Figura 1--7. Esquema de la configuracin tetradrica queadoptan los enlaces del carbono en las molculas orgni-cas, lo que les proporciona gran versatilidad en su confor-macin tridimensional.

tomosde carbono

Enlacescovalentes

lo que habitualmente se denominan oligoelementos (oli-gos, reducido) o sales. En el cuadro 1--1 se muestran loselementos que se encuentran en el cuerpo humano.

Oligoelementos o sales

Los iones de sales son importantes en el mantenimientode la presin osmtica. El K+ y el Mg++ se encuentranen el interior de la clula, y el Na+, el Ca++y el Cl-- fuerade ella. Las clulas y los lquidos extracelulares contie-nen una variedad de sales disueltas, entre las que se in-cluyenmuchos iones esenciales para el equilibrio hdricoy cido--bsico. Tambin participan en el funciona-miento neuromuscular, la coagulacin sangunea, lami-neralizacin sea, etc. Los lquidos corporales del serhumano se parecen al agua demar en el tipo de sales pre-sentes y en su abundancia relativa, aunque hay menosde 1%de sal disuelta (evidencia evolutiva de que la vidase origin en el mar). La concentracin de los iones estdeterminada por las velocidades relativas de absorciny excrecin por parte del organismo. Las concentracio-nes de los cationes y aniones respectivos permanecenconstantes en condiciones normales (homeostasis), y cual-quier cambio brusco ocasiona trastornos severos quepueden causar la muerte.

Electrlitos

Los compuestos qumicos en solucin puedenpermane-cer intactos o se pueden disociar. Las molculas que sedisocian en solucin se degradan en partculas separa-das o iones, y se conocen como electrlitos, los cualesregulan el equilibrio cido--base. Cada una de las part-culas disociadas de un electrlito contiene carga elec-troltica positiva o negativa. Las molculas que perma-necen intactas en solucin, como glucosa, creatinina yurea, no son electrlitos. Los cationes incluyen sodio(Na+), potasio (K+), calcio (Ca++) y magnesio (Mg++),mientras que los aniones son cloro (Cl--), bicarbonato(HCO3--), fosfato (HPO4--) y sulfato (SO4--).Los miliequivalentes (mEq) sealan el nmero de

cargas inicas o uniones electrovalentes en la solucinionizada de cada compartimiento corporal. Los nivelessanguneos de electrlitos miden los electrlitos delcompartimiento intravascular, pero no proporcionan unvalor real de los electrlitos intracelulares.

Istopos

Son los tomos del mismo elemento que contienen lamisma cantidad de protones pero diferente nmero deneutrones, y que difieren en la masa atmica. Los tresistopos del hidrgeno, 1H (protio), 2H (deuterio) y 3H


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Cuadro 1--1. Elementos mayores y principales oligoelementos presentes en el cuerpo humano

Bioelementos mayores del ser humano

Nombre Masa% Importancia o funcin

Oxgeno 65 Indispensable para la respiracin celular; se encuentra en la mayora de los compuestos orgnicos;junto con el hidrgeno, forma el agua

Carbono 18 Forma el esqueleto de todas las molculas orgnicas; como tiene cuatro valencias, forma cuatro enla-ces con tomos o molculas

Hidrgeno 10 Junto con el oxgeno, forma parte del agua. Presente en la mayora de los compuestos orgnicosNitrgeno 3 Se localiza en las protenas, cidos nucleicos y lpidos, entre otrosCalcio 1.5 Confiere la dureza y resistencia a los huesos y dientes; tambin interviene en la contraccin muscular,

sinapsis, sealizacin celular, etc.Fsforo 1 Forma todos los nucletidos y cidos nucleicos; tambin se localiza en la matriz mineralizada de hue-

sos y dientes; interviene en las cascadas de sealizacin celular e integra los fosfolpidos de lasmembranas

Principales oligoelementos (sales) del ser humano

Potasio 0.4 Es el principal ion positivo (catin) del interior de las clulas; interviene en la integridad neural y muscu-lar

Azufre 0.3 Se encuentra en la mayora de las protenas, donde forma enlaces o puentes disulfuroSodio 0.2 Principal catin del lquido intersticial; participa en el equilibrio hdrico del cuerpo e interviene en la ge-

neracin del potencial de membrana y de accin en la conduccin del impulso nerviosoCloro 0.1 Es el principal ion negativo (anin) del lquido intersticial; participa tambin en el equilibrio hdrico del

cuerpoMagnesio 0.1 Esencial para casi todas las reacciones enzimticas de importancia, tambin participa en el equilibrio

hdrico del cuerpoYodo Trazas Se localiza en la glndula tiroides, donde se incorpora a las hormonas tiroideasHierro Trazas Se localiza en el grupo hemo de la hemoglobina y la mioglobina, as como de ciertas enzimas; partici-

pa en el transporte de O2 y CO2

(tritio) tienen cero, uno y dos neutrones, respectivamen-te, ya que el hidrgeno protio no contiene neutrones.Todos los istopos de un elemento contienen lasmis-

mas caractersticas qumicas. Sin embargo, algunos is-topos con muchos neutrones son inestables y tienden adegradarse para formar un istopo ms estable (por logeneral se convierten en otro elemento). Estos istoposinestables se denominan radionclidos o radioistopos,porque liberan radiaciones de alta energa al desinte-grarse.Los radionclidos como el tritio y el carbono 14 (14C),

cuyo istopo normal es el carbono 12 (12C), se empleanen medicina como herramientas de diagnstico. Lasreacciones de lasmolculas orgnicas pueden ser detec-tadas en el cuerpo humano si se marcan con un radion-clido como el 14C o el tritio. El 14C se utiliza para esta-blecer la edad de los registros fsiles (del latn fossilis,algo desenterrado). Debido a que la radiacin emitidapor los radionclidos puede interferir con la divisin ce-lular, algunos istopos se utilizan en el tratamiento delcncer.Los radioistopos se desintegran a velocidades ca-

ractersticas debido a su inestabilidad; dicha velocidadde desintegracin se expresa como la vidamedia del ra-

dioistopo (tiempo necesario para que se degrade en50%).Otros radioistopos de importancia en biologa son

el azufre 35, el fsforo 32 y 33 y el yodo 125 y 131 (cua-dro 1--2).

AGUA

Su frmula qumica esH2O (figura 1--8). Las reaccionesqumicas en los seres vivos se producen en un medioacuoso. El agua acta como solvente de sustancias pola-res porque penetra en los iones, disminuyendo su atrac-cin y separndolos; as, cada molcula de agua formatres enlaces de hidrgeno. Los compuestos solubles enagua son hidroflicos, mientras que las sustancias no so-lubles son hidrfobas.Las necesidades normales de agua en el ser humano

se calculan en unos 2.5 litros por da, lamitad para com-pensar las prdidas por evaporacin y la otra mitad eseliminada en la orina. Estas necesidades se elevan si au-mentan las prdidas por el sudor.


Cuadro 1--2. Istopos de importanciaen medicina y biologa

Istopo Istopo estable y % de fre-cuencia en la naturaleza

Vida media

3H 1H (99.99%) 12.26 aos35S 32S (95%) 86.7 das125I 127I (100%) 57.4 das131I 127I (100%) 8.05 das32P 31P (100%) 14.3 das33P 31P (100%) 25 das19O 16O (99.76%) 29 s15N 14N (99.63%) 7.35 s14C 12C (98.89%) 5 760 aos

Los alimentos aportan algo ms de un litro, mientrasque el agua metablica (obtenida qumicamente por elcatabolismo de los otros componentes de los alimentos)representa 250 mL y el resto se toma directamente co-mo bebida. La mezcla entre dos lquidos miscibles sedenomina emulsin. La fuerza de atraccin entre lasmolculas de agua proporciona la capacidad de acumu-lar calor. El agua tambin interviene como reactante enreacciones enzimticas. Un aporte adecuado y continuode agua es indispensable para la vida en todos los sereshumanos.Ms de 70%del peso corporal del hombre adulto es-

t constituido por agua. Los recin nacidos tienen unaproporcin mayor de agua, que corresponde a 78%.

Figura 1--8. Esquema de la molcula de agua en modeloelectrnico. Su frmula qumica es H2O, donde el oxgenotiene carga parcialmente negativa y los hidrgenos cargaparcialmente positiva, por lo que se pueden establecerpuentes de hidrgeno entre las molculas de agua.

Lado positivoHidrgeno

Oxgeno

Lado negativo

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Compartimientos lquidos

El agua corporal se mantiene en dos compartimientosmayores, el lquido intracelular (LIC) y el lquido extra-celular (LEC). Estos compartimientos estn separadospormembranas semipermeables. El lquido intracelularrepresenta de 30 a 40% del peso corporal. El comparti-miento extracelular incluye el lquido intravascular oplasmtico, el lquido intersticial y el lquido transcelu-lar. El lquido intravascular o plasmtico representa 5%del peso corporal total del ser humano. Si se producedeshidratacin o hemorragia, el volumen plasmtico sereduce y se presenta el estado de choque, pero si se pro-duce sobrehidratacin se produce edema en el tejidosubcutneo o pulmonar. El lquido intersticial est entrelos espacios vasculares y las clulas; a diferencia delplasma, contiene muy pocas protenas. Cerca de 25%del peso corporal del neonato es lquido intersticial, alos dos aos de edad alcanza en el nio el nivel del adul-to de 15% del peso corporal. El lquido transcelular in-cluye al lquido cefalorraqudeo (LCR), intraocular,pleural, peritoneal y sinovial, mientras que el lquidodel tracto gastrointestinal, aunque transcelular, tambinse puede considerar extracorpreo. Las colecciones delquido patolgicas de trasudado transcelular se deno-minan de acuerdo al sitio, como el derrame pleural dela cavidad pleural, el derrame pericrdico o hidroperi-cardio del saco pericrdico y el lquido de ascitis en lacavidad peritoneal.

Regulacin del agua corporal

El equilibrio hdrico en el cuerpo est controlado a tra-vs de la regulacin del ingreso y excrecin corporal.Por lo general el ingreso de agua es promovido por unasensacin de sed. La sed se regula en el hipotlamo, yes una defensa contra la deplecin de lquido y la hiper-tonicidad (aumento en la concentracin de sales). La ex-crecin del agua corporal se regula por la variacin delritmo del flujo urinario. Una disminucin de la osmola-ridad plasmtica (normalmente de 285 a 295 mOsm/kgH2O plasmtica) indica un exceso de agua y produce unvolumen aumentado de orina, con una osmolaridadme-nor a la plasmtica para restablecer la osmolaridad plas-mtica normal. Cuando la osmolaridad plasmtica seincrementa, el volumen urinario cae y su osmolaridadse eleva por encima de la del plasma. Esta regulacin serealiza a travs del eje neurohipofisorrenal. Adems, elflujo urinario tambin se regula a travs de la filtracinglomerular, el epitelio tubular renal y las concentracio-nes plasmticas de esteroides suprarrenales. La prdida


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de agua corporal por medio de la evaporacin en la pielest regulada por la frecuencia respiratoria, temperaturacorporal ambiental y presin parcial de vapor de aguaen el medio ambiente.

EQUILIBRIO CIDO--BASE

Este equilibrio depende de la concentracin de iones hi-drgeno (H+). Si la concentracin de iones hidrgenoest elevada la solucin se vuelvems cida, pero si dis-minuye entonces se vuelvems alcalina. La cantidad dehidrgeno ionizado en solucin se determina por el con-cepto de pH definido en 1909 por el dans Lauritz S-rensen. El pH es el logaritmo negativo de la concentra-cin de iones H+. Un pHmenor de 7 se considera cido,y superior de 7 se considera alcalino. Un pH de 7 corres-ponde a neutralidad. Una solucin con un pH de 7 es neu-tra, ya que a esa concentracin el nmerode iones hidr-geno est equilibrado por el nmero de iones hidroxilopresentes (figura 1--9).El lquido extracelular es levemente alcalino, con un

pH de 7.35 a 7.45. Si el pH se incrementa se produce unestado de alcalosis, pero si cae por debajo de lo normal,entonces se presenta un estado de acidosis. Cuando elpH del lquido corporal se eleva por encima de 7.7 o caepor debajo de 7 se pone en peligro la vida.La regulacin de la concentracin del pH sanguneo

depende de tres mecanismos:

Figura 1--9. Esquema de la escala del pH.

Concentracin

decationesH

Jugo

gstrico(HCl)

Jugo

delim

n

Vinagre

Jugo

detomate

Saliva

Agua

Sangre

Orina,clarade

huevo

Bicarbonato

Amoniaco

Hidrxido

desodio

Concentracin

deanionesOH

Alta

Baja

Alta

Baja

pH neutro

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Muycido

cido pHneutro

Alcalino Muyalcalino

[H+] = [OH--]

(sosacustica)

+

--

Caf

Detergente

1. Regulacin respiratoria.2. Sistemas amortiguadores (buffer).3. Regulacin renal del pH.

Regulacin respiratoria

Si la profundidad y frecuencia respiratoria aumentan sepierdems CO2, disminuyendo la concentracin de ci-do carbnico en la sangre; pero si la profundidad y fre-cuencia respiratoria disminuyen (respiracin superfi-cial) se extrae menos CO2 y la concentracin de cidocarbnico en la sangre aumenta, lo que conduce a uncambio en la relacin de cido carbnico con bicarbo-nato de sodio. Aunque los pulmones pueden modificarel pH cambiando la presin de dixido de carbono(PCO2), no existe ningn cambio en la cantidad de ioneshidrgeno. Los pulmones no pueden regenerar bicarbo-nato para reemplazar lo que se ha perdido cuando los io-nes hidrgeno fueron amortiguados. La formacin denuevo bicarbonato y su excrecin se lleva a cabo en losriones.

Los sistemas buffer

Las solucionesbuffer absorben el exceso de ioneshidr-geno o los liberan, segn los requerimientos. En el orga-nismo existen tres sistemas buffer, de los cuales el siste-ma del bicarbonato es el ms importante, porque regulalas concentraciones relativas de cido carbnico(H2CO3) y bicarbonato de sodio. Cuando los cidos fuer-tes ingresan a la sangre, inmediatamente son amortigua-dos por la reaccin con la sal de bicarbonato de sodio,y los cationes hidrgeno se eliminan para formar mol-culas de cido carbnico y una sal de sodioms el cidoamortiguado. El bicarbonato se encuentra en el lquidoextracelular en una relacin de una parte de cido carb-nico por 20 partes de bicarbonato base.La concentracin total de CO2 del suero generalmen-

te proporciona una estimacin del nivel de bicarbonato.El valor normal durante el primer ao de vida est entre20 y 23 milimoles por litro (mmol/L), pero despus delprimer ao de vida se establece entre 25 y 28 mmol/L.

Regulacin renal del pH

El H2CO3 se forma en las clulas tubulares renales alcombinarse el CO2 con agua en el ciclo de Krebs bajola influencia de la anhidrasa carbnica. Entonces un ionhidrgeno del cido carbnico ingresa al filtrado y se in-tercambia por un ion de sodio. Despus, el catin hidr-geno reemplaza al sodio en la molcula de fosfato y seexcreta por la orina. El H2CO3 en el filtrado no se pierde


totalmente en la orina, ya que se disocia en CO2 y agua.Entonces el CO2 difunde hacia atrs a la clula tubulary regresa a los capilares como bicarbonato de sodio oion bicarbonato (HCO3--).Otro mecanismo utilizado por la clula tubular para

regular el pHes la secrecin de amoniaco (NH3). Laglu-tamina se metaboliza generando NH3. Cuando ste in-gresa al filtrado, un ion de sodio ingresa a la clula tubu-lar y luego a los capilares. Los iones hidrgeno y elamoniaco se secretan en intercambio por sodio en el fil-trado, lo que produce el regreso del bicarbonato de so-dio a la circulacin.

TRASTORNOS DELEQUILIBRIO CIDO--BASE

Se deben a anomalas metablicas o respiratorias, e in-cluyen los siguientes:

Acidosis respiratoria

Esta alteracin se presenta cuando existe excrecin ina-decuada de CO2 por los pulmones, aun cuando existauna produccin normal de este gas. El nivel de PCO2 au-menta hasta que los pulmones excretan CO2, de modoque la produccin y excrecin se equilibran.La hipercapnia resultante (exceso de CO2 en la san-

gre) produce entonces acidosis sistmica. La PCO2 ele-vada es amortiguada por los buffer no bicarbonato, co-mo las protenas en el lquido extracelular, y fosfato,hemoglobina, otras protenas y lactato dentro de las c-lulas.El incremento de la PCO2 estimula al rin a excretar

cationes hidrgeno, reabsorber y producir ms bicarbo-nato, incrementando los niveles plasmticos de estamo-lcula por encima de lo normal, regresando el pH a lanormalidad.La hipercapnia de la acidosis respiratoria puede pro-

vocar hipertensin intracraneal, cefaleas, vasodilata-cin y aumento del flujo sanguneo cerebral.

Acidosis metablica

La produccin aumentada o la excrecin inadecuada deiones hidrgeno y la prdida excesiva de bicarbonato,ya sea por la orina o en la materia fecal, provocan esta

alteracin. El pH srico disminuye a menos de 7.35, loque estimula al centro respiratorio, incrementando lafrecuencia respiratoria con aumento de la excrecin deCO2, con lo que los niveles plasmticos de cido carb-nico caen, corrigiendo la acidosis.La acidosis tambin incrementa la produccin de

amoniaco y la excrecin del catin hidrgeno en la ori-na, formndose de nuevo bicarbonato, ayudando a re-gresar el nivel plasmtico de estamolcula a la normali-dad, si el factor causal ha sido tratado. A medida que seforma ms bicarbonato, la frecuencia respiratoria dis-minuye y la PCO2 se normaliza.

Alcalosis respiratoria

Se produce cuando existen prdidas pulmonares excesi-vas de CO2 en presencia de produccin normal de estegas, produciendo una disminucin en la PCO2 y una ele-vacin del pH. Entonces los cationes hidrgeno son li-berados de los buffer corporales para disminuir el bicar-bonato plasmtico. La excrecin de bicarbonato por elrin aumenta lentamente y reduce los niveles de bicar-bonato plasmticos para compensar la prdida excesivade CO2. Luego el pH regresa a la normalidad.

Alcalosis metablica

Esta alteracin se presenta cuando hay una concentra-cin plasmtica elevada de bicarbonato por encima de25mEq/Len los nios ymayor de27mEq/Len los adul-tos, o la reduccin en la concentracin del catin hidr-geno eleva el pH plasmtico por encima de 7.45.La alcalosis metablica se puede presentar debido a

una prdida excesiva del catin hidrgeno en los vmi-tos persistentes o aspiracin gstrica prolongada, dondese pierde cido clorhdrico (HCl). Tambin se puedepresentar si se administran cantidades excesivas de bi-carbonato o si se incrementa la reabsorcin de ste porlos tbulos renales. La frecuencia respiratoria disminu-ye y aparece bicarbonato en la orina (con un pH mayorde 8.5 a 9, sobre todo si se asocia con deficiencia de po-tasio).

Trastornos mixtos

En ciertas situaciones se pueden presentar trastornosmixtos del equilibrio cido--base cuando ms de unacausa primaria es responsable de la alteracin, como enel caso de la insuficiencia cardiaca congestiva y el sn-drome de dificultad respiratoria.


undelito.

E

MOLCULAS ORGNICAS

La bioqumica celular est basada en los compuestosderivados del carbono (C), elemento que forma cerca demediomilln de compuestos orgnicos. Lamayor partede los compuestos qumicos de los seres vivos contie-nen esqueletos de carbono con enlaces covalentes. Estasmolculas se denominan compuestos orgnicos. Lama-yora de los compuestos orgnicos forman la estructurade los seres vivos o se usan en su metabolismo, ya quetodos ellos contienen una reserva de energa potencial,la cual ponen a disposicin en sus reacciones exotrmi-cas o exergnicas (se libera energa).Los compuestos del carbono fabricados por las clu-

las se dividen en cuatro grupos: carbohidratos, lpidos,protenas y cidos nucleicos, de los cuales los tres pri-meros sirven como fuentes de energa para los organis-mos. El rompimiento de las molculas orgnicas com-plejas libera energa. El ciclo de sntesis y degradacinde las biomolculas, con la liberacin o almacenamientode energa, depende de la fuente externa para obtencinde energa (alimentos) y para el reemplazo de las mol-culas que se han desintegrado totalmente durante el me-tabolismo.Los compuestos orgnicos son el principal compo-

nente estructural de clulas y tejidos. Participan en lasreacciones metablicas y proveen energa para los pro-cesos de la vida.Un tomode carbono tiene un total de seis electrones,

dos de ellos en el primer nivel de energa y cuatro en elsegundo. Con cuatro electrones en su nivel externo deenerga (valencia), cada tomo de carbono puede formarcuatro enlaces covalentes con otros tomos, incluyendootros tomos de carbono. Estos tomos forman enlacescovalentes simplesmuy estables unos conotros. Sepue-den formar grandes cadenas de carbono de la siguientemanera: --C--C--C--C--C.Dos tomos de carbono pueden compartir, uno con

otro, dos pares de electrones para formar enlaces dobles(--C=C--). En algunos compuestos se pueden formar tri-ples enlaces (--C=C--). Las cadenas de carbono puedenser ramificadas o no ramificadas. Los tomos de carbo-no tambin pueden formar anillos cerrados (ciclos) oaromticos.El tomode carbonopuede unirse conms elementos

distintos que cualquier otro tomo. El hidrgeno, el ox-geno y el nitrgeno son de los tomos que con mayorfrecuencia se unen a l. Los compuestos orgnicos cons-tituidos solamente por carbono e hidrgeno se denomi-nan hidrocarburos.

Grupos funcionales

Son grupos de tomos que pueden establecer distintostipos de uniones con otras molculas, tales como enla-ces covalentes (steres, teres, amidas, etc.) inicos,puentes de hidrgeno, interacciones de van derWaals ohidrofbicas con otras molculas. Cada tipo de com-puesto orgnico se caracteriza por la presencia de unoomsgrupos funcionales especficos. Los alcoholes tie-nen grupos funcionales llamados radicales hidroxilo(OH--), mientras que el grupo funcional carbonilo resul-ta de una doble unin entre el carbono y el oxgeno(C=O); si el carbonilo est ubicado en un carbono pri-mario (extremo de la cadena carbonada) el grupo fun-cional es un aldehdo, pero si est unido a un carbono se-cundario (en mitad de una cadena carbonada) el grupofuncional es una cetona (figura 1--10).El nitrgeno tambin puede unirse a un hidrgeno

para formar un grupo amino; la reaccin entre un grupocarboxilo y un grupo amino con prdida de unamolcu-la de aguaorigina una amida.En el grupo carboxilo (ci-do) el carbono est unido simultneamente a un oxgenopor una doble unin y a un hidroxilo. La reaccin entreun grupo carboxilo (cido) y un grupo hidroxilo (alco-hlico) con prdida de agua forma un enlace ster. Ade-ms, los grupos funcionales con carga positiva o negati-va de las molculas biolgicas son solubles en agua, yaque se asocian con fuerza a lasmolculas polares de sta.Los compuestos que contienen grupos funcionales po-lares sin carga tienden a ser solubles en agua debido aque los grupos polares atraen a las molculas de agua,con las que forman puentes de hidrgeno.Los grupos funcionales que son polares interactan,

adems, con otros iones con carga elctrica o con otrosgrupos polares. Si se conocen los grupos funcionales enun compuesto orgnico se puede predecir su comporta-miento qumico.La mayora de los compuestos celulares contienen

uno o ms grupos funcionales, como los aminocidos,

Figura 1--10. Grupos carbonilos, cetonas y aldehdos.

O

C Acetona

Cetona

O

CH

Aldehdo

Propionaldehdo

CH3 CH3

CH3 CH2

Carbonilos


que tienen por lomenos dos grupos funcionales: un gru-po amino y uno carboxilo.Los enlaces entre carbono e hidrgeno son no pola-

res, y forman un grupo funcional constituido slo porenlaces carbono--hidrgeno, como el grupo etilo (--CH2--CH2--) ometilo (--CH3). Los enlaces oxgeno--hidrge-no y nitrgeno--hidrgeno son polares; tienen una cargaelctrica parcial positiva en el polo de lamolcula de hi-drgeno y una carga elctrica negativa parcial corres-pondiente al oxgeno o al nitrgeno. Por esta razn, losradicales amino (--NH2) e hidroxilo (--OH) son polares.Los enlaces dobles formados entre el carbono y el ox-geno (C=O) tambin son polares; hay una carga positivaparcial correspondiente al carbono y una negativa co-rrespondiente al oxgeno; por eso, los radicales carboxi-lo y aldehdo son polares.

Biopolmeros o biomolculas

Las molculas de importancia biolgica, como las pro-tenas, los polisacridos, los lpidos y los cidos nuclei-

cos, son muy grandes, y estn constituidas por cientoso miles de tomos. Estas grandes molculas se denomi-nan polmeros biolgicos (biopolmeros) o macromol-culas. Las clulas forman polmeros al unir pequeoscompuestos orgnicos, llamados monmeros, los cualespueden agruparse para formar una variedad casi infinitademolculasms grandes. Losmiles de compuestos or-gnicos presentes en las clulas se construyen a partir deunos 40 monmeros simples y pequeos. Estos peque-os compuestos se combinan en cadenas de subunida-des similares (figura 1--11).El proceso de sntesis mediante el cual los monme-

ros se unen por enlaces covalentes para formar polme-ros se denomina condensacin.Durante la combinacinde losmonmeros se pierde el equivalente de unamol-cula de agua, por lo que a veces se utiliza el trmino dedeshidratacin para referirse a este proceso. Cabe men-cionar que el proceso de sntesis requiere energa y esregulado por diversas enzimas. Los polmeros puedendegradarse en sus monmeros mediante hidrlisis (hi-dros, agua, y lisis, ruptura: romper con agua), procesocatalizado tambin por enzimas hidrolasas. Los enlaces

Figura 1--11. Biopolmeros. A. Los polmeros de monosacridos constituyen polisacridos, como el glucgeno, el almidn o lacelulosa. B. Los monmeros de los 20 tipos comunes de aminocidos se unen en incontables combinaciones (R) y forman lospolmeros llamados protenas. C. Los cidos nucleicos son polmeros de nucletidos, que a diferencia de los anteriores monme-ros se formande la unin de tresmolculas diferentes: una base nitrogenada (B), unmonosacrido y unamolcula de cido fosfrico.

HO

O

OH

OH

OH

Azcar

Polmeros

Polisacrido

MonmerosCH2OH

O

CH C OH

R

Aminocido

H2N

R6R5R4R3R2R1

Polipptido

OO

P

O

O O

OHNucletido

CH2B5B4B3B2B1

cido nucleico

A

B

C

--

-- Base (B)


undelito.

E

entremonmeros se rompenpor adicin de unamolcu-la de agua. Un hidrgeno de la molcula de agua se unea un monmero y el radical hidroxilo restante se une almonmero vecino.Los cuatro grupos principales de biomolculas en los

seres vivos son: protenas, polisacridos, lpidos y ci-dos nucleicos. Cada uno de estos grupos cumple una de-terminada funcin en el interior de las clulas.

1. Las protenas son los biopolmeros ms abun-dantes dentro de las clulas, y representan 50% oms de su peso seco. Sus funciones son muy ver-stiles y pueden ser estructurales, catalticas, etc.

2. Los lpidos tienen dos funciones principales: al-macenan energa y forman las membranas celu-lares.

3. Los polisacridos, adems de almacenar energa,realizan funciones estructurales extracelulares yde reconocimiento molecular.

4. Los cidos nucleicos almacenan y heredan la in-formacin gentica.

Ismeros

Son los compuestos que tienen la misma frmula mole-cular, pero diferente estructura, as como propiedadesfsicas y qumicas. Las clulas distinguen entre dos is-meros, de los cuales generalmente uno es biolgicamen-te activo y el otro no. Se conocen tres tipos de ismeros:estructurales, enantimeros y geomtricos, de los cua-les los dos ltimos son de importancia biolgica.

Ismeros pticos o enantimeros

Estas molculas corresponden a una imagen en espejode otra molcula. Debido a que los cuatro grupos liga-dos a un tomo simple de carbono se ubican en los vrti-ces del tetraedro, si los cuatro grupos son diferentes en-tre s, el carbono central se denomina asimtrico o quiral(del griego keirs,mano). As pues, los cuatro grupos seubican alrededor del carbono central de las dos formasdistintas, que constituyen imgenes en espejo la una dela otra. Estas dosmolculas son enantimeros si no se so-breponen una con otra, sin importar cunto se roten en elespacio. Estos ismeros pticos se denominan levgiros(L) o dextrgiros (D), segn la configuracin absoluta delos grupos ligados al tetraedro del tomo de carbono. Elgliceraldehdo (compuesto de tres carbonos) sirve de ba-se para la denominacin de todos los enantimeros. Elismero D de cada compuesto es aqul cuyo ltimo car-

bono asimtrico tiene lamisma orientacin que el D--gli-ceraldehdo, mientras que las molculas relacionadascon el L--gliceraldehdo se denominan L--ismeros.Cuando se sintetizan compuestos orgnicos en labo-

ratorios se produce una mezcla que contiene cantidadesiguales de ismeros L y D (racmicos). En las clulasslo se produce uno de los dos enantimeros de un com-puesto. Por ejemplo, la mayor parte de los azcares sonismeros D. Aunque tienen propiedades qumicas simi-lares y propiedades fsicas idnticas (excepto en cuantoa la direccin en la cual rotan la luz polarizada en un pla-no), las clulas distinguen entre dos ismeros, y slouno de ellos es biolgicamente activo.

Ismeros geomtricos

Son compuestos idnticos con respecto a sus enlaces co-valentes, pero difieren en el orden en el cual los gruposse distribuyen en el espacio. Los ismeros geomtricos,tambin se denominan cis--trans, y se localizan en cier-tos compuestos con enlaces dobles de carbono a carbo-no. El trmino cis se aplica cuando los compuestos msgrandes se localizan en unmismo lado del doble enlace,pero si estn en lados opuestos del doble enlace el com-puesto se llama ismero trans. Debido a que los enlacesdobles no son flexibles como los simples, los tomos li-gados a carbonos en un enlace doble no rotan con liber-tad alrededor del eje de enlace.

Protenas

Protena (protos) significa lo primero, lo inicial. Proteo,dios marino de la mitologa griega, cambiaba de formaa voluntad. Son macromolculas indispensables en laqumica de la vida, tanto en la estructura como en la fun-cin; adems, contribuyen a la fuerza de traccin.Algu-nas son enzimas, anticuerpos u hormonas. En todas seencuentra un gran porcentaje de nitrgeno, as como deoxgeno, hidrgeno y carbono. En la mayor parte deellas existe tambin azufre, y en algunas fsforo y hie-rro. Las protenas se forman por la unin de molculasms simples llamadas aminocidos, que los vegetalessintetizan a partir de nitratos y sales amoniacales delsuelo, mientras que los animales reciben sus aminoci-dos esenciales de las plantas o de otros animales. Lasprotenas de origen animal son demayor valor nutritivoque las vegetales porque aportan los nueve aminocidosesenciales para la vida en mayor cantidad. La degr

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Biologia Celular y Molecula