Unidad 1. Vida

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Biología celular Vida

Programa de la asignatura:

Biología celular

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Vida

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Índice Presentación de la unidad…………………………………………………………………………3 Propósitos…………………………………………………………………………………………...3 Competencia específica………………………………………………………………………….. 4 1.1. Definiciones e interpretaciones bioquímicas y termodinámicas…………………………4 1.1.1. Entropía y su relación con la vida…………………………………………………………5 1.1.2. Organización………………………………………………………………………………...8 1.1.3. Homeostasis………………………………………………………………………………..11 1.1.4. Reproducción…………………………………………………………………………….…11 1.1.5. Crecimiento…………………………………………………………………………………16 1.1.6. Evolución……………………………………………………………………………………17 1.1.7. Movimiento……………………………………………………………………………….…17 1.2. Célula………………………………………………………………………………………….18 1.2.1. Teoría celular………………………………………………………………………………18 1.2.2. Características estructurales…………………………………………………………….20 1.2.3. Características funcionales…………………………………………………………..….29 1.2.4. Virus……………………………………………………………………………………..…32 1.3. Metabolismo celular…………………………………………………………………………36 1.3.1. Evolución y metabolismo…………………………………………………………………36 1.3.2. Principales enzimas……………………………………………………………………….39 1.3.3. Definición de ruta metabólica…………………………………………………………….40 Actividades………………………………………………………………………………………...41 Autorreflexiones…………………………………………………………………………………...41 Fuentes de consulta………………………………………………………………………………42

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Presentación de la unidad La vida puede entenderse como “las cualidades que distinguen a un ser vivo de un cuerpo muerto”, resulta muy difícil definir concretamente dichas cualidades porque los seres vivos somos muy diversos, todos podemos dar por sentado que entendemos de manera intuitiva el significado de estar vivo pero no podemos definir concretamente lo que significa “vida”. Una forma práctica de definir la vida es estudiando las interacciones entre un ser vivo con su medio, el flujo entre lo que dicho organismo toma de su medio y lo que le regresa; el cual es un flujo energético y puede entenderse como termodinámica. Un ser vivo posee una estructura organizada y compleja, que mantiene ordenada por medio de la homeostasis, crece, se reproduce heredando sus características almacenadas en el ADN y muere. En este sentido la mínima expresión de vida que presenta estas características es la célula como unidad básica de vida. En esta unidad estudiaremos el flujo termodinámico entre la célula y su medio.

Propósitos

Al término de la unidad, comprenderás la necesidad de incorporar los conocimientos generales de la biología celular, la importancia de la estructura y su relación con el metabolismo celular, lo cual posteriormente te permitirá desarrollar habilidades para la investigación, resolución de problemas y toma de decisiones.

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Competencia específica

Analizar el concepto de vida para relacionar sus distintas definiciones bioquímicas y termodinámicas con los distintos procesos biotecnológicos mediante la identificación de las características que definen a un ser vivo.

1.1. Definiciones e interpretaciones bioquímicas y termodinámicas La vida es un concepto abstracto y difícil de definir, a nivel biológico la vida se manifiesta a través de la energía, la vida fluye gracias a que la energía está presente y se mueve a través de los sistemas biológicos. Para entender la vida en términos de energía y explicar sus procesos es necesario recurrir a la termodinámica, esta ciencia nos permite entender el flujo de la energía y las transformaciones que sufre en un sistema cerrado, como nuestro planeta y en un sistema abierto, como lo es la célula o un organismo multicelular.

Las leyes de la termodinámica expresan que la energía solo puede transformarse y que estas transformaciones promueven el caos, el cambio, la aleatoriedad dentro de un sistema. La célula a simple vista parece ir en contra de las leyes de la termodinámica al permanecer siempre constante en sus procesos, invirtiendo mucha energía para mantener el equilibrio u homeostasis en su sistema.

El abordaje de las leyes de la termodinámica desde el punto de vista de la biología celular te permitirá comprender el flujo y las transformaciones de la energía dentro del ambiente celular así como identificar y analizar el papel que juega la energía en el desarrollo de las funciones celulares, como son el crecimiento, organización, metabolismo y reproducción.

Así mismo descubrirás que estos procesos han estado presentes desde la aparición de la célula y que han permitido la adaptación y evolución de la vida hasta el día de hoy. En esta unidad te brindaremos las bases que te permitan comprender el metabolismo celular

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e identificar sus posibles aplicaciones en procesos biotecnológicos como puede ser el uso de los procesos bioquímicos de microorganismos como herramienta en la obtención de productos en industrias como la alimenticia, farmacéutica y salud pública.

1.1.1. Entropía y su relación con la vida Si observamos a nuestro alrededor nos percataremos de que todo se mueve; el universo, nuestro sistema solar, el planeta tierra, el aire, el mar, los seres vivos con quienes coexistimos, nosotros, nuestras células, moléculas y átomos, todo está en movimiento constante, este movimiento se debe a la energía. La energía se puede definir como la capacidad de realizar un trabajo, y está presente de dos formas principales: energía potencial y energía cinética, la primera es la que tiene todo cuerpo justo antes de realizar un trabajo (puede entenderse como cuerpo a una molécula u organismo) y la segunda, es la que se tiene cuando el cuerpo se encuentra en movimiento.

Imagina que tienes en tus manos una resortera y quieres lanzar una piedra con ella, para poder hacerlo necesitas estirar la liga de la resortera cargándola de energía, que se almacena en la liga antes de que la sueltes. En cuanto tu mano libera la liga, ésta transfiere toda la energía potencial a la piedra, la energía potencial que estaba presente al principio se convierte en energía cinética, o energía de movimiento, que le permite a la piedra desplazarse por el aire primero muy rápido, después su velocidad va disminuyendo conforme se le acaba la energía y finalmente se detiene cayendo al suelo.

De un modo similar, la energía potencial almacenada en los alimentos que consumes (en forma de energía química) es convertida en energía cinética por los músculos de tu brazo cuando jalas la liga de tu resortera.

La ciencia que estudia a la energía y las transformaciones que sufre se llama Termodinámica, proviene de los vocablos griegos termo, que significa "calor" y dinamis, que significa "fuerza-movimiento”. La energía puede estudiarse a través de su interacción con dos tipos de sistemas: El sistema cerrado, que no puede intercambiar materia, pero si energía con su alrededor: como nuestro planeta, y el sistema abierto, que si puede intercambiar materia y energía con su medio: por ejemplo, un automóvil; cabe mencionar que todos los seres vivos (incluyendo a las células) funcionamos como sistemas abiertos.

Existen dos unidades de medida con las que se puede expresar o medir la energía: La caloría (cal) que es la cantidad de energía que se necesita para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua pura, desde 14,5 °C a 15,5 °C, a una atmósfera de presión. Ésta es principalmente una unidad de calor, en sistemas biológicos no se utiliza con frecuencia ya que por lo general las células no utilizan el calor

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como energía para realizar sus funciones; el calor es un producto celular de la transformación de energía, sin embargo se utiliza el término caloría o kilocaloría para describir el potencial energético de los alimentos y es usada comúnmente por los nutriólogos; una caloría equivale a 4.148 Joules.

El joule (J) es la segunda unidad, que nos permite medir energía, trabajo y calor; tiene muchas formas de expresarse, por ejemplo un joule equivale a 0.2390 Cal. Para poder estudiar y entender a la energía y sus cambios nos valemos de las dos primeras leyes de la termodinámica.  Primera ley de la termodinámica: Esta ley postula que la energía no se crea ni se destruye, solo puede transformarse en un tipo de energía distinto de la original. Una célula, por ejemplo, no puede crear la energía que necesita para vivir, debe tomarla de su medio y transformarla para poder realizar su trabajo (metabolismo). En una red trófica las plantas captan la energía luminosa que proviene del sol y mediante la fotosíntesis la convierten en energía química almacenada en las moléculas de azúcar que sintetiza la planta y que acumula en sus frutos, posteriormente algún animal: por ejemplo, un mono, comerá este fruto lleno de energía química y lo transformará en energía cinética para poder mover sus músculos y en calor.

En este ejemplo, solo una parte de la energía proveniente del rayo de sol fue transformada en azucares por la planta mediante la fotosíntesis, y solo una parte de la energía química del azúcar es transformada en energía cinética por el músculo del mono que consumió la fruta, el resto de la energía se transformó en calor que no puede ser usado por un ser vivo para realizar trabajo; este calor se transfiere al medio cumpliéndose la primera ley “la energía no se crea ni se destruye, solo puede transformarse.

En nuestra vida diaria encontramos muchos ejemplos de transformación de energía: La energía cinética del agua corriente de un gran rio se convierte en energía eléctrica mediante un alternador y se conduce a través de la red eléctrica hasta nuestro hogar y al encender el foco de tu habitación esta energía eléctrica se transforma en energía luminosa y calor.

 Segunda ley de la termodinámica: “entropía” La segunda ley de la termodinámica puede abordarse como sigue: cuando la energía es convertida de una forma en otra parte de esta energía utilizable, es decir, la energía disponible para realizar algún trabajo, se degrada a una forma menos útil; el calor, que se

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dispersa a los alrededores del sistema. Como resultado, la cantidad de energía útil disponible para realizar un trabajo va disminuyendo a lo largo del tiempo conforme se va transformando.

Es importante comprender que la segunda ley de la termodinámica es consistente con la primera ley, en otras palabras, la cantidad total de energía en el universo no disminuye con el tiempo, sin embargo, la energía disponible para realizar trabajo se degrada en energías menos utilizables con el tiempo; esta energía es más difusa o desorganizada. La Entropía (S) es la unidad de medida de este desorden o aleatoriedad; la energía útil es más organizada y tiene menos entropía, mientras que la energía desorganizada como el calor tiene una alta entropía.

La entropía total del universo está en constante aumento en todos los procesos naturales, de tal suerte que al paso del tiempo, billones de años a partir de ahora toda la energía habrá sido transformada en calor y se distribuirá uniformemente por el universo. Si esto ocurre, el universo dejará de moverse porque todo tendrá la misma temperatura y no habrá forma de realizar trabajo porque no es posible utilizar el calor como energía para realizar trabajo Otra forma de explicar la segunda ley es que la entropía, o desorden, en un sistema cerrado está presente de manera natural como parte inherente del sistema, ms que ser causada por alguna influencia externa.

Como resultado de la segunda ley, ningún proceso en que se involucra la conversión de energía es 100% eficiente, ya que como se ha explicado parte de la energía se dispersa como calor contribuyendo al incremento de la entropía. Por ejemplo, el motor de un automóvil, que convierte la energía química de la gasolina en energía mecánica tiene una eficiencia del 20-30%, esto es; solo este rango de la energía es convertida en movimiento, el resto se dispersa como calor. Las células tienen una eficiencia promedio del 40%.

Una célula, como sistema, para poder sobrevivir necesita mantenerse en un estado ordenado y por lo que parecería que viola esta segunda ley al resistirse al desorden. Esto puede explicarse porque la célula no es un sistema aislado(como lo marca la primera ley), puede tomar energía de su entorno para generar su propio alimento y usar la energía contenida en este por medio de reacciones químicas para mantener el orden dentro de sí y mantener su estructura en un estado ordenado , en estas reacciones, parte de esta energía será transformada en calor( primera ley), este calor incrementará el movimiento de las moléculas del sistema y se transmitirá hacia el ambiente extracelular desordenándolo, de tal suerte que la entropía total de la célula y el de su alrededor incrementa, como lo demanda la segunda ley de la termodinámica(Alberts, 2002).

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Figura 1. Análisis termodinámico de una célula. Alberts, B. et al. 2002 Molecular Biology of the Cell.

Para entender mejor este proceso, analicemos el siguiente ejemplo: En todo proceso termodinámico, la transformación de energía genera calor que momentáneamente calienta el sistema y se enfría nuevamente ya que el calor es transmitido al exterior.

Cuando pones a funcionar un automóvil la combustión de la gasolina lo calienta bastante incrementando su entropía, sin embargo el motor no permanece caliente porque cuando lo apagas este calor es transmitido al aire que rodea el motor, el aire absorbe el calor y lo transporta enfriando el motor nuevamente llegando a su nivel máximo de entropía.

En un sistema biológico como nuestro cuerpo, el mantener el calor es importante, de acuerdo a la primera ley de la termodinámica nuestro cuerpo transforma a los alimentos en energía y calor, nosotros necesitamos mantener una temperatura constante de alrededor de 36 °C para poder funcionar de manera óptima, si fuéramos un sistema cerrado, al terminar de digerir el alimento nos enfriaríamos por debajo de esta temperatura comprometiendo nuestra vida. Sin embargo mantenemos nuestra temperatura corporal yendo en contra de la entropía quemando todas nuestras reservas para generar calor y mantener nuestra temperatura constante. En apariencia estamos yendo en contra de la entropía al impedir que nuestro cuerpo se enfríe, sin embargo el aire que nos rodea se calienta con el calor que emana de nuestro cuerpo, al calentarse el aire incrementa su entropía cumpliéndose así ambas leyes de la termodinámica

1.1.2. Organización La vida está organizada en niveles jerárquicos ordenados de menor a mayor nivel de complejidad donde cada nivel se construye a partir del nivel anterior. El primer nivel es el sub atómico compuesto por las partículas que forman un átomo como protones, neutrones y electrones (entre muchas otras) estas partículas elementales se organizan para formar el siguiente nivel, el atómico, donde un átomo se define como la mínima expresión de un elemento que conserva las características de este, por ejemplo, un átomo de oro tiene las mismas propiedades que una tonelada de oro.

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Los átomos se ordenan en un nivel superior para formar moléculas, que son la combinación de átomos diferentes para dar origen a compuestos y moléculas: la sal de mesa, formada por un átomo de Sodio más uno de cloro forman el cloruro de sodio (NaCl), la unión de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno para formar el hidróxido de hidrógeno, compuesto que conocemos como agua (H-OH). Las moléculas a pesar de estar formadas por elementos químicos como los compuestos se diferencian de ellos en que las moléculas son orgánicas, las moléculas orgánicas contienen carbono (C).

El alcohol que compramos en la farmacia está compuesto por un átomo de carbono, cuatro de hidrógeno y un átomo de oxígeno. (CH3OH), el vinagre de cocina (CH3COO-) también tiene carbono, existen moléculas que están directamente relacionadas con la aparición y mantenimiento de la vida, a estas moléculas se les conoce como biomoléculas: Carbohidratos o azúcares, lípidos o grasas, proteínas y ácidos nucléicos ADN y ARN.

Figura 2. Azucar de mesa (Lodish, 2004).

Figura 3. Ácido linoléico (membranas celulares) (Lodish, 2004). Grupo hemo de la hemoglobina, proteína que transporta oxígeno en la sangre (Lodish 2004).

Moléculas distintas se ordenan para formar organelos, donde un organelo es una estructura celular que desempeña una función específica (el organelo encargado de generar la energía para el funcionamiento de una célula eucarionte es la “mitocondria”), Los organelos en su conjunto forman una célula que es la unidad de vida más pequeña.

Este es el nivel de organización que estudia la biología celular (sin embargo estos niveles continúan en complejidad ya que las células forman tejidos, los tejidos órganos, los órganos sistemas y los sistemas organismos).

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Ejemplo: Yo quiero construir una casa de adobe. Las partículas subatómicas serían los miles de granitos de arcilla que mezclo con agua para formar el adobe que serían mis átomos de construcción. Al ampliar los adobes obtengo paredes que serían análogas a moléculas, las paredes formarían cuartos que serían como los organelos; un organelo baño, otro organelo recámara, un organelo cocina, un organelo cuarto de TV; Y el conjunto recámaras organelos formarían mi casa, que sería la célula, muchas casas formarían una cuadra que sería como un tejido, muchas cuadras formarían un órgano que sería una colonia y muchas colonias formarían a un organismo multicelular que sería una Ciudad.

Figura 4. Niveles de organización de la materia. Extraído de: Audresirk, T. et. Al, 1998.

BIOLOGÍA, la vida en la tierra.

(a) Cuando la célula es puesta en una solución isotónica el agua puede pasar a través de la membrana hacia adentro y hacia afuera, de tal forma que el movimiento neto es cero. (b) Si está en una solución hipertónica el agua se mueve fuera de la célula para tratar de diluir la concentración iónica e igualarla a la de su interior

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(c) Si la solución es hipotónica, el agua se mueve dentro de la célula para diluir la concentración iónica dentro de esta e igualar la concentración del exterior (Solomon 2009).

Figura 5.

1.1.3. Homeostasis Tomando en cuenta que la energía no se crea ni se destruye, si no que se transforma y que todos los sistemas tienden al desorden o entropía (primera y segunda ley de la termodinámica), un sistema con un nivel de organización como la célula no se mantiene ordenado fácilmente, precisamente por efecto de la entropía. Para que una célula continúe con vida y funcionando óptimamente debe mantener sus condiciones celulares constantes (su metabolismo en balance), este proceso se conoce como “homeostasis” que significa equilibrio, permanecer sin cambio. La célula mantiene la homeostasis por medio de su metabolismo consumiendo toda su energía en este proceso en el entendido de la pérdida de la homeostasis significa la muerte como máximo grado irreversible de entropía.

A nivel celular la homeostasis contrarresta el efecto caótico que la entropía ejerce sobre la célula. Un ejemplo sencillo por el cual la célula mantiene su homeostasis es regulando la presión de su interior en respuesta a los cambios en su exterior, este proceso se conoce como regulación de la presión osmótica. Osmosis se refiere al movimiento de un disolvente (en sistemas celulares el disolvente es el agua a través de una membrana semipermeable). Dentro de la célula la concentración de sus iones en solución (por ejemplo Na y Cl) tiende a ser constante, cuando la concentración de iones en el exterior de la célula es igual a la del interior se dice que es una solución isotónica, que tiene la misma concentración con respecto a la célula. Cuando la concentración de iones en el exterior es menor que la de la célula, estamos hablando de una solución hipotónica con respecto a la célula y si es mayor se dice que es hipertónica. La célula responde de manera diferente si entra en contacto con una solución hipo o hipertónica.

1.1.4. Reproducción La reproducción, en términos de biología celular es la generación de dos células idénticas a la célula que le dio origen, para esto, la célula debe duplicar todo su contenido

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(organelos, material genético, membranas) para asegurarse de que cada célula hija cuente con todos los elementos necesarios para continuar con su vida conservando las características del tipo celular que le dio origen.

Las células procariontes, como las bacterias, cuentan con dos mecanismos de reproducción:

1) Asexual Fisión binaria: La bacteria se divide en dos células similares, primero duplica su AND circular, posteriormente forma una pared en su eje transversal que va creciendo y eventualmente divide a la bacteria formado dos nuevas bacterias cada una con una copia de ADN circular idéntico a la célula que les dio origen. Este proceso es muy rápido, algunas especies se dividen cada 20 minutos de tal suerte que si nada interfiere, una sola bacteria puede dar origen a una colonia de alrededor de un billón de bacterias en un periodo de 10 horas.

Figura 6.

Gemación: En este mecanismo la bacteria que puede ser también una levadura, genera una pequeña protuberancia o “gema” en su membrana, que conforme crece se va separando de la célula original conteniendo dentro de si, una copia idéntica del material genético de la célula madre.

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Figura 7. Levadura en gemación (Alberts, 2002).

2) Sexual El término sexual involucra la combinación de gametos como óvulos y espermatozoides, las bacterias no tienen gametos, pero si intercambian porciones de su material genético por lo que para fines didácticos a este tipo de reproducción se le conoce como sexual Transformación: Una bacteria libera al exterior fragmentos de su ADN (principalmente por lisis o rompimiento) y son tomados por otra bacteria, este nuevo material genético enriquece al que la bacteria ya tenía confiriéndole nuevas características, un ejemplo de ellos es la resistencia a antibióticos, en las moléculas de ADN que la bacteria absorbe por transformación está codificada la información para sintetizar enzimas que degradan a los antibióticos principalmente. Esta información que la bacteria antes no tenía, ahora pasa a ser parte de su genoma y la heredará a sus células hijas.

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Figura 8. Extradida de: Albrets, B. 2002. Biología molecular de la célula. Ediciones Omega.

Barcelona, España. Cap 6, figura 6,80.

Transducción: En este proceso, los virus conocidos como “fagos” durante el proceso de infección inyectan su material genético en la bacteria en forma de cromosoma circular, el ADN bacteriano absorbe este cromosoma viral haciéndolo parte de su genoma adquiriendo nueva información genética que se replica conforme la bacteria se divide (vía lisogénica donde la bacteria sobrevive), cuando la bacteria se ve sometida a estrés, los genes del fago lambda se activan, iniciando la producción de nuevos virus dentro de la bacteria infectada.

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Figura 9. Microscopía electrónica de un fago infectando a una célula Vegetal (Alberts, 2002).

Cuando estos virus ya están formados salen de la bacteria matándola quedando libres para infectar a otras células. Estos nuevos virus ahora tienen una nueva mezcla de ADN viral-bacteriano producto de la transducción que combinarán de Nuevo cuando infecten a una nueva bacteria. Un claro ejemplo es la infección de la bacteria Eschlerichia Coli por el bacteriófago lambda.

Figura 10. E. Coli en conjugación, microscopía electrónica de transmisión: Sciencephotolibrary.com

Conjugación: En este proceso, dos bacterias de diferente estirpe se unen mediante una estructura que funciona como puente entre ellas, una parte del material genético (que por lo general es un plásmido producto de la infección de un virus como en la transducción, Por plásmido se define al ADN circular de los virus, es el material genético que inyectan a la célula que va a infectar) es duplicado y transferido hacia la otra bacteria, con lo que adquiere nueva información genética. En contraste con los proceso de transformación t transducción, este proceso requiere contacto estrecho entre las dos bacterias involucradas.

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La bacteria Eschlerichia Coli recurre con frecuencia a este proceso, existen cepas (colonias bacterianas con el mismo origen, por lo general son clones) que fungen como donadoras de material genético, a estas se les conoce como “machos” mientras que a las cepas que preferentemente reciben el material genético se les conoce como “hembras” aunque esta clasificación es meramente descriptiva, ya que las bacterias no tienen sexo.

Reproducción de las células eucariontes: Eucarionte significa “núcleo verdadero” este término se emplea para definir a las células más evolucionadas que presentan una estructura membranosa llamada núcleo, organelo donde se almacena el material genético además del núcleo presentan otros organelos como mitocondrias, cloroplastos (en plantas), retículo endoplásmico, aparato de golgi, etc., que también son estructuras membranosas que tienen una función específica en la célula. Las bacterias se definen como células procariontes (anteriores al núcleo) y no presentan núcleo ni organelos, por lo que se les considera como células menos especializadas o evolucionadas.

Las células eucariontes forman a todos los seres vivos, desde hongos y protozoarios como las amibas, plantas, animales y al hombre.

La estrategia de reproducción de las células eucariontes se conoce como Mitosis o división celular; cuando una célula eucarionte se va a dividir, primero debe duplicar todo su material genético y ordenarlo en cromosomas, además del ADN también debe duplicar sus organelos; cuando ha terminado de duplicarse la célula se divide por medio de la mitosis que es un proceso que se asegura de repartir entre las dos células hijas que se van a formar una copia completa del material genético que se duplicó previamente junto con aproximadamente la misma cantidad de organelos para que ambas compartan las mismas características de su célula madre. (Este proceso se abordará extensamente en el apartado de ciclo celular).

1.1.5. Crecimiento En sentido biológico, crecer implica el incremento en talla de un ser vivo (desde una célula hasta cualquier organismo pluricelular como un elefante), también puede implicar un incremento en el número de células que lo conforman o ambas. El crecimiento puede apreciarse como aumento en talla como parte del desarrollo de un organismo, En una colonia bacteriana, por ejemplo, el crecimiento implica incremento en el número poblacional. A nivel celular, una célula debe alcanzar un tamaño adecuado que le permita realizar sus funciones correctamente.

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1.1.6. Evolución Hablar de evolución desde la óptica de la biología celular resulta complicado, ya que básicamente la teoría de la evolución explica los cambios secuenciales que sufre una especia a lo largo del tiempo. Para que exista evolución debe presentarse un cambio, el cambio implica incremento de la entropía, fenómeno que es contrarrestado por el metabolismo celular para asegurar su continuidad, sin embargo existen algunos ejemplos con los cuales se puede abordar la evolución e biología celular.

Existen teorías que postulan que las células eucariontes provienen de una célula eucarionte primaria, está célula tomó la estrategia de ir incorporando dentro de sí misma a otras células con características y metabolismo diferentes, realizando un trabajo de equipo donde cada célula aportaba algo al conjunto y también recibía algo a cambio como un trabajo en equipo, vivían en conjunto y se reproducían sincrónicamente, con el paso del tiempo cada una de estas células se especializó y dio origen a los organelos que conocemos hoy en día formando a la célula eucarionte, este proceso podría considerarse como evolutivo. Una posible evidencia de esto es que algunos organelos como la mitocondria y los cloroplastos conservan su propio ADN circular semejante a las bacterias.

1.1.7. Movimiento Para que un sistema pueda existir necesita energía, la energía implica movimiento e incremento de la entropía como mecanismos inherentes a su existencia. En el universo todo está relacionado con un proceso dinámico desde el movimiento estelar hasta los procesos dinámicos de una célula. El metabolismo tanto celular como de un organismo pluricelular implica movimiento, el que un organismo se desplace para conseguir su alimento, emprender una migración, perpetuar su especie implica movimiento.

A nivel celular, la membrana plasmática y los organelos están en constante movimiento sintetizando y transportando miles de sustancias, esto se replica también a nivel atómico.

Los seres vivos, se mueven conforme interactúan con su medio, como en todo sistema, las moléculas contenidas dentro de una célula están en permanente movimiento como fruto de la entropía generada en el sistema celular, este movimiento es necesario para dar continuidad al flujo de energía, para dar continuidad a la vida, en el sentido de que la ausencia de movimiento indica la ausencia de energía y la ausencia de energía conduce a la muerte del sistema y la muerte es, para un ser vivo, el máximo grado de entropía, que es en este punto irreversible, como lo dictan las leyes de la termodinámica.

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1.2. Célula La célula es la unidad estructural y funcional de la vida, existen muchas teorías que intentan explicar su origen, su evolución y su variedad morfológica y funcional que se refleja en la gran diversidad de seres vivos que podemos apreciar. Este tema tiene la finalidad de abordar las teorías sobre el origen celular como preámbulo para comprender las diferencias entre los dos grandes tipos celulares que podemos estudiar hoy en día: las células procariontes; las bacterias como las primeras células en aparecer; y a las células eucariontes; con una estructura y nivel de organización más compleja y responsable de la diversidad de organismos. Analizaremos la anatomía celular, sus niveles de organización, la relación estructura-función – metabolismo para comprender mejor el funcionamiento celular como parte esencial de los procesos biotecnológicos. Así mismo, se estudiará a los virus desde el punto de vista estructural y funcional como organismos con estrategias diferentes a las celulares, así como la influencia que tienen estos en los procesos celulares.

1.2.1. Teoría celular En el año de 1665, ya existían los microscopios en su expresión más rudimentaria, básicamente eran instrumentos compuestos por lentes semejantes a los de las lupas con poder de aumento muy limitado. Por esas fechas y con un instrumento de este tipo, Robert Hooke realizó observaciones de fragmentos de corcho (que es la corteza seca del árbol de alcornoque) Hooke detectó pequeñas celdillas en la estructura del corcho, posteriormente realizó observaciones en cortes de otras plantas observando “celdillas” parecidas llenas de jugos.

Figura 11. Cortes de corcho de Hooke.

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Posteriormente en 1673 Anton Van Leewenhoek Realizó observaciones hechas con microscopios más potentes que el mismo fabricaba tallando a mano sus lentes observando otros tipos celulares como glóbulos rojos, espermatozoides y microorganismos que vivían en aguas estancadas que describió como animáculos. Los años pasaron y los microscopios se mejoraron a partir de los modelos construidos por Leewenhoek. Alrededor de 1830 Theodor Schwann observó que el cartílago contenía células semejantes a las descritas en las plantas, después de realizar sus observaciones postuló su teoría, catalogando a las células como las partes elementales tanto de plantas como de animales, más adelante, a mediados de 1800 Mattias Schleiden postula que los procesos vitales de células deben formar los fundamentos básicos absolutamente indispensables de la vida, en línea con este pensamiento, Rudolf Virchow escribió que cada animal es la suma de sus unidades vitales, las células y que estas células provienen de otras células.

Conjuntando las ideas de estos investigadores se formó la “Teoría celular”, que tiene tres postulados 1) Los organismos están formados por una o más células 2) Los organismos vivos más pequeños son células únicas (unicelulares), además, las células son las unidades funcionales de los organismos multicelulares 3) Todas las células provienen de células preexistentes.

4)

Figura 12. Imagen de un microscopio electrónico de barrido de Paramecium (protozoario) un organismo unicelular, se puede apreciar su membrana, y los cilios con los que genera su movimiento.

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1.2.2. Características estructurales Los seres humanos estamos formados por varios sistemas que nos ayudan a cumplir con nuestras funciones vitales, estos sistemas a su vez están formados por órganos y los órganos por células, de tal forma que la vida de un ser humano puede definirse como la interacción entre estos niveles de organización.

Por ejemplo, El esqueleto, que está formado por los huesos (y los huesos por osteocitos) nos brinda soporte, resistencia, y resguarda nuestros órganos vitales, este sistema está relacionado con el sistema muscular(formado por miocitos) que es el que permite nuestro movimiento y la capacidad para realizar trabajo, el sistema digestivo, formado por los dientes, lengua, esófago, estómago e intestinos es el encargado de asimilar el alimento que consumimos, el sistema respiratorio formado por los pulmones, bronquios, tráquea y nariz nos permite ingresar oxígeno vital para nuestro metabolismo y expulsar el dióxido de carbono que producimos, El sistema circulatorio formado por el corazón, venas y arterias y la sangre nos permite transportar nutrientes hacia las células y deshechos del metabolismo hacia el sistema digestivo para su excreción y todos estos sistemas están regulados por el sistema nervioso central, formado por el cerebro, médula espinal y nervios, por mencionar algunos de nuestros sistemas.

Haciendo una analogía, una célula ya sea animal o vegetal tiene un nivel de organización parecido al de nuestro cuerpo, cuenta con un esqueleto que le da soporte, estructuras que se encargan de asimilar su alimento, generar su energía y respirar, una membrana, que sería análoga de la piel, y un sistema coordinador de todas sus funciones por mencionar algunos. Estas estructuras se conocen como organelos y se describirán en el siguiente cuadro.

Figura 13. Corte ultra fino de una célula apical de la raíz de una gramínea (vegetal) Se observan sus organelos, extraído de Alberts (2002).

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Membrana plasmática ¿Te has dado cuenta que no se puede mezclar el agua con el aceite? En tu casa si lo deseas puedes hacer este pequeño experimento, en un frasco con tapa pequeño, agrega un poco de agua, la cantidad que tu quieras, después agrega un poco de aceite de cocina, tapa el frasco y agita vigorosamente por al menos diez segundos, y observa lo que pasa. Notarás que aparentemente ambas sustancias se mezclaron pero en cuanto dejes de agitar el frasco y la entropía que tú ingresaste al sistema con la agitación disminuya apreciarás que comienzan a formarse pequeñas burbujas de aceite que parecen tener agua dentro de sí, estas estructuras se llaman micelas. Acabas de crear membranas artificiales iguales a las de cada célula de tu cuerpo.

El agua y el aceite no se mezclan principalmente por su naturaleza química, el aceite es hidrofóbico y tiene polaridad diferente a la del agua.

Hidrofóbico: que no es afín al agua, lo contrario de Hidrofóbico es hidrofílico, el azúcar, la sal, el vinagre si pueden mezclarse con el agua porque son hidrofílicos.

Polar: las cargas de una molécula están organizadas en polos, positivo sin electrones y uno negativo con electrones igual que un imán. El aceite es no polar, que quiere decir que sus cargas no están ordenadas en polos, si no que se distribuyen por toda la molécula, el agua es una molécula polar, de hecho es de las moléculas más polares que existen, hay una regla que dice que lo polar solo se mezcla con lo polar, el aceite es no polar y el agua polar, por eso no se mezclan y es precisamente esta característica lo que permite que se formen y existan las membranas.

La membrana plasmática (membrana celular) es una estructura formada principalmente por colesterol y lípidos, los lípidos que forman a la membrana se llaman fosfolípidos, que son ácidos grasos o aceites, tienen una cabeza polar y dos colas no polares. Para formar la membrana celular estos fosfolípidos se unen formando una bicapa, con las cabezas hidrofílicas organizadas hacia el agua y las colas hidrofóbicas escondidas del agua en el centro de la bicapa.

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Figura 14. En este cuadro se puede apreciar la estructura de un fosfolípido y como estas moléculas forman micelas al interactuar con el agua. También se puede apreciar la estructura de bicapa con las cabezas polares orientadas hacia el agua y las colas no plorares en el centro de la bicapa. (Alberts, 2002).

Esto se debe a que el aceite no puede diluirse en agua, porque es una molécula hidrofóbica.

La membrana celular es una bicapa, esta bicapa tiene embebidas dentro de sí proteínas esenciales para el funcionamiento de la célula, se clasifican como sigue: a) algunas proteínas funcionan como poros o canales que permiten pasar agua, electrolitos y otras sustancias. b) receptores de membrana, que son moléculas por las cuales la célula recibe mensajes químicos provenientes de otras células. Un ejemplo de este tipo de proteínas son las que conforman el complejo mayor de histocompatibilidad, estas proteínas funcionan como una huella digital, esta huella es única para cada individuo y todas sus células la expresan de tal modo que le permite diferenciar al sistema inmune entre las células del propio cuerpo de las que no lo son, de esta manera si una célula presenta estas proteínas el sistema inmune sabe que son propias y no las elimina, pero si se encuentra con una célula que expresa una proteína diferente como en el caso de un trasplante de órganos o por una infección el sistema inmune la elimina.

Figura 15.

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c) Otras proteínas con diferentes actividades metabólicas.

Figura 16.

Estas proteínas y los fosfolípidos de la membrana, no están estáticos, se dice que están en una estructura de mosaico fluido, donde todo se mueve hacia el lugar donde se necesite, haciendo a la membrana una estructura sumamente dinámica.

En esta imagen se puede apreciar la estructura de la membrana, en forma de bicapa con las cabezas polares orientadas hacia donde hay agua, se aprecian también la estructura de los fosfolípidos y la presencia de diferentes proteínas de membrana. Todas las membranas de células procariontes y eucariontes tienen esta estructura en su membrana, asi mismo, los organelos presentes en las células eucariontes(retículo endoplásmico Liso, retículo endopásmico rugoso, aparato de golgi, mitocondria, núcleo, peroxisomas y lisosomas), también son estructuras de doble membrana cuya conformación es exactamente igual a la que aquí se muestra (Solomon, 2008) El núcleo celular es el cerebro de la célula, es una estructura de doble membrana que en su interior contiene el material genético ADN, la membrana del núcleo no es continua, tiene poros por los cuales entran y salen moléculas escenciales para los procesos nucleares como proteínas y ARN. Dentro del núcleo se puede apreciar otra estructura conocida como nucléolo, es un acomodo especial del ADN, ARN ribosomal y proteínas.

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Figura 17. Micrografía electrónica de barrido de una célula de cáncer cervical humana. En beige se aprecia el núcleo que contiene el material genético (no mostrado) en la parte exterior de la membrana se pueden apreciar las diferentes proteínas y moléculas que están presentes en la cara externa de la membrana. Sciencephotolibrary.com

El aparato de golgi forma parte de lo que sería el sistema digestivo de la célula. Es un conjunto de sacos membranosos apilados unos sobre otros. Su principal función es la síntesis de membrana plasmática cuando la célula necesita repararse o dividirse. Es un centro de empaquetamiento, clasificación y envío de materiales desde el núcleo hacia la membrana, y desde la membrana hacia el núcleo. Todo lo que la célula produce, necesita o deshecha es transferido al aparato de golgi donde es clasificado, modificado y empaquetado en vesículas para su distribución de acuerdo a su destino.

Figura 18. Micrografía de transmisión electrónica del aparato de golgi de una célula eucarionte. sciencephotolibrary.com

El retículo endoplásmico liso (estructuras alargadas teñidas de amarillo) también forma parte del sistema digestivo de la célula, una de sus funciones principales es sintetizar y transportar los lípidos y colesterol necesarios para construir la membrana celular y la membrana de todos los organelos.

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Figura 19. Micrografía electrónica de transmisión de célula de epitelio de mamífero.

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Las estructuras teñidas de rojo son lisosomas los cuales son organelos de doble membrana que en su interior tienen enzimas para degradar proteínas que han sido dañadas o necesitan recambiarse, el material degradado dentro de los lisosomas es transportado al aparato de golgi donde se seleccionan los elementos que pueden reciclarse y los que se desechan.

Retículo endoplásmico rugoso (RER): al igual que el retículo endoplásmico liso, es una red de estructuras membranosas, la diferencia entre ambos es que el retículo endoplásmico rugoso cuenta con unas estructuras ancladas a su membrana conocidas como ribosomas.

Figura 20. Micrografía electrónica de barrido de alta resolución de retículo endoplásmico rugoso de una célula olfatoria de mamífero.

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En los ribosomas se lleva a cabo la síntesis de todas las proteínas de la célula. Una vez sintetizadas; las proteínas son internalizadas al RER donde son modificadas y acondicionadas para que puedan funcionar correctamente, posteriormente son transportadas al aparato de Golgi para su empaquetamiento y distribución.

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Figura 21. Micrografía electrónica de barrido de una mitocondria de una neurona. Sciencephotolibrary.com

La mitocondria es el aparato respiratorio y el centro generador de energía de la célula. Su estructura es muy particular ya que tiene dos membranas plasmáticas la primera membrana, que es la interna está plegada en forma de crestas, y la segunda membrana es la exterior, esta estructura le permite tener dos compartimentos: el que encierra la membrana interna que se conoce como matriz mitocondrial y un espacio intermembranal que se forma entre la membrana interna y externa.

Esta compartamentalización es vital para la mitocondria ya que le permite establecer gradientes de concentración iónica entre los espacios cuya diferencia es utilizada para generar energía, como se explicará más detalladamente en el apartado de metabolismo.

En las plantas, algas y algunos protozoarios, además de las mitocondrias están presentes los cloroplastos que también funcionan como generadores de energía. En este organelo se lleva a cabo la fotosíntesis. El cloroplasto también es un organelo con dos sistemas membranosos, al igual que las mitocondrias tienen un espacio intermembranal y una Figura 22. Cloroplasto. matriz que se conoce como estroma. Dentro del cloroplasto existen unas estructuras saculares llamados tilacoides. Los tilacoides se apilan como si fueran monedas formando una estructura conocida como grana; las grana están interconectadas pos estructuras llamadas estroma. Dentro del cloroplasto se realiza la fotosíntesis. Existen dos fases, que se desarrollan en compartimentos distintos: 



Fase luminosa: Se realiza en la membrana de los tilacoides donde mediante la clorofina se convierte la energía lumínica en energía química en forma de ATP Fase oscura: Se produce en el estroma, donde se hallalal enzima RuBisCO, Figura 23.

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responsable de la fijación del CO2 mediante el ciclo de Calvin que se discutirá en el tema de metabolismo.

En las plantas y algas, además de la membrana plasmática está presente la pared celular, es una estructura hecha de un polímero de carbohidratos llamado celulosa, su función es brindar estabilidad, fuerza y sostén a los tejidos vegetales.

Figura 24. Micrografía electrónica de transmisión de una célula de raíz de maíz, se nota la pared celular rodeando la membrana celular. Sciencephotolibrary.com

Las levaduras también tienen una pared celular compuesta de un polímero de azucar, el betaglucano, las funciones de esta estructura en la levadura son resistencia, estructura, reserva de alimentos y metabólica al tener embebidas algunas enzimas en ella. en la micrografía electrónica de transmisión (derecha) se puede apreciar la pared celular de una levadura teñida de azul, las estructuras circulares son vacuolas (Sciencephotolibrary.com).

Las bacterias también tienen pared celular principalmente construida de peptidoglucano, otro polímero de azucares. Esta estructura ha servido como criterio de clasificación ya que por medio de una técnica histológica conocida como tinción de gramm se puede identificar si una bacteria posee o no pared celular, a las que si poseen se les conoce como Gramm positivas y las que no presentan se conocen como gramm negativas.

En esta micrografía electrónica de transmisión se aprecia a una bacteria gramm positiva.

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E.coli dividiéndose por fisión binaria. La sección teñida de verde es el citoplasma de la bacteria y está rodeada por su membrana, más al exterior teñida de naranja se aprecia la pared celular. (Sciencephotolibrary.com)

Figura 25. Micrografía electrónica de transmisión de una bacteria gramm positiva.

En plantas, levaduras, hongos, algas y protozoarios están presentes las vacuolas. Son estructuras membranosas cuya principal función es la de almacén y reserva. Por ejemplo, las plantas almacenan el almidón en vacuolas. No tienen un tamaño definido pero son estructuras grandes, en algunos organismos la vacuola es su organelo más evidente, conforme la célula va necesitando sus reservas la vacuola se va vaciando disminuyendo su tamaño.

El protozoario Paramecio es un organismo unicelular que presenta vacuolas, en esta fotografía de microscopio de luz se aprecian las vacuolas alimenticias como estructuras circulares. Sciencephotolibrary.com Citoesqueleto: las células también tienen una estructura que les brinda soporte, resistencia y movimiento, este es el citoesqueleto, que es un conjunto de fibras; micro filamentos y filamentos intermedios construidos de actina y microtúbulos de tubulina. Estas estructuras forman varillas celulares que se anclan en la cara interna de la membrana celular dándole forma y resistencia. Estas varillas celulares también fungen como carreteras por donde se transportan las vesículas provenientes del aparato de golgi y la membrana celular. Estas vesículas se transportan en dos sentidos.

Desde el núcleo hacia la membrana a cargo de la cinecina

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Figura 26. Citoesqueleto.

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(que es un motor celular similar a un camión de carga donde se transporta la vesícula) y desde la membrana hacia el núcleo por medio de la dineina, otro motor celular transportador de vesículas. Micrografía electrónica de células de cáncer cervico uterino humanas, se aprecian las fibras del citoesqueleto dándole forma a la célula (Sciencephotolibrary.com).

1.2.3. Características funcionales Como lo versa la teoría celular, un órgano es el producto de las funciones que realizan las células que lo conforman, por ejemplo, las células musculares son capaces de contraerse y relajarse, las neuronas de transferir impulsos eléctricos, las células de cartílago son muy flexibles, las células de la piel son capaces de resistir tensión y torsión. Cada tipo celular adquiere funciones y capacidades diferentes gracias a un proceso de especialización y es este proceso el que le da la función al tejido.

Tejido conectivo: La función principal de este tejido es brindar sostén e integrar los diferentes sistemas del organismo uniendo y/o separando los diferentes tejidos que componen los órganos y sistemas y se divide en: Tejido adiposo: formado por adipocitos que son células especializadas en almacenar grasa proveniente de los alimentos principalmente; el tejido adiposo funciona como barrera mecánica protegiendo a los órganos que envuelve de golpes y daño mecánico, como aislante térmico y también sirve como fuente de reserva de grasa.

Figura 27.

Tejido cartilaginoso: Este tejido se encarga de brindar soporte estructural y elasticidad a los tejidos que conecta. Cuando está presente en los huesos los mantiene unidos en las articulaciones. También proporciona resistencia a las fuerzas de compresión a las que se someten las articulaciones. En la nariz, pabellón auditivo y en las estructuras del sistema

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respiratorio sirve principalmente como soporte estructural. La célula que forma el cartílago se llama condrocito.

Esta célula altamente especializada se encarga de sintetizar los componentes que le dan sus características elásticas y resistentes al cartílago: elastina, colágeno que le brindan resistencia y elasticidad y los proteoglicanos funcionan como una esponja que retiene agua y electrolitos formando un colchón hidráulico para resistir las fuerzas de compresión, algo similar a los amortiguadores de un automóvil.

Figura 28. Micrografía electrónica de barrido de un condrocito de tráquea. Se aprecia el condrocito propiamente dicho en amarillo rodeado por su matriz extracelular donde se aprecian las fibras de colágeno.

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Tejido óseo: conocido como hueso, es la principal estructura de sostén y soporte del cuerpo de los vertebrados, también brinda protección para los órganos vitales y puede funcionar como reserva de calcio. El hueso está formado principalmente por agua, fosfato de calcio, carbonato de calcio y proteínas como el colágeno. El hueso primario es principalmente cartílago, conforme se va mineralizando adquiere su dureza característica.

La célula que sintetiza el hueso es el osteocito que se encarga de la regeneración del tejido óseo, mientras que el osteoclasto se encarga de su remoción. Ambos procesos de regeneración o construcción y remoción siempre están presentes de manera normal en el hueso.

Figura 29. Micrografía electrónica de un osteocito de fémur. Sciencephotolibrary.com

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Tejido hematopoyético: La hematopoyesis es el proceso por el cual se producen las células sanguíneas: eritrocitos y las del sistema inmune (linfocitos, macrófagos, polimorfo nucleares, plaquetas, etc.) Las células hematopoyéticas derivan de las células de la médula ósea que conforme se van diferenciando dan lugar al tejido hematopoyético y al tejido óseo. La función del tejido hematopoyético es transportar nutrientes, proteínas, oxígeno y mensajeros químicos entre las células, también se encarga de transportar los desechos del metabolismo celular para su eliminación, otra función es la respuesta inmune a cargo de las células blancas de la sangre.

Figura 30. Micrografía electrónica de sangre humana, se aprecian los glóbulos rojos, linfocitos y plaquetas. Sciencephotolibrary.com

Las plantas también tienen tejidos que les brindan sostén, protección, resistencia y una vía de comunicación y transporte entre diferentes partes de su anatomía. Se divide de la siguiente forma: Parénquima: Tejido vivo y capaz de dividirse, es el tejido responsable del crecimiento de las plantas, dentro de sus funciones se encuentran la fotosíntesis, reserva de nutrientes y secreción de metabolitos.

Colénquima: Tejido vivo cuya principal función es el sostén y soporte de las estructuras en crecimiento, sus células son alargadas y tienen pared celular gruesa.

Esclerénquima: Tejido muerto, su función principal es el sostén y soporte de las estructuras que han cesado su crecimiento, sus paredes celulares son extremadamente gruesas El sistema vascular de las plantas está compuesto por: Xilema: que es un tejido conductor que transporta savia bruta (agua y nutrientes absorbidos del suelo) desde las raíces hacia todo el cuerpo de la planta. Las células del xilema son largas, de pared celular gruesa y forman vasos conductores que recorren toda la planta, algo similar a las arterias que transportan sangre oxigenada.

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El Floema también es un tejido vascular, transporta savia desde las hojas hacia el resto de la planta, a la sabia que corre por el floema se le conoce como savia elaborada, que contiene principalmente metabolitos de la fotosíntesis, nutrientes ya procesados y deshechos, semejante a las venas.

Tejido Epitelial: El epitelio es un tejido formado por una o varias capas de células, su función es recubrir órganos, cavidades y conductos del cuerpo de un organismo. Entre estos tipos de tejido se encuentran las mucosas, el tejido vascular (venas y arterias) la piel, entre otros. Dentro de sus funciones se destaca la protección, secreción y absorción, percepción sensorial, excreción y transporte.

Figura 31. Micrografía electrónica de epidermis humana.

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Tejido muscular: el músculo está compuesto por miocitos, que son células contráctiles, tienen esta función gracias a la acción de dos proteínas, actina y miocina que se contraen sobre si utilizando la energía química en forma de ATP. El músculo se divide en dos: músculo liso que está presente en los órganos internos como los intestinos. Y el músculo esquelético o estriado que es el responsable de brindarle movimiento al cuerpo.

Figura 32. Fibras de músculo liso humano.

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1.2.4. Virus La finalidad de un agente secreto como “James Bond” es introducirse en la fortaleza del enemigo sin ser detectado, apoderarse de sus máximos secretos, sus procesos su maquinaria para poder destruirlo y obligarlo a hacer lo que al espía le conviene y desde luego salir ileso. Eso es precisamente lo que hace un virus. Un virus es el parásito más

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extremo, es una molécula simple, compacta, es un paquete de información capaz de someter a su voluntad a su huésped.

Técnicamente los virus no están vivos, ya que no pueden reproducirse por sí mismos, necesitan secuestrar la maquinaria celular de la célula que infectan para poder reproducirse, ensamblarse y salir de la célula huésped para continuar infectando organismos.

Su estructura es simple, cuentan con una envoltura rígida hecha de proteínas que sirve como cápsula protectora donde guardan su material genético que puede ser ADN o ARN conocida como cápside y en algunos casos están recubiertos por una membrana similar a la membrana de las células. Dentro de su material genético solo se encuentran las instrucciones para construir su cápsula de proteínas, autocopiarse y ensamblarse.

No hay más; los virus simplemente son una cápsula de proteínas con un ácido nucléico.

Uno podría pensar que algo tan simple pueda causarnos tanto daño dejándonos indefensos e incluso conducirnos hasta la muerte, esto se debe a varias razones, la primera es que para poder liberarse, salir de la célula que infectaron necesitan matarla, en segundo lugar su replicación es muy rápida y exponencial, de tal suerte que una sola molécula de virus que infecta a una sola célula tras matarla puede liberar miles de copias de si mismo capaces de infectar al mismo tiempo a miles de células del huésped y estos miles transformarse en millones en unos cuantos días. En ocasiones, su velocidad es tal que sobrepasa la capacidad del sistema inmune para detenerlo en las etapas iniciales de la infección. Además son extremadamente pequeños. Finalmente los virus tienen diferentes estrategias para prolongar el tiempo que pasan inadvertidos para el sistema inmune del organismo que están infectando.

Los virus están ampliamente distribuidos, pueden infectar bacterias, hongos, protozoarios, plantas y animales.

El ciclo de vida de un virus tiene dos fases. Para poder infectar a una célula, el virus debe ser capaz de posarse sobre ella, anclarse para poder inyectar su material genético, por lo general utilizan los propios receptores de membrana de las células, al conocer la estructura de los receptores, un virus puede entrar sin ser detectado por el sistema inmune, y entre más rápido realice este proceso tiene más posibilidades de éxito. Una vez inyectado el material genético comienza la etapa lisogénica o ciclo lisogénico, donde el virus tras infectar a su huésped camufla su material genético dentro del material genético de su hospedero (la célula u organismo al cual infecta) manteniéndose en estado de latencia, o lisogénico por tiempo indefinido como si hibernara, cuando la célula infectada es sometida a estrés, como algún tipo de daño, el virus despierta de su hibernación y comienza a replicarse y a ensamblar miles de copias de si mismo dentro de su hospedero para posteriormente liberarse matando a la célula; a esta etapa se le conoce como lítica o ciclo lítico porque implica la lisis o muerte de la célula infectada.

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Cuando el virus está recién ensamblado de la célula pero todavía no sale de ella se le conoce como virión, un virus completo pero que aun no es liberado, cuando sale de la célula ya se le conoce como virus.

Entre los virus de ARN, el ejemplo clásico es el virus del SIDA, el VIH, este es un retrovirus. Por lo general los retrovirus están cubiertos con una membrana similar a la de las células que van a infectar, esto les permite pasar inadvertidos porque el sistema inmune no los puede reconocer ya que no es capaz de distinguir entre la membrana celular y la del virus, cuando el retrovirus ha localizado a la célula que va a infectar fusiona su membrana con la de la célula esto permite la entrada libre de su cápside con el ARN.

Figura 33. Micrografía electrónica de transmisión de un virus VIH. Sciencephotolibrary.com

Adjunta a su molécula de ARN el virus cuenta con una enzima que se llama transcriptasa reversa que es capaz de transformar este ARN en ADN viral activándolopara que se apodere de la maquinaria celular. Se le conoce como transcriptasa reversa por lo siguiente: El dogma de la biología molecular postula que: El ADN puede duplicarse en un proceso de replicación A partir de una molécula de ADN puede obtenerse una de ARN en un proceso de transcripción. La información contenida en el ARN puede traducirse para construir proteínas.

Figura 34.

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Los retrovirus van en contra del dogma central ya que a partir de su molécula de ARN construyen una de ADN. Estas estrategias son los motivos por los que algunos especialistas en diversas áreas de la biología ubiquen a los virus en la cumbre de la evolución.

Figura 35. En esta imagen se describe el ciclo de infección de un bacteriófago que es un virus de ADN sobre una bacteria, E. coli. (Lodish, 2006).

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Figura 36. Representación de la infección por el virus VIH sobre un linfocito: el virus reconoce a la célula que va a infectar, fusiona su membrana con la membrana de la célula para poder liberar su cápside. Dentro de la célula se libera la molécula de ARN y comienza el proceso de retrotranscripción a cargo de la enzima vira transcriptasa reversa para sintetizar una molécula de ADN a partir de otra de ARN. El ADN retrotranscrito se incorpora al genoma de la célula infectada y se replica junto con ella. Posteriormente, a partir de esta molécula viral de ADN se sintetizan múltiples copias de ARN y proteínas del virus para que este se ensamble, finalmente la cápside es liberada robando un fragmento de membrana de la célula infectada para recubrirse e infectar a una nueva célula (Lodish, 2006).

1.3. Metabolismo celular El metabolismo se puede definir como el conjunto de procesos químicos que lleva a cabo un organismo para mantenerse con vida, comprende a grandes rasgos procesos de síntesis y degradación de compuestos vitales para la célula. El metabolismo celular actual es el producto de un complejo mecanismo de selección, perfeccionamiento y eliminación de procesos a lo largo del tiempo conocido como evolución. La evolución estudia los cambios que sufre un organismo o especie a lo largo del tiempo producto de la interacción con su medio, y como la selección natural influye en el proceso evolutivo del metabolismo celular.

Las moléculas que conducen el metabolismo son las enzimas, que son proteínas que regulan las reacciones bioquímicas que lleva a cabo la célula. Descubriremos que organismos tan diferentes como una bacteria, una planta, un pez o un mamífero tienen enzimas que realizan la misma función y explicaremos estas semejanzas desde el punto de vista evolutivo. El conocer el funcionamiento enzimático y por ende el metabolismo celular nos permitirá proponer mejores estrategias para optimizar y mejorar los procesos biotecnológicos, como pude ser la síntesis de moléculas, la producción y mejora de alimentos, entre otros.

1.3.1. Evolución y metabolismo Evolución Definir la evolución es una tarea compleja, básicamente la evolución estudia los cambios que sufre una población de individuos (bacterias, hongos, animales, etc.) a lo largo del tiempo. Nosotros intuimos que evolución significa mejora o al menos una diferencia con respecto a un punto anterior.

La evolución es producto de la interacción entre un organismo (población) con su medio,

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el medio siempre ejerce presión sobre los organismos y estos deben aprender a sobrevivir en su medio, “adaptándose” a las condiciones, esta adaptación depende de las habilidades y características que cada individuo tenga, algunos tendrán mucha habilidad o características que los ayuden a adaptarse, otros tendrán habilidad moderada y otros no tendrán habilidades, en los dos primeros casos los individuos sobrevivirán y heredarán esas ventajas adaptativas a sus hijos que a su vez las heredarán a la siguiente generación ayudando a que estas características se fijen en la población, los individuos que no tuvieron habilidad morirán. A este proceso se le conoce como selección natura. La selección natural es un proceso azaroso porque nunca se sabe que características de todas las que tiene una población serán sujetas a selección por cambios en el medio.

Por ejemplo en la facultad de ingeniería hay un grupo de 20 estudiantes que están tomando la materia de cálculo diferencial 1. Esta población tiene algunas similitudes:    

Todos son seres humanos.

Todos han cursado la preparatoria.

Todos son jóvenes con edad similar.

Todos presentaron el mismo examen de admisión para ingresar a la faculta de ingeniería y pasaron, por lo que se asume que tienen un nivel de conocimientos similar.  Todos están inscritos en la misma materia, en el mismo salón y tomarán la misma clase con el mismo maestro.

Esta población también tiene algunas diferencias:       

No provienen de la misma familia.

No nacieron en el mismo lugar.

No tienen el mismo estilo de vida.

No viven en el mismo lugar.

No tienen los mismos hábitos de estudio.

No provienen de la misma prepa.

No tienen la misma solvencia económica, entre otros.

Tras tomar unos meses la misma clase todos juntos, presentan el primer examen parcial y después de la revisión algunos pasan con 10, otros con 8, otros con 6 y otros no pasan.

Siguen avanzando en su curso que se va haciendo más difícil, al llegar el segundo examen parcial, los estudiantes que sacaron diez en su primer examen vuelven a sacar diez, algunos incrementan su calificación, algunos sacan lo mismo que en el examen anterior, algunos sacan una calificación que la anterior y ortos vuelven a reprobar.

Al finalizar el curso, los estudiantes que sacaron diez en ambos exámenes fueron

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promovidos al semestre anterior (que fueron 5 estudiantes), dos estudiante pasaron con 8, tres con 6 y el resto reprobó el curso y tendrán que tomarlo de nuevo.

En términos evolutivos podemos explicar este fenómeno como sigue: Podemos definir al medio como la clase de cálculo, el medio ejerció presión en la población de estudiantes a través de dos exámenes parciales. Los estudiantes a pesar de que tuvieron acceso a la misma clase, el mismo tiempo, al mismo maestro y a la misma biblioteca, obtuvieron resultados muy heterogéneos. Al formar parte de la misma población tenían algunas similitudes y diferencias que no podemos catalogar de buenas o malas, benéficas o perjudiciales, simplemente son factores individuales que los hacen diferentes.

Los estudiantes que pasaron con 10 tenían habilidades que ya traían y que no sabían que les iban a servir para el curso de cálculo pero al presentarse la presión de medio simplemente ocuparon esas características que ya tenían y pasaron sin problema, los estudiantes que subieron su calificación no tenían la misma habilidad que los estudiantes de 10 y sin embargo se adaptaron al curso y pasaron. Los estudiantes que bajaron su rendimiento y los que reprobaron el curso no fueron capaces de adaptarse por lo que “murieron” en el curso de cálculo 1 y tendrán que recursarlo, mientras que los que pasaron la materia fueron seleccionados para pasar al siguiente semestre. De esta situación podemos concluir lo siguiente: Los estudiantes que sacaron 10 no sabían cuales semejanzas o diferencias que traían les iban a ser útiles simplemente ya contaban con estas y las utilizaron, el profesor no conocía previamente a los estudiantes y construyó el examen basándose solamente en lo que se expuso en clase desarrollando las preguntas de manera azarosa, los estudiantes que incrementaron su calificación pudieron desarrollar cualidades que les permitieron pasar evolucionando hacia un mejor estudiante, contrario a los que no pasaron. Este proceso fue meramente azaroso donde los estudiantes no pueden influir en el examen pero el examen si puede influir en los estudiantes, no sabemos qué características de todas las que están presentes en los genes de una población van a ser elegidas por la selección natural porque el medio cambia de manera azarosa.

En la evolución intervienen tres factores:  La variación genética presente en la población (características, semejanzas y diferencias).  Estas diferencias en los genes se heredan a las siguientes generaciones.  La selección natural determinará cuales de esas características le permitirán a una población adaptarse al medio, heredar sus características, sobrevivir y evolucionar a una especie “diferente” (no sabemos si mejor o peor) que la anterior.

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Metabolismo El metabolismo se define como el conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en una célula o ser vivo, y podemos dividirlo en 2: Anabolismo: Proceso por el cual a partir de moléculas pequeñas o simples se construyen moléculas más grandes o complejas. Un ejemplo es la formación de músculo a partir de las proteínas que consumimos, el crecimiento de un niño.

Catabolismo: Es el proceso por el cual las moléculas grandes o complejas se rompen en sus componentes más elementales, por ejemplo La proteína contenida en un bistec al llegar al estómago, es fragmentada (catabolizada) en aminoácidos por la acción de ácido clorhídrico, otro ejemplo sería la ruptura de las moléculas de almidón que consumimos de un plátano o una papa en moléculas individuales de glucosa por acción de la enzima amilasa presente en la saliva.

Los procesos anabólicos y catabólicos del metabolismo están regulados por la acción de las enzimas.

1.3.2. Principales enzimas Enzima: Proteína que regula el ritmo de una reacción biológica.

Termodinámicamente, toda reacción metabólica necesita de energía para realizarse, esta energía determina la velocidad con la que dicha reacción se lleva a cabo, las enzimas disminuyen la energía que se necesita para llevar a cabo estas reacciones haciendo que transcurran más rápido. De no existir las enzimas el metabolismo de todo ser vivo no sería tan eficiente y por consiguiente el proceso evolutivo para cada especie hubiera sido más lento y muy diferente al actual.

Existe una cantidad casi innombrable de enzimas presentes en la naturaleza, todas tienen una actividad única y vital para el organismo que la realiza de tal suerte que no es posible organizarlas de acuerdo a importancia ya que todas son importantes y su eliminación, pérdida o modificación tiene serias repercusiones sobre el desarrollo de un organismo.

Sin embargo existen algunas enzimas que están presentes en muchos organismos y que por diferentes motivos han sido estudiadas. A continuación se menciona su nombre genérico y principal función.

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Nombre Genérico Polimerasa

ATPasa

Cinasa

Fosfatasa

Transferasa Proteasa ADNsa Rnasa

Función Enzima que se encarga de la síntesis de ácidos nucléicos, la enzima que sintetiza ADN es la ADN polimerasa y la que sintetiza ARN es la ARN polimerasa y está presente en todos los organismos que tienen ácidos nucléicos.

Enzima encargada de sintetizar ATP que es la principal fuente de energía de todos los organismos vivos.

Se le llama cinasa a la proteína que adiciona grupos fosfatos en otras proteínas, por lo general la adición de grupos fosfato es un proceso vital para activar a una proteína y hacerla funcional, está presente en todos los organismos.

Enzima que elimina grupos fosfato de una proteína, es la actividad contraria de la cinasa y su principal función es inactivar proteínas o enzimas para regular su acción conforme se necesite, está presente en todos los organismos.

Enzima que transfiere grupos funcionales entre proteínas, esta actividad es necesaria en diferentes procesos metabólicos.

Enzima que degrada proteinas cuando ya han cumplido su función o están dañadas o defectuosas rompiéndolas en aminoácidos que se reciclan en diferentes procesos bioquímicos.

Enzimas que degradan ADN y ARN cuando este necesita ser reparado, o ya ha cumplido con su función.

Tabla 1. Nombres genéricos y funciones de las enzimas.

1.3.3. Definición de ruta metabólica Una ruta metabólica es una sucesión de reacciones bioquímicas para transformar un sustrato inicial en diferentes productos finales vitales para el mantenimiento de la vida de un organismo. Al igual que con las enzimas es difícil hablar de importancia entre rutas metabólicas ya que todas son esenciales para conseguir la homeostasis.

Existen algunas rutas metabólicas clásicas presentes en todo organismo: Rutas metabólicas encargadas de sintetizar energía a partir de azucares y grasas  Azúcares: Esta ruta está compuesta por tres procesos, glucólisis, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa, estas reacciones se encargan de transformar la glucosa en energía (ATP)

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

Grasas: la reacción encargada de romper las moléculas de grasa y transformarlas en energía se llama Beta-oxidación

Síntesis de proteínas: De acuerdo con el dogma central de la biología molecular, los genes están contenidos en el ADN, esta sería como la librería, para sintetizar una proteína no necesito toda la librería, solo un libro en particular, un gen. Este gen debe ser extraído de la librería transcribiéndolo de ADN a ARN, este ARN es semejante a una receta que indica el orden en que se deben adicionar lo ingredientes (aminoácidos) para construir una proteína.

Actividades La elaboración de las actividades estará guiada por tu docente en línea, mismo que te indicará, a través de la Planeación didáctica del docente en línea, la dinámica que tú y tus compañeros (as) llevarán a cabo, así como los envíos que tendrán que realizar.

Para el envío de tus trabajos usarás la siguiente nomenclatura: BBIC_U1_A1_XXYZ, donde BBIC corresponde a las siglas de la asignatura, U1 es la etapa de conocimiento, A1 es el número de actividad, el cual debes sustituir considerando la actividad que se realices, XX son las primeras letras de tu nombre, Y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno.

Autorreflexiones Para la parte de autorreflexiones debes responder las Preguntas de Autorreflexión indicadas por tu docente en línea y enviar tu archivo. Cabe recordar que esta actividad tiene una ponderación del 10% de tu evaluación.

Para el envío de tu autorreflexión utiliza la siguiente nomenclatura: BBIC_U1_ATR _XXYZ, donde BBIC corresponde a las siglas de la asignatura, U1 es la unidad de conocimiento, XX son las primeras letras de tu nombre, y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno.

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Biología celular Vida

Fuentes de consulta

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Lodish, H. et.al. (2006). Biología celular y molecular. Panamericana.

Montuenga, L., et.al. (2009). Técnicas en Histología y Biología Molecular. USA: Elsevier.

Stevens, A. (2006). Histología Humana. Elsevier.

Bibliografía complementaria    

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Alberts. B. et al. (2002). Biología Molecular de la Célula (3a Ed.). Editorial Omega.

Audesirk. T. et. Al. (2008). Biología, La vida en la Tierra (8a Ed.). México: Prentice Hall.

Cavagnaria. B. (2010, 4). Animales transgénicos: usos y limitaciones en la medicina del siglo XXI. Arch. Argent Pediatr.

Erijman, L, et,al. (2011). Impacto de los recientes avances en el análisis decomunidades microbianas sobre el control del proceso de tratamiento de efluentes. Revista Argentina de Microbiología.

Moreno. J. (2008,10). Prebióticos en las fórmulas para lactantes. ¿Podemos modificar la respuesta inmune? Barcelona: An. Pediatr.

Robertis, De R. (2004). Fundamentos de Biología celular y Molecular de De Robertis. (4ª Ed.). Argentina: Editorial el Atenco.

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