El mundo de la célula (6a. ed.).

922 Pages·2007·239.26 MB·Spanish

by  Wayne M. Becker, Jeff Hardin, Lewis J. Kleinsmith

Una visión de la célula
T
I-¡a célulae sl a unidadb ásicae nb iologíaC. adao rganismo desdel a cortezad e los árbolesh astae l espermah umano.
o bien esu na únicac élulao estáf ormadop or célulasP. or Uno de esosc ientíficosf ue Robert Hooke, conservador
lo tanto,ú nicamentep odremosa preciarla sc apacidadeys de instrumentosd e la RoyalS ocietyd e Londres.E n 1965,
las limitaciones de los organismosv ivos, tanto animales Hooke empleóu n microscopioc onstruidop or él mismo
como vegetaleos microorganismoss,i comprendemolsa para examinars eccionesfi nas de corcho cortadasc on un
estructuray la función de lasc élulas. cortaplumasO. bservóu nar edd ep equeñosc ompartimen-
Estamose n medio de una revoluciónd e la biologíaq ue tos en forma de cajaq ue le recordarona un panal.H ooke
ha traídoc onsigotr emendosa vancees n el entendimientod e denominó a esosp equeñosc ompartimentosc ellulaeu n
términod ell atín ques ignifica< pequeñahsa bitaciones>E.l
cómo estánc onstruidasla s célulasy de cómo realizanl as
término actuald e célulap roceded e estap alabra.
complicadafsu ncionesn ecesariapsa ral a vida.L anattraleza
En realidad,l o que Hooke observón o eranc élulass ino
dinámicad e la célulae sp articularmentes ignificativac, omo
Ias paredesc elularesv acíasd e un tejido vegetalm uerto,
sep one de manifiestop or su capacidadd e crecerr,e produ-
que esl o quer ealmentee sl a cortezad el os árboles.S in em-
cirsey especializarsye p, or su habilidadp arar espondear
bargo,H ooke no pensóe n sus cellulaec omo estructuras
estímulosy adaptarsae cambiose n el medioa mbiente.
muertasy a que él no entendíaq ue pudiesene starv ivas.
La propia biologíac elulare stác ambiandoa l tiempo
Aunques ed io cuentad e quel asc élulase n otros tejidosv e-
que científicosd e diversasd isciplinasr elacionadasd irigen
getalese stabanll enasd e lo que el llamó <jugos>p, refirió
suse sfuerzosh aciae l objetivoc omún de la adecuadac om-
concentrarseen lasp rominentesp aredesc elulareqs ueh a-
presiónd e cómo funcionanl asc élulasL. a convergencidae
bía encontradoi nicialmente.
la citologlal,a genéticay la bioquímicah a hechod el a bio-
Una de las limitacionesi nherentesa las observaciones
logíac elularm odernau na de lasd isciplinasm áse xcitantes
de Hooke consistee n que su microscopioa umentabaú ni-
y dinámicasd e la biologíac ontemporánea.
camente3 0 veceslo s objetosl,o cual dificulta el aprendizaje
En estec apítulot rataremosb revementelo s principiosd e dela organizaciónin terna de lasc élulasE. steo bstáculof ue
la biologíac elularc omod isciplinaL. uegoc onsideraremolass superadou nos añosm ást arde por Antonie van Leeuwen-
tresc orrientesp rincipalesq ueh an dadol ugara la compren- hoek, un comercianteh olandésq ue dedicó gran parte de
sión actuald e lo que son las célulasy de cómo funcionan. su tiempo libre a diseñarm icroscopiosV. an Leeuwenhoek
fabricó lentesp ulidas a mano que podían magnificar los
objetosc asi3 00v ecesU. tilizandoe stasle ntesm ásp otentes,
La teoría celular: una historia breve
fue el primero en observarc élulasv ivas,i ncluyendoc élulas
sanguínease, spermatozoidesy organismosu nicelulares
La historia de la biología celular comenzó hace más de 300 presenteesn el aguad el asc harcasC. omunicós uso bserva-
años cuando algunos científicos europeos comenzaron a cionesa la RoyalS ocietye nunas eried e artículosd urantee l
enfocar sus microscopios a diversos materiales biológicos, ultimo cuarto del siglo xvn. Sus descripcionesd etalladas
Lat eoríac elularu: nah istoriab reve
Ane xo
lJNronnES DE MEDTDAE N BIoLocÍA CELULAR
El desafíod e la comprensiónd e la estructuray organización Conociendoq ue realmentes ólo hay dos unidadesú tilesp ara
celulars ec omplicap or el problemad el tamaño.L a mayoríad e expresalra dimensiónd e la mayoríad e estructurasq ue nos
las célulasy suso rgánuloss on tan pequeñosq ue no puedens er interesany mediantel a ilustraciónd e diversase structurasq ue
observadosd irectamentep or el ojo humano.A demás,la s puedens erm edidasa propiadamentec on cadau na de esas
unidadese mpleadasp ara medirloss on poco familiaresp ara unidadesE. l micrómetro (¡¿m)e sl a unidad mású til para
muchose studiantes¡ por lo tanto, a menudo son difícilesd e expresare l tamañod e las célulasy de los orgánulosm ás
apreciarE. l problemap uedea bordarsed e dos maneras: grandes.1 ¡rm (algunasv ecesta mbiénl lamado miua)
'10
¡rm
Núcleos
f."')\
¿Ía'l
W
Mitocondria
@
Cloroplasto
Célulav egetal Célulaa nimal Bacteria
(20 x 30 ¡rm) (20p ,m) (1x 2 p.m)
Figura1 A.1 El mundod elm iclómetlo. Casit odasl asc élulasy algunosd e suso rgánulosm ás
grandesc,o moe l núcleom, itocondriasy cloroplastosso ne structuracso nd imensioneqsu e
puedenm edirsec onvenientemeneten micrómetros.
dan testimonio de la calidad de susl entesy de su profunda mayor capacidadd e aumento y a una mejor resolución,d e
capacidadd e observación. forma que se pudieron distinguir estructuras separadas
Dos factoresr estringieron la comprensión de la natura- únicamente por 1 micrometro (¡-rm).( Un micrómetro es
leza de las células.U no fue la resolución de los microsco- igual a 10-6 m, o a la millonésima parte de un metro; véa-
pios de la época, que era limitada incluso en los mejores seA nexo 1A para una discusión de las unidadesd e medida
instrumentos de van Leeuwenhoek.E l segundof actor,p ro- apropiadase n biología celular.)
bablemente más fundamental, fue la naturaleza esencial- El botánico iriglésR obert Brown, a¡rdado por la mejo-
mente descriptivad e la biología del siglo xvr. Éstaf ue bá- ra de las lentes,d escubrió que cada planta que observaba
sicamenteu na época de observación en la que se dedicó contenía una estructura redondeadaa la que élllamó nu-
poco esfuerzoa pensar en explicar los intrigantes detalles cleus,u n término latino derivado del germánico <kernel:
estructurales de los materiales biológicos, que estaban grano). En 1838,s u colegaa lemán Matthias Schleidena l-
empezando a residir en la capacidadd e las lentes del mi- canzólaimportante conclusión de que todos los tejidos ve-
croscopio. getalese stánc ompuestosp or célulasy de que un embrión
Pasóm ás de un siglo antes de que la combinación de vegetals eo rigina siemprea partir de una única célula.S ólo
microscopistasc on mentes más experimentalesj,u nto con un año más tarde Theodor Schwannc omunicó conclusio-
las mejoras de los microscopios,d ieran lugar a una seried e nes semejantesr espectoa los tejidos animales,d esechán-
avancesq ue culminaron en el entendimiento de la impor- dose así las especulacionesa nterioresd e que las plantas y
tancia de las célulase n la organizaciónb iológica. En Ia dé- los animalesn o sep arecene structuralmente.E s fácil com-
cada de 1930,l as mejoras en las lentes condujeron a una prender cómo se pudieron originar esase speculaciones.
Capítul1o Unav isiónd el ac élula
correspondea la millonésimap arte de I m. En generall as
célulasb acterianasti enenu n diámetrod e pocosm icrómetros,y
las célulasa nimalesy vegetalesso n de 10 a 20 vecesm ásg randes rfrtrffifftrilffir.J^_
en cualquierad e susd imensionesL. os orgánulosc omo
mitocondriasy cloroplastosti endena tener diámetroso süuügg1ügüM
longitudesd e unos pocosm icrómetrosy son por lo tanto
comparablese n tamañoa las célulasb acterianasc ompletasL. os Membrantaíp ica
orgánulosm ásp equeñose stánh abitualmentee n el rango de
0,2-l pm.C omo reglag enerals, i algo sep uedev er con un 25 nm- -l
microscopioó ptico,s usd imensionesp uedene xpresarse Ribosombaa cteriano
probablementee n micrómetros,y a que el llmite de resolución
del microscopioó ptico esa lrededord e 0,2-0,35¡ lm. La Figura
1A.l ilustra diversase structurasq ue usualmentes em iden en
t
micrómetros.
El nanómetro (nm), por otro lado esl a unidad ques ee mplea
param oléculasy estructurass ubcelulareqsu e son demasiado
I
pequeñaso demasiadod elgadasp ara sero bservadacso n un
T
microscopioó ptico. I nanómetroe su na billonésimap arte de 1
m (10-e).I micrómetroe si guala 1.000n anómetros(.U n
término alternativoa nanómetroe sp or lo tanto milimicra,mp). T
Como referenciae n la escalad e los nanómetrosu n ribosoma
tieneu n diámetrod e unos 25-30n m. Otrase structurasq ue
puedens erm edidase n nanómetross onl os microtúbulos, T
microfilamentosm, embranasy moléculasd e DNA' En Ia Figura
1A.2s ei ndicanl as dimerrsioneds e estase structuras.
Otra unidad usadaf recuentementee n biologla celulare se l 25 nm- ----J 7nm 2nm
ángstrom (A) que correspondea 0,1 nm. En particular,I as Microtúbulo Microfilamento Héliced e DNA
dimensionesm olecularess ee xpresanfr ecuentementee n
ángstrom.S in embargo,d ebido a que el ángstroms ed iferencia Figura1 A.2 Elm undod eln anómetlo' Losr ibosomasm, embranas,
del nanómetros olamentep or un factor de 10,a ñadep oca microtúbulosm, icrofilamentoys la dobleh éliced e DNA son
flexibilidadp ara expresiónd e dimensionesa nivel celulary por estructuracso n dimensioneqsu es ep uedenm edir
lo tanto no seráe mpleadoe n estet exto. convenientemeneten nanómetros.
Despuéds et odo,lasp aredesd el asc élulasv egefalecso nsti- 2. La célulae sl a unidad básicad e la estructurad e to-
tuyenb arrerase ntrel asc élulasq ues onv isiblesi nclusoc on dosl os organismos.
un microscopioo rdinario, mientrasq ue lasc élulasa nima- Menosd e 20 añosd espuéss ea ñadióu n tercerp rinci-
les,q ue carecend e paredc elular,s on mucho más difíciles pio. Éstes e generóa partir de la descripcióno riginal de
de distinguir en una muestrad e tejido. IJnicarnentec uan- Brown de los núcleos,s uplementadap or Kart Nágelip ara
do Schwanne xaminóc élulasd e cartílagos e convenciód e incluir suso bservacionesso brel anaturalezad e la división
las similitudesf undamentalese ntre los tejidos animalesy celular.H acia 1855,e l fisiólogoa lemánR udolf Virchow
vegetalesy,a quel asc élulasd el cartílagoa, l contrario quel a
concluyóq ue las célulass e generanú nicamentem ediante
mayorlad el asc élulasa nimalest,i enenl lmitesb ien estable-
la división de otrasc élulasp reexistentesV.i rchow describió
cidos por depósitosg ruesos de fibras de colágeno.
estac onclusióne n la ahoraf amosaf rased el latín omnisc e-
Schwannr eunió todas estaso bservacionese n una teorla
llula e cellula,c uya traducción se convierte en el tercer
unificadad e la organizaciónc elular,q ue seh a mantenido
principiod el a teorlac elularm oderna:
antel a pruebad el tiempo y que continúas iendol a based e
nuestro entendimientod e la importancia de las célulasy 3. Todasl as célglass eo riginan únicamentea partir de
de la biologíac elular. célulasp reexistentes.
La teoria celular tal y como fue originariamentep ostu- Asl, la célulan o ess ólo la unidad básicad e la estructu-
ladap or Schwannt iene dos principios importantes: ra de todosl os organismoss ino tambiénl a unidadb ásica
1. Todosl os organismosc onsistene n una o más cé- de reproducción.E n otras palabras,t odas las formas de
lulas. vida tienen una basec elular.E ntoncesn, o resultas orpren-
Lat eoríac elulanu nah istoriab reve
denteq ue el entendimientod e las célulasy de susp ropie- Los logros recientese n la rama de la genéticain cluyen
dadess eat an fundamentalp ara la apreciaciónc orrectad e la secuenciaciódne los genomasintegro(sto do el DNA) del
otrosa spectodse la biología. hombrey de otrase specieys e l clonaje(p roducciónd e or-
ganismosi dénticosg enéticamented) e mamíferosi nclui-
dos ovejasy gatos.
La emergencia de la teoría celular
El entendimientod e la biología celular actuals upone,
moderna por lo tanto,l a apreciaciónd e susd iversasra ícesy de la im-
portancia de las contribucionesq ue cada una de las co-
La teoríac elularm odernai mplica el entretejidod e tresh e- rrientesq ue la componenh an realizadop ara nuestro en-
braso ramasd iferentese n una única cuerda.C omo ilustra tendimiento de lo que una célula es y de lo que puede
la Figural .l, cadau na de estasra mast ieneo rígenesh istó- hacerA. continuacións ed iscuted e manerab revec adau na
ricos diferentesy, la mayor parte de su entrelazamientos e de lasc orrientesh istóricasd e la biologíac elulars i bien ob-
ha producido úriicamentee n los últimos 75 años. Cada tendremosu na apreciaciónm ásc ompletac uandoe xplore-
rama debes er apreciadain dependientementdee que cada mos diversosa spectosd e la estructura,l a función y Ia ge-
una aporta una contribución independientey significati- néticac elulare n otros capítulos.
va.L osb iólogosc elularesc ontemporáneodse benc onocer
adecuadamentec ada una de las ramas, independiente-
La ramad e la citologfae stud¡al a estructurac elular
mented e susi nteresesin mediatos.
La primera de esasr amash istóricase sl a citología, que Hablandoe strictamentela, citologíae s el estudiod e las
principalmente se preocupa de la estructura celular. (El células( de hecho,e l significadoli teral de la palabrag rie-
prefijo griego cyto-,a l igual que el sufijo -cito significac é- ga cytos< recipienteh ueco>,e ncajab ien con la impresión
lula). Como ya hemosv isto,l a citologíat iene suso rlgenes inicial de Hooke de las células).S in embargo,h istóri-
hacem ás de 300 añosy su desarrolloi nicial dependióe n camentel a citologías e ha ocupadop rincipalmented e
granm edidad el a microscopíaó ptica.L ai ncorporaciónd e estructurac elular,f undamentalmentea travésd el uso de
la microscopíae lectrónicay de diversasté cnicasó pticasr e- técnicasó pticas.A quí se describenb revementea lgunos
lacionadasc on éstah a conducidoa un considerablein cre- aspectosd e la microscopíaq ue han sido importantese n
mento de la actividady el entendimientod e la citolología. biologíac elularV. éasee l apéndicep arau na discusiónm ás
Lasc ontribucionesd e la bioquímica a nuestroe ntendi- detallada.
miento de la función celularr epresentala segundara ma.L a
mayorp arted e los avancees n estec ampos eh an producido Elm icroscopióop tico. El microscopioó ptico fue la prime-
en los riltimos 75 años,a unqued e nuevo,s uso rlgenesr e- ra herramientad e los citólogosy continúat eniendou n pa-
trocedenm ucho máse n el tiempo.E l desarrollod e técnicas pel fundamental en nuestra elucidaciónd e la estructura
comol a ultracentrifugaciónla, cromatografiay Ia electrofo- celular.L a microscopíaó ptica posibilitó a los citólogosl a
resis,h a sido especialmentiem portante para la separación identificación de estructurasr odeadasp or membranas
de los componentesc elularesy molecularesL. a utilización como núcleosm, itocondriasyc loroplasfoesn diversosd e ti-
de compuestosm arcadosra dioactivamenteen el estudiod e pos celulares.E stase structurass e denominan orgánulos
reaccionecsa talizadaesn zimáticamentye de rutasm etabó- (<pequeñoósr ganos>y) su presenciae su na característica
licash a supuestoo tra contribuciónm uy significativad e'la prominented e la mayorp arted e célulasa nimalesy vegeta-
bioqulmica a nuestro entendimientod e cómo funcionan les( peron o de bacterias).
lasc élulasE. n capítuloss ucesivodse tallaremosé stasy otras Otros avancess ignificativosi ncluyen la invención del
técnicasr elevantesc uandos u entendimientos ean ecesario micrótomo en 1870y la disponibilidadm, ás o menosa l
para explorard iversosa spectosd e la estructuray función mismo tiempo,d e diversosti ntesy colorantesU. n micróto-
celular.V éasela Guía de Técnicasy Métodosa djuntap ara mo esu n instrumentoq ue permite obteners eccionefsin as
Tocalizadr iscusionesso bret écnicase specíficas. a partir de muestrasb iológicas,n ormalmented espuésd e
La tercerar ama es la genética.S u recorrido histórico que éstash an sido deshidratadaes incluidase n parafinao
retrocedem ásd e 150a ñosh astaG regorM endel.S in em- plástico.L a técnicap osibilita la preparaciónr ápida y efi-
bargo,d e nuevo gran parte de nuestro entendimientoa c- ciented e seccionesfi nas de tejido de un grosoru niforme.
tual de la genéticah a surgidod urantel os últimos 75 años. Losc olorantesq,u eh and esempeñaduon papelt an impor-
La demostraciónd e que el DNA (ácido desoxiribonuclei- tante en la tinción y la identificaciónd e estructurass ubce-
co) es el portador de la información genéticae n la mayor lulares,f ueron desarrolladosp rincipalmentee n la segunda
parte de las formas de vida, y especificae l orden de subu- mitad del siglox x por químicosi ndustrialesa lemanestr a-
nidadesy, de ahí lasp ropiedadesd e lasp roteínasr esponsa- bajandoc on derivadosd el alquitrán.
bles de la mayoríad e las característicafsu ncionalesy es- Éstosy otros avancesre lacionadosj,u nto con la mejora
tructuralesd e lasc élulasc, onstituyóu n hito especialmente de la ópticay la generaciónd e lentesm áss ofisticadasc,o n-
importantee n'lar amad el a genética. dujeron a la microscopíaó ptica tan lejos como podía ir,
Capitul1o Unav isiónd el ac élula
cÉLULAB IoLÓG¡CA
Espectroscopidae masase mpleada Se desarrollala bioinformática
oarae studiaro roteomas Daraa nalizarl os datos de secuenciación
2000 Secuenciaciódne l genomah umano- Spae reamg pelneearl aa rei mstáegreeon-emstri cidrolmsceonpsíeiaol encatlreósnica
Utilizaciónd e la proteínaf luorescentev erde
Se clona la oveja Dolly
oara detectaro roteínasf uncionalese n célulasv ivas
AIleny Inouép erfeccionaron Producciónd e los primerosa nimalestr ansgénicos
la vídeo-microscopídae contraste
Se desarrollaronlo s métodos Heuser,R eesey colaboradoresd esarrollan
19 75 de secuenciaciódne l DNA last écnicasd el grabadop or congelación
Berg,B oyery Cohend esarrollan
last écnicasd e clonaciónd el DNA Se elucidae l códigog enético
Palade,S jostrandy Porterd esarrollan
Kornbergd escubrel a DNAp ollmerasa
técnicasd e microscopíeal ectrónica
Watsony Crickp roponenla dobleh élicep arae l DNA
19 50 Avery,M acleod y McCartym uestranq ue el Hersheyy Chasee stablecenq ue el DNAe s el materiagl enético
DNAe s el agented e transformaciógne nética
Claudea íslal as primerasfr accionesm ltocondriales
Krebsd escubree l ciclod e losT CA lnvenciónd el microscopioe lectrónico
Svedbergd esarrollal a ultracentrífuga Leveneo ostulao ue el DNAt iene
una estructurar epetidad e tetranucleótldos
1925 Embdeny Meyerhodf escriben
la víad e la glucolisis
Morgany colaboradoredse sarrollan
la genéticad e Drosophila
19 00 Corrensv,o nT schermayk d e Vries
Buchneyr Buchnedre muestralan Suttofno rmulala redescubrelans l eyesd e Mendel
fermentaciócno ne xtractocse lulares Se describe teorÍacr omosóm¡ca
el complejo !u^c tt^d hI t^g.t^g^t^ i^tuta
¡vlva lv}nvl'nvi'
Rouxy Weissman:
los cromosomass on
1875 lnvención portadoresd e la
del micrótomo informaciógne nética Miescherd escubree l DNé.
Mendelf ormulas us leyes
Pasteuurn eo rganismos Desarrolldoe Flemmlngid entifica fundamentaledse la genética
vivosa procesoes specíficos tintesy colorantes los cromosomas
Virchowc: ada KóllikerdescribeG ENÉTICA
18 50 célulap rocede las mitocondrias
de otrac élula en célulasm usculares
Scheleiden
y Schwannf ormulan
la teoríac elular
1825
Brownd escribe
losn úcleos
BIOQUIMICA
18 00
17 00
Van Leeuwenhoekm ejoral as lentes
Hooked escribel as .células"
16 00
CITOLOGiA
Figura1 .1 La línead el tiempo en biolo$a celular. Aunque la citología, la bioquímica y la genéticac omenzaron como disciplinas separadas,
seh an ido uniendo progresivamented esdee l segundoc uarto del siglo rr.
Lae mergencdieal at eoríace lulamr oderna
hastal os límites de la resolución determinadosp or la lon- i0 m
gitud de onda de la luz visible.T á1yc omo see mplea en mi-
croscopía, el límite de resolución hace referencia a cómo
de separadost ienen que estar los objetos adyacentesp ara
r' '.
ser distinguidos como entidades separadas.P or ejemplo, "'
Longitudd e algunas
afirmar que el límite de resolución de un microscopio esd e célulasn erviosas
400 nanómetros (nm) significa que los objetos necesitan ,y, *I. ,t^u^D.,utu^r-d^t^vJ
estar separadosa l menos 400 nm para ser reconocidos 0,1m
como entidadess eparadasm, ientras que una resolución de
200 nm significa que se pueden distinguir objetos separa-
dos tan sólo por 200 nm (un nanómefroe s 10 e metros;
1 nm : 0,001¿ rm).C uanto más pequeño ese l límite de re- 1 cm
solución de un microscopio, mayor es su poder de resolu-
ción. Expresadoe n términos de ,1,l a longitud de onda de la
luz usadap ara iluminar la muestra, el límite de resolución
1 mm
teórico para el microscopio óptico es d,eA l2. EI límite de
resolución parala luz visible, en un rango de longitudes de
onda de 400-700n m, es de alrededord e 200-300n m. La
Figura 1.2 ilustra el rango útil del microscopio óptico I roopm
compara su poder de resolución con el del ojo humano y el
del microscopioe lectrónico. Células
eucarióticas
Visualizaciódne célulasv ivas, El tipo de microscopía des- 10¡ rm
Núcleo
crito hastaa hora se denomina microscopíad e campoc laro,
Mayoría
porque la luz blancap asad irectamentea travésd e Ia mues- de bacterias
tra, Ia cual puede estart eñida o no, dependiendo de las ca- Mitocondria =
racterísticase structuralesq ue vayamosa examinar.U na li-
E.
mitación significativa de esta aproximación es que las F
muestrasd eben estar fijadas (preservadas)d, eshidratadas, LJIJ
LIJ
e incluidas en parafina o en plástico.L a muestra por lo tan-
to no estaráv iva, lo que conlleva la posibilidad de que al- ño-
gunas de las característicaso bservadasc on este método, U)
puedan ser artefactoso distorsionesd ebidasa l procesod e c
fijación, deshidratacióno de inclusión. Para solventare sta =
desventaja,s e han desarrollado diversast écnicas ópticas
especialesq ue hacenp osible observard irectamentec élulas
vivas. Entre éstas,s e incluyen la microscopía de contraste
de fase,l a microscopía de contraste de interferencia dife- Hequenas .41
v
renciall a microscopíad e fluorescencial,a microscopíac on- motecutas
focal y Ia videomicroscopía digital. La Tabla 1.1 muestra
imágeneso bservadasc on cada una de esast écnicasy las 0,1n m
compara con imágenes observablesc on microscopía de
Flgura1 "2 Microscopeíale ctrónicdae b anido. Seu tilizóu n
campo claro para muestras teñidas y sin teñir. Cada una microscopieol ectrónicdoe b arridop arav isualizacré lulads e
de estast écnicass e discutirá en el apéndice;e n este mo- neuroblastomhau mano( a)y un granod ep olen( b).
mento nos conformaremos con una breve descripción de
cadau na de ellas.
La microscopíad e contrasted e fase y de contrasted e in- que sep uede cambiar de un modo de uso a otro intercam-
terferenciad iferencialh acen posible observar claramente biando componentesó pticos.
célulasv ivas (véaseTabla1 . 1) . Estasd os técnicasi ncremen- La microscopíad ef luorescenciaposlbilitaa los investiga-
tan y amplifican los pequeños cambios de fase de la luz dores detectar proteínas específicasu otras moléculas al
trasmitida,c uando éstaa traviesau na estructuraq ue tiene hacerlasf luorescentesm ediante el acoplamientod e un co-
distinto índice de refracción que el medio que la rodea.L a Iorante fluorescente.S e puede estudiar la distribución de
mayoria de los microscopiosó pticos actuales,a demásd e la diferentest ipos de moléculase n Ia misma célula mediante
simple transmisión deluz, están equipados con contraste el uso simultáneo de dos o más de estosc olorantes,c ada
de fase y contraste de interferencia diferencial, de forma uno acopladoa un tipo de molécula.
Capítu1lo Unav isiódne l ac élula
Tabla1 .1 Comparacieónnt red istintotsi posd em ictoscopóiap tica
Campo claro (muestras in teñir): Contrasted e fase:i ncrementae l
la luz pasad irectamentea travésd e contrasted el asc élulass in teñir
la muestra;l a imagent ienep oco amplificando1 asv ariacionese n el
contrastea no serq ue seau na céiula índice de refracciónd entro de la
pigmentadao que set iña muestra;e se specialmentúet il para
examinarc élulasv ivass in
artificialmente.
pigmentación.
Campo claro (muestrat eñida): Contraste de interferencia
la tinción con diversosc oiorantes üferencial: empleat ambién
incrementae l contrastep ero los modificacionesó pticasp ara
protocolosd e tinción requierenq ue exageralra s diferenciasd e los
las célulase sténf ijadas índicesd e refracción.
(preservadas).
Fluorescenciam: uestraI a Confocal empleal uz lásery un
localizaciónd e moléculase specíficas sistemaó ptico especiapl ara
en la célula.L ass ustancias iluminar un único plano dentro de
fluorescenteasb sorbenr adiación la muestra.S eo btieneni mágenes
ultravioletay emitenl uz visible.L as únicamented e las regiones
moléculasfl uorescentepsu eden contenidase n una profundidad de
eústir de maneran atural en la foco estrechaL. asr egionesp or
muestra,p ero a menudos eg eneran encimay por debajod el plano de
uniendo coloranteso anticuerPos l_bUp m visión seleccionadoa parecene n
fluorescenteas lasm oléculasd e negroy no desenfocadas.
interés.
Fuente:tomadod e Campbelly Reec e,B iologfa,s extae dición (SanF ranciscoB: enjamínC ummings'2 002)'p . I l0
Una limitación inherentea la microscopíad e fluores- célulasd urantep eriodosp rolongadosd e tiempo,u sando
cenciae sq ue el observadorú nicamenteP uedee ñfocaru n nivelesm uybajosd e iluminación.E stai ntensificaciódne la
plano de la muestrae n un momento determinado,a unque imagen es particularmenter ltil para la visualizaciónd e
todo el espesodr e Ia muestrae mital uz fluorescenteC. omo moléculasf luorescentees n célulasv ivasc on un microsco-
consecuenciala, imagenv isible esb orrosap or la luz emiti- pio de fluorescencia.
da desder egionesd e la muestraP or encimay por debajo
delp lanod ef oco,loq ueh istóricamentleim itó estat écnica El micloscopieol ectlónico.A pesard e los avancese n las
al estudio de célulasa planadasc on un espesorm ínimo. técnicasó pticasy en el incrementoe n el contraste,I a mi-
Estep roblemas eh a solucionadoe n gran medidam edian- croscoplaó pticae stál imitada inevitablementep or el lími-
tela microscopícao nfocael n la que see mpleau n haz de luz te de resolución,d eterminadop or la longitud de ondad e la
láserp arai luminar en un momento determinadou n único luz empleadap aral a visualizaciónd e la muestra.I nclusol a
plano de la muestra.E sta aproximaciónc onfiere mucha utilización de radiación ultravioleta, con longitudes de
mejor resoluciónq ue la microscopíad e fluorescenciatra- onda más cortas,i ncrementanl a resoluciónú nicamente
dicional,c uandos ee mpleae n muestrasg ruesasc omo cé- por un factord e uno o dos.
lulasc ompletasA. demáse, l hazd el uz lásers ep ueded irigir El desarrollod el microscopio electrónico, inventado
secuencialmentae planosd e foco sucesivosg enerandod e en Alemaniae n 1932y ctryau tilización en estudiosd e bio-
esta forma seriesd e imágenesq ue se pueden combinar logía se extendióa principios de la décadad e los años5 0,
para obteneru na imagent ridimensionald e la célula. trajo consigou n adelantod ecisivoe n el poder de resolu-
Otro avancer ecientee n microscopiaó ptica esla video- ción. En lugar de luz visibley lentesó pticas,e l microscopio
microscopíadigitaql,u ee mpleac ámarasd ev ídeoy almace- electrónicoe mpleau n haz de electronesq ue esd esviadoy
namientoi nformático,ypermitee l procesamientdoe imá- enfocadop or un campoe lectromagnéticoD. ebido a quel a
genesd igitalizadasp arao ptimizar y analizati mágenesE. l longitudd eo ndad el ose lectroneess m uchom ásc ortaq ue
acoplamientod e cámarasd e vídeo de alta sensibilidadlu - la de los fotonesd e la luz visible,e l límite de resoluciónd el
mínica a los microscopiosh, acep osiblel a observaciónd e microscopioe lectrónicoe s mucho meior que el del mi-
Lae mergencdieal at eoríace lulamr oderna
croscopioó ptico:a lrededodr e 0,1-0,2n m parae l micros- Lasm uestrasq ues ep reparanp aram icroscopíae lectró-
copioe lectrónicoe n comparaciónc on2 00-350n m parae l nica debens ere xtremadamentfein as debidoa l bajo poder
microscopioó ptico. de penetraciónd e los electronesE. l instrumento que se
Pesea todo, el límite de resoluciónp rácticop aram ues- emplea para este fin se denomina ultramicrótomo.E stá
tras biológicasn ormalmenten o esm ejor de 2 nm, debido equipadoc on una cuchillad e diamantey puedec ortar sec-
a problemasd e contrastey de preparaciónd e la muestra. cionest an finas como 20 nm. Tambiéns ep uedene studiar
Sin embargoe, l microscopioe lectrónicot ienea lrededord e muestrass ustancialmentem ás gruesasm ediantem icros-
100v ecesm ásp oderd e resoluciónq uee l microscopioó p- copíae lectrónicap ero entoncese sn ecesariou n mayorv ol-
tico (véaseF igura1 .2).C omo resultado,lac apacidadú til tajep arai ncrementara decuadamenteel poder de penetra-
dea umentare st ambiénm ayor:h asta1 00.000ve cesp arae l ción de los electronesE. stos microscopioesl ectrónicods e
microscopioe lectrónicoc, omparadoc on 1.000-1.50v0e - alto voltajeusanv oltajesd e aceleraciónd e hastav ariosm i-
cesp arae l microscopioó ptico. lesd ek ilovoltios( kV), comparadocso ne l rangod e 50-1 00
Existend os diseñosb ásicosd e microscopioe lectróni- kV comúnmentee mpleadoe n la mayoríad e los instru-
co: el microscopio electrónicod e transmisión (TEM) y el mentosc onvencionalesC. on el instrumentod e alto voltaje
microscopio electrónico de barrido (SEM). Los dos se sep uedene studiars eccionedse h asta1 p rmd eg rosory esto
describend etalladamenteen e l apéndiceL.o sm icroscopios nos permite examinare n mayor profundidad orgánulosy
electrónicods e transmisióny de barrido son similaresy, a otrase structurasc elulares.
quea mbose mpleanu n hazd ee lectronesp,e rou sanm eca- Actualmentes ee mpleand iversasté cnicase specializadas
nismos diferentesp ara la formación de la imagen.C omo de microscopíae lectrónicad e transmisión,p ara las cuales
su nombre implica, el TEM forma la imagen a partir de sep reparanl asm uestrasd e forma alternativaE. ntree llass e
electronesq ue se transmiten a través de la muestra.E n incluyenl a tinciónn egativae, ls ombreado,lcar iofracturay el
cambio,e l SEMe scaneala superficied e la muestray forma grabadop or congelación,lacsu alesp ermitenl a visualización
una imagenp or a partir de los electroneds esviadods e la de muestrase n tres dimensionesL. a técnicad enominada
superficiee xternad e la muestra.L a microscopíae lectróni- ,estereo-microscoepleíac tróniceas u na técnicaa decuadap ara
ca de barrido es una técnícae specialmentee spectacular estep ropósitoy en ellal a muestrae sf otografiadad esded os
por la sensaciódne p rofundidadq ued a a lasm uestrasb io- ángulosli geramented iferentesu sandou n soporteq uep ue-
lógicas( Figura 1.3).L a mayor parte de las micrograflas de ser inclinado con respectoa l haz de electronesE. stas
electrónicasd e estel ibro han sido obtenidasm ediantel a técnicass ed escribene n detallee n el apéndice.
utilización del TEM o el SEM y se identifican al final de La microscopíae lectrónicah a revolucionadon uestro
cadap ie de figura mediantel a abreviaturad e tresl etras. entendimientod e Ia arquitecturac elularh aciendop osible
(a)C éluladse neuroblastomhuam ano ' Sopm (b) Granod e polen - 10lrm-"------t
Figura1 .3 Microscopeíale ctrónicdae b anido,Seu tilizó un microscopio electrónico de barrido para visualizar célulasd e neuroblastoma
humano( a) y un granod e polen( b).
Capítul1o Unav isiónd el ac élula
investigacioneus ltraestructuralesd etalladasA. lgunos or- cesp or las vías metabólicasq ue llevan sus nombres.P or
gánulos( como los núcleoso las mitocondrias) son sufi- ejemplo,l a vla Embden-Meyerhodfe la glucolisiss upuso
cientementeg randesp ara ser observadosc on un micros- un gran triunfo de la investigaciónd e los principios de los
copio óptico pero puedens er estudiadosc on mucho más años 30. Poco despuésf ue seguidop or el ciclo de Krebs
detalle con un microscopio electrónico'A demás,l a mi- (también conocido como el ciclo de los TCA). Estasd os
croscopíae lectrónicah a puestod e manifiestol a existencia vías son importantesp or su implicacióne n el proceso
de estructurasc elularesq ue son demasiadop equeñasp ara mediantee l cuall asc élulaso btienene nergíaa partir de sus.
sero bservadaas microscop ia óptica.E stasin cluyenr iboso- nutrientes. Aproximadamente al mismo tiempo, Fritz
mas,m embranas,m icrotúbulos y microfilamentos( véase Lipmann, un bioquímico americano, describió que el
Figura1 A.2e np ágina3 ). compuestod e alta energíaa denosinatr rfosfato( ATP)e s el
principal compuestod e almacenamientod e energíae n la
mayoríad e lasc élulas.
La bioquÍmicae stud¡ala químicad e la estructuta Cuando se empezaron a usar isótopos radioactivos
y la funciénb iológica como 3H, lac o 32Pp anam aÍcar el destino de átomosy
En el momento en el que los citólogose stabanc omenzan- moléculase specíficasse p rodujo un avanceim portante en
do a explorar la estructurac elular con sus microscopios, el estudiod e las reaccionesy las víasb ioqulmicas.( Como
otros científicose stabanh aciendoo bservacionesq ue co- podrá recordard e la química,d istintos átomosd e un ele-
menzarona explicary a clarificarl a función celular.G ran mento puedent ener el mismo número atómicoy casip ro-
parte de lo que ahoras ed enominab ioquímicap roceded e piedadesid énticasp ero diferir en el número de neutrones
un descubrimientod escritop or el químico alemánF rie- ¡ por lo tanto,e n el pesoa tómico;w isótopos er efierea los
drich Wóhler en 1828.W óhler fue contemporáneo(a sí átomosc on un número específicod e neutronesy con ello
como compatriota)d e Schleideny SchwannÉ. l revolucio- un pesoa tómico particular.U n isótopo radioactivo,o ra-
nó nuestrop ensamientoa cercad e la biologíay la química dioisótopoe, s un isótopo inestable,q ue emite partículas
mediantel a demostraciónd e que la urea, un compuesto subatómicas[p artículasa lfao beta] y en algunosc asosr' a-
orgánicod e origen biológico,p odría ser sintetizadae n el yos gamma, mientras se convierte espontáneamentee n
laboratorio partiendo de un material inorgánicoc omo el una forma estable.)M elvin Calvin y susc olegasd e la Uni-
cianato de amonio. Hasta entonces's e habla mantenido versidadd e California en Berkeleyf ueron pionerose n este
que los organismosv ivos constitulan un mundo aislado, campo altrazare l destinod el dióxido de carbonom arcado
no gobernadop or lasl eyesd e la químicay de la flsica,q ue con i4C, r4CO2e, n algasi luminadasq ue estabant ealizan-
rigen el mundo inerte. Mediantel a demostraciónd e que do la fotosíntesisa ctivamenteS. ut rabajo,d esarrolladoa fi-
un compuestoh echop or organismosv ivos -<bioqulmi- nalesd el osa ños4 0y principiosd el os5 0,c ondujoa la elu-
co>- podría ser sintetizadoe n un laboratorio igual que cidación del ciclod e Calvin,n ombre que recibel a vía más
otros compuestosq ulmicos, Wóhler ayudó a romper la común del metabolismof otosintéticod el carbono.E l ciclo
distinciónc onceptuael ntrel os mundosv ivo e inertey a di- de Calvin fue la primera vla metabólicad escubiertam e-
siparl a nociónd e quel osp rocesobsi oquímicose staband e diantee l usod e un radioisótoPo.
algunaf orma exentosd e las leyesd e la químicay la física. La bioquímicad io otro gran pasoa delantec on el de-
Otro gran avancev ino 40 añosm ást arde,c uandoL ouis sarrollo de la centrifugaciónc omo método para separary
Pasteuru nió la actividadd e los organismosv ivos a Proce- aislare structurass ubcelulareys macromoléculase n basea
sos especlficosm, ostrando que para llevar a cabo la fer- su tamaño, forma, y/o densidad,p roceso denominado
mentación del azlcar en alcohole rann ecesarialse vaduras fraccionamiento subcelular. Las técnicasd e centrifuga-
vivas.E stao bservaciónf ue seguidae n 1897p or el descu- ción usadasp arae steo bjetivoi ncluyenl a centrifugaciónd i-
brimiento de Eduardy Hans Buchnerd e que la fermenta- ferencialy la centrifugacióne n gradiented e densidad,q u.e
ción podía tener lugar también a partir extractosd e leva- separano rgánulosy otras estructurass ubcelularees n base
duras, es decir, las células intactas no eran necesarias. a diferenciase n tamañoy /o densidad,ylac entrifugacióne n
Inicialmente,e stose xtractoss ed enominaron< fermentos>, equilibriod e densidade,s u na técnicap oderosap aras epa-
pero gradualmentes ef ue clarificandoq ue los agentesa cti- rar orgánulosy macromoléculase n basea las diferencias
vos en los extractose ran catalizadorebsi ológicose specífi- de densidadC. adau na de estasté cnicass ed escribed etalla-
cosq ue desdee ntoncess eh an denominadoe nzimas' damentee n el Anexol2Ae n lasp áginas3 22-326L. a ultra-
En lasd écadasd e 1920y 1930s ep rodujo un progreso centrífuga,d esarrolladae n Sueciap or TheodorS vedberga
significativoe n nuestroe ntendimientod e la función celu- finalesd e los años2 0, ese specialmentúet il para la resolu-
lar al elucidar las vías bioquímicasd e la fermentacióny ción de pequeñoso rgánulosy macromoléculasU. na ultra-
otrosp rocesosc elularesre lacionadosE.s tep eriodoe stuvo centrífugae s capazd e desarrollarv elocidadesm uy altas
dominado por los bioquímicos alemanesc omo Gustav -más de 100.000rp m- y puedep or lo tanto someterla s
Embden,O tto Meyerhof,O tto Warburgy HansK rebs.A l- muestrasa fuerzasq ue superan5 00'000v ecesla fuerzad e
gunosd e ellos han quedadoi nmortalizadosd esdee nton- la gravedad( g). En gran medida la ultracentrífugae s tan
Lae mergencdieal at eoríace lulamr oderna