Histología 2000

¿Qué es la histología?

De acuerdo con la traducción literal, lapalabra histología significa “el estudio deltejido” y se refiere al análisis de la compo-sición microscópica y la respectiva funcióndel material biológico. Las primeras inves-tigaciones histológicas fueron posibles apartir del año 1600, cuando se incorporó elrecientemente inventado microscopio a losestudios anatómicos. La anatomía, que esel estudio de la forma y la estructura de losorganismos vivos, comienza entonces a di-vidirse de manera gradual en anatomía ma-croscópica, que comprende las estructurasobservables a simple vista, y anatomía mi-croscópica, que requiere el uso de auxilia-res ópticos.

Marcello Malpighi es el fundador de lahistología y su nombre aún está ligado a va-rias estructuras histológicas. En 1665, Hoo-ke descubre que el tejido vegetal está com-puesto por pequeñas cámaras, a las que de-nomina células (lat. cella, pequeña habita-ción o cámara), mientras que el núcleo ce-lular o núcleo (lat. original nuculeus, semi-lla de una nuez pequeña, la núcula; gr. kar-yon) recién se descubre poco después de laintroducción de microscopios compuestosmejorados, alrededor del año 1830. Esteadelanto técnico pronto conduce a la gene-ralización más básica de la ciencia biológi-ca, la teoría celular, desarrollada en 1838por Schleiden para el reino vegetal, y en1839 por Schwann para el reino animal. Esel reconocimiento de que la célula es el ele-mento fundamental del organismo, al que,en última instancia, se deben trasladar to-dos los procesos vitales, y que las plantas ylos animales son agrupaciones de estas uni-dades vivas potencialmente independien-tes. En consecuencia, a partir de entonces elestudio de la célula o citología (gr. kytos, es-pacio hueco o celda) pronto se transformóen una importante rama de la investigaciónmicroscópica. Pocos años después se des-cubrió que las células siempre se formanpor división de otras células y que el proce-so se origina en el núcleo. Virchow confir-mó este hallazgo en la famosa teoría omniscellula e cellula (toda célula se origina deotra célula). Casi en la misma época se arri-

bó a la importante conclusión, aún actual,de que sólo existen 4 tejidos fundamenta-les, es decir tejido epitelial, tejido conecti-vo, tejido muscular y tejido nervioso.

De acuerdo con lo expuesto, gradual-mente quedó claro que la célula es el ele-mento fundamental de los organismos vi-vos. El tejido se forma por la agrupación decélulas con la misma función. Los órganosson unidades funcionales mayores, com-puestas por distintos tipos de tejido, porejemplo, el hígado y el bazo. Los sistemasde órganos comprenden varios órganos confunciones relacionadas, por ejemplo, elaparato respiratorio, formado por la nariz,la laringe, la tráquea, los bronquios y lospulmones. Por último, los sistemas difusosdefinen grupos celulares con funciones re-lacionadas, localizadas en varios órganosdistintos, por ejemplo, el sistema inmune.Si bien por su etimología la palabra histolo-gía significa estudio de los tejidos, la asig-natura histología incluye, además, la estruc-tura de las células y de los órganos, es de-cir, el estudio de las células o citología, elestudio de los tejidos o histología propia-mente dicha y el estudio de la estructura delos órganos o histología especializada.

Distintos adelantos técnicos han permiti-do un desarrollo casi explosivo de la inves-tigación histológica. En el próximo capítulose verán algunos de ellos, por ejemplo, lamicroscopia electrónica, la radioautografía,el fraccionamiento celular, la inmunohisto-química y la reciente tecnología genéticacon hibridación in situ. Aquí sólo se desta-cará que su aplicación ha revolucionadopor completo los conocimientos y la com-prensión de la estructura y la función másminuciosas, a nivel molecular. Mientrasque se puede considerar que la palabra cito-logía se refiere con preferencia a la estruc-tura celular, las muchas técnicas recientes,y en especial las aplicaciones combinadas,crean una nueva asignatura interdisciplina-ria, la biología celular, que integran la es-tructura, la bioquímica, la fisiología y la ge-nética a nivel celular.

En gran parte debido a este reciente de-sarrollo a nivel de investigación, la histolo-gía ocupa un lugar central en la educacióny la investigación médicas. Al explicar las

C A P Í T U L O 1 INTRODUCCIÓN 1

1 Introducción“Cuando se es muy joven y se sabe un poco, las montañas son montañas, el agua

es agua y los árboles son árboles. Cuando se ha estudiado y se es leído, las montañasya no son montañas, el agua ya no es agua y los árboles ya no son árboles. Cuandose es sabio, nuevamente las montañas son montañas, el agua es agua y los árbolesson árboles.”

Antiguo refrán del budismo Zen.

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Histología ©2000. Editorial Médica Panamericana

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interrelaciones entre las células, los tejidosy la estructura y la composición molecularde los órganos, la histología representa elnexo de unión entre la bioquímica, la fisio-logía y la genética, por un lado, y los pro-cesos patológicos y la clínica, por el otro.

¿Qué es una célula?

A continuación se intentarán explicarbrevemente las propiedades biológicas y es-tructurales generales de las células, antesde analizarlas con mayor detalle en los pró-ximos capítulos.

La sustancia viva presente en los vegeta-les y los animales se denomina protoplas-ma (gr. protos, primero; plasma lo forma-do), por lo tanto, la célula es la mínima por-ción de protoplasma que posee existenciaindependiente. Los organismos animalesmás simples, los protozoos (gr. zoon, ani-

mal), están formados por una única célula,pero todos los animales superiores pertene-cen a los organismos multicelulares o meta-zoos (gr. meta, posterior; los metazoos apa-recieron con posterioridad a los protozoos,en la evolución), que se pueden considerarcomo un “estado” de células individuales.

La sustancia viva de la célula o proto-plasma incluye el núcleo, compuesto pornucleoplasma, y el protoplasma circundan-te o citoplasma (fig. 1-1). Toda la célula es-tá rodeada por una membrana muy delgadade protoplasma especializado, la membra-na celular o plasmalema (gr. lemma, mem-brana), que determina los límites de la célu-la como unidad estructural. Del mismo mo-do, el nucleoplasma se mantiene separadodel citoplasma por medio de una membra-na de protoplasma especializado, la mem-brana nuclear o nucleolema.

El núcleo y el citoplasma contienen va-rias estructuras identificables con el mi-croscopio óptico, denominadas organelas einclusiones. Se considera a las organelascomo los órganos internos pequeños de lacélula. Son unidades de protoplasma espe-cializado, con funciones celulares específi-cas. Algunos ejemplos de organelas cito-plasmáticas son las mitocondrias (produc-ción de energía), el ergastoplasma (síntesisde proteínas) y el aparato de Golgi (depósi-to de sustancias de secreción), mientrasque el nucléolo (cuerpo nuclear) es una or-ganela nuclear (fig. 1-2). Las inclusionesson prescindibles y a menudo componen-tes celulares temporarios, que sintetiza lamisma célula o son captados del medio cir-cundante, por ejemplo, depósitos de nu-trientes y pigmentos.

El resto del citoplasma, que rodea lasorganelas y las inclusiones, aparece poco

2 INTRODUCCIÓN C A P Í T U L O 1

Plasmalema

Citoplasma

Nucleolema

Núcleo

Fig. 1-1. Dibujo esquemático de una célula.

Mitocondrias

Cromatina

Nucléolo

Ergastoplasma

Gotas de grasa

Gránulo de secreción

Aparato de Golgi

a b

Fig. 1-2. Ejemplos de or-ganelas e inclusiones.a es un fibroblasto (célulade tejido conectivo) y b esuna célula secretora pan-creática. (Según Giese.)

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estructurado con el microscopio óptico yse denomina citosol.

Forma y tamaño de las células

Los mamíferos están formados por grancantidad de distintos tipos celulares, cadauno con funciones específicas. La espe-cialización funcional causa las correspon-dientes diferencias de aspecto, que permi-ten identificar los distintos tipos celularesmediante el microscopio, según se verámás adelante. Aquí sólo se presentan lasvariaciones de forma y de tamaño.

Forma. La relación entre forma y fun-ción se observa con mayor claridad en lascélulas nerviosas, que poseen largas pro-longaciones (en algunos casos, con longi-

tud superior a un metro) con las cuales lo-gran hacer contacto con células muy aleja-das, a las que afectan a pesar de la aprecia-ble distancia que las separa. Otro ejemploson las células musculares, muy alargadas,que cuando se contraen permiten un nota-ble acortamiento longitudinal (fig. 1-3).

Sin embargo, la forma de las células noestá condicionada sólo por su función. Enun medio líquido, muchas células adoptanuna forma redondeada o esférica. Cuandolas células se encuentran en masas com-pactas, por ejemplo, en los epitelios o el te-jido adiposo, su forma aparece afectada porla presión ejercida por las células circun-dantes, igual que en las burbujas de jabón.En consecuencia, adoptan la forma polié-drica, es decir, con muchas caras. Algunascélulas no presentan una forma constante,sino que la modifican con frecuencia, porejemplo, algunos de los leucocitos.

Tamaño. También el tamaño de las dis-tintas células es muy variable (fig. 1-3). Eltamaño promedio de la mayoría de las cé-lulas varía entre 10-60 μm (1 μm =1/1.000 mm, véanse cuadro 1-1 y fig. 1-4),si bien las más pequeñas (eucariotas) tie-nen un diámetro de 4 μm. Algunos gruposanimales poseen células de mayor tamañoque otros, por ejemplo, los anfibios pre-sentan células grandes, mientras que losmamíferos tienen células relativamentepequeñas. No existe relación entre el ta-maño de un animal y el tamaño de las cé-lulas que lo componen.


Células procariotas

Si bien los temas tratados en el restodel libro se refieren a células nucleadaso eucariotas (gr. eu, bueno, verdadero;karyon, semilla), cabe destacar que lascélulas anucleadas o procariotas (gr.protos, primero) han desempeñado unpapel muy importante en la investiga-ción de la biología molecular celular. Lascélulas procariotas incluyen las bacte-rias y cianobacterias (antes denomina-das algas verdeazuladas), que son célu-

las pequeñas, más primitivas, que care-cen de núcleo celular. El DNA está com-puesto por una única molécula circular,sin proteína histona asociada. Se en-cuentra en contacto directo con el restodel protoplasma, que carece de organelaslimitadas por membrana, tales como mi-tocondrias o aparato de Golgi. El nombreprocariota se debe a que este tipo celularapareció antes que las eucariotas en lahistoria de la evolución.

Fig. 1-3. Dibujo esquemático que ilustra la va-riación de las células en cuanto a forma y ta-maño. Todas las células están dibujadas con elmismo aumento (×900). La circunferencia exte-rior corresponde al tamaño de un oocito humanomaduro. Dentro del círculo se distinguen: a, unespermatozoide; b, un adipocito; c, un fibroblas-to; d, un eritrocito; e, un leucocito; f, una célulade músculo liso; g, una neurona; h, una célulade sostén del tejido conectivo. (Según Windle.)

a

b

c

d

e

f

g

h

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Características fisiológicas de las células

Las células poseen propiedades funda-mentales, denominadas vitales (lat. vita, vi-da), porque precisamente son expresión deque las células son cosas vivas, no inanima-das. A continuación se verán algunas gene-ralidades sobre estas propiedades fisiológi-cas (es decir, funcionales normales) o “ex-presiones vitales”. En un organismo animalpluricelular (se considera que el hombre,por ejemplo, está compuesto por alrededorde 1014 células) la considerable especializa-ción de los distintos tipos celulares implicaque no todas estas propiedades estén pre-sentes en la totalidad de las células. Por lotanto, el elevado nivel de desarrollo de unafunción en un determinado tipo celular amenudo se produce en detrimento de otraspropiedades.

Absorción. Representa la capacidad ce-lular de captar sustancias del medio circun-dante.

Secreción. Ciertas células están capacita-das para transformar las moléculas absorbi-das en un producto específico, que luego eseliminado bajo la forma de secreción.

Excreción. Las células pueden descartarlos productos de desecho formados por susprocesos metabólicos.

Respiración. Las células producen ener-gía mediante la utilización del oxígeno ab-sorbido en la oxidación de los nutrientes.Esta degradación de los alimentos, que con-sume oxígeno, se denomina respiración ce-lular.

Irritabilidad. Es la capacidad de la célu-la de reaccionar ante un estímulo, porejemplo la luz, o una acción mecánica oquímica. Todas las células son irritables,pero esta propiedad está más exacerbada enlas células nerviosas.

Conductividad. Una de las posibles reac-ciones ante un estímulo irritante es la for-mación de una onda excitatoria o impulso,que se extiende desde el punto de irritaciónhacia toda la superficie de la célula. La ca-pacidad de transmitir un impulso se deno-mina conductividad. La irritabilidad y laconductividad son las principales propie-dades fisiológicas de las células nerviosas.

Contractilidad. Se designa así la capa-cidad de la célula de acortarse en una di-rección determinada, como reacción anteun estímulo. La contractilidad es una ca-

racterística especial de las células muscu-lares.

Reproducción. Las células poseen la ca-pacidad de renovarse por crecimiento ydivisión. El crecimiento celular está limi-tado por la síntesis de una mayor cantidad


Fig. 1-4. Este dibujo es-quemático orienta al lec-tor sobre la relación delos tamaños en biología.(Según Garven.)

1 mm = 103 µm = 106 nm = 107 Å

10–3 mm = 1 µm = 103 nm = 104 Å

10–6 mm = 10–3 µm = 1 nm = 10 Å

10–7 mm = 10–4 µm = 10–1 nm = 1 Å

µm = micrómetro nm = nanómetro Å = Ångstrøm Cuadro 1-1.Unidades histológicas de medición.

·1

×1

1 cm

Hipófisis

×10

×100

100 μ

Oocito

×1.000

10μ

Eritrocito

1 mm

Vellosidadintestinal

×10.000

1μ

Longitudesde ondavisibles

×100.000

0,1μ

Virus

×1.000.000

0,01μ

Proteínas globulares yfilamentosas

×10.000.000

0,001μ

Anillo debenceno

×100.000.000

0,0001μ (1 Å)

Átomo decarbono

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de sustancia celular, mientras que median-te la división celular se generan célulasnuevas, por partición de las ya existentes.

Componentes químicos de las células

En última instancia, las propiedades delas células vivas están limitadas por las ca-racterísticas de las moléculas que las com-ponen. Por lo tanto, como conclusión deeste capítulo de introducción, se analiza-rán brevemente las propiedades químicasbásicas de la célula, para lograr la necesa-ria comprensión de las relaciones biológi-cas celulares y moleculares más complejas,que se verán más adelante.

Los componentes químicos de la célulase pueden dividir en inorgánicos (agua ysales) y orgánicos (proteínas, hidratos decarbono, lípidos y ácidos nucleicos). Lamayor parte de la célula está compuestapor agua (70-80%), mientras que casi la to-talidad del resto está formado por com-puestos orgánicos (sólo alrededor del 1%es material inorgánico).

Agua. Como ya se mencionó, la mayorparte de la célula es agua. Es indispensa-ble, dado que casi todas las reacciones quí-micas y, en consecuencia, las actividadescelulares, se producen en medio acuoso.Esto se debe a una de las propiedades másimportantes y básicas del agua, la capaci-dad para actuar como solvente de sustan-cias con carga y polares, lo cual, a su vez,se relaciona con el pequeño tamaño de lamolécula de agua y su fuerte polaridad.

La polaridad de la molécula de agua per-mite que penetre entre los iones u otrasmoléculas polares de las sustancias sólidasy se forme una cubierta en la superficie delas demás moléculas o iones, por lo que seproduce una fuerte disminución de laatracción entre estos últimos. De esta ma-nera se separan y se disuelven. La polari-dad de las moléculas de agua contribuyetambién a que se formen múltiples enlacesde hidrógeno con las moléculas de agua ve-cinas (entre los átomos de oxígeno, concarga relativamente negativa, y los átomosde hidrógeno, relativamente positivos, delas moléculas adyacentes). De este modo,en todo momento, cada molécula de aguaforma 3 enlaces de hidrógeno con las molé-culas vecinas de agua en estado líquido, loque crea un reticulado tridimensional demoléculas de agua, con uniones muy fuer-tes. En consecuencia, las sustancias no po-lares, que carecen de sitios con carga, no sepueden adosar al reticulado de las molécu-las de agua, por lo que no se disuelven. Si,por el contrario, las moléculas que intentanpenetrar en el reticulado de moléculas deagua poseen sitos polares o con carga, com-petirán en atracción con las moléculas deagua, por ende, el reticulado se puede abrir

y formar un espacio alrededor de la molé-cula polar. Los compuestos con enlaces so-lubles en agua, como por ejemplo las sus-tancias polares, también se denominan hi-drófilos (gr. hydro, agua; filein, amor),mientras que las sustancias no polares, nosolubles en agua, se denominan hidrófobas(gr. fobos, temor). Si gran cantidad de sus-tancias no polares, hidrófobas, se colocanen agua, las moléculas presionadas intenta-rán unirse y formar esferas para disminuirla superficie que está en contacto con elagua. Este fenómeno se denomina atrac-ción hidrófoba o no polar. Se observa confacilidad si se intenta mezclar, por ejem-plo, aceite con agua por agitación en unabotella. El aceite no es soluble en agua y seagrupa en gotas redondas. Este tipo demezcla inestable de dos líquidos no misci-bles, también se denomina emulsión. Si sedeja en reposo la botella, después de la agi-tación, se unen las gotas y muy pronto sesepara el agua del aceite, para formar doscapas, la superior de aceite debido a su me-nor densidad. También contribuye confuerza a las propiedades del agua como sol-vente la capacidad de las moléculas deagua para formar con facilidad enlaces hi-drógeno con otras sustancias. Como se ve-rá más adelante, estas relaciones entreagua y moléculas polares y no polares tie-nen gran importancia para la estructura delas células, en especial para las propieda-des de la membrana.

La gran fuerza de atracción entre las mo-léculas de agua es causal de la gran capaci-dad de acumular calor que tiene el agua,dado que el calor entregado primero deberomper los enlaces hidrógeno, antes de queaumente la temperatura. Este proceso esmuy importante para la estabilización de latemperatura de las células. La gran tensiónsuperficial del agua también se debe a launión entre las moléculas. Por último, nose debe olvidar que las moléculas de aguaintervienen directamente como reactantesen numerosas reacciones enzimáticas.

Sales. Los iones de las sales mineralestienen gran importancia en el manteni-miento de la presión osmótica dentro dela célula. Las concentraciones intracelula-res difieren de las del líquido extracelular.Es especialmente característico que la cé-lula posee una elevada concentración deK+ y Mg++, mientras que Na+, Ca++ y Cl–

aparecen sobre todo en el líquido extrace-lular. La mayor concentración de anionescelulares corresponde al fosfato. Ciertosiones inorgánicos son cofactores impres-cindibles de procesos enzimáticos, porejemplo, los iones de calcio.

Proteínas. Las proteínas (gr. proteios,de primer orden) tienen importancia fun-damental en la estructura y la función delas células y del organismo como unidad.


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Enlaces químicos y polaridad

Se denomina enlace químico a lasfuerzas que mantienen unidos los áto-mos de las moléculas.

Las uniones electrostáticas (tambiéndenominadas enlaces ionógenos) se pro-ducen cuando un ion o un grupo de io-nes son atraídos por un ion o un grupode iones con carga opuesta. Se forma union cuando un átomo libera o capta elec-trones y se forma así una carga eléctrica.Si el átomo libera uno o más electronesse forma un catión con carga positiva,por ejemplo Na+, debido al exceso deprotones con carga positiva en el núcleorespecto a la cantidad de electrones concarga negativa que rodean el núcleo. Porel contrario, si un átomo capta uno o máselectrones, se forma un anión con carganegativa, por ejemplo, Cl–, en este casodebido al exceso de electrones negativosrespecto a los protones positivos. Porejemplo, en condiciones adecuadas, union sodio cede con facilidad un únicoelectrón a un átomo de cloro, para for-mar los iones Na+ y Cl–. La carga opuestade los dos iones produce una atracción,un enlace electrostático o ionógeno, quelos mantiene unidos para dar NaCl en es-tado sólido. Las uniones electrostáticasson los enlaces químicos más fuertes. Serequieren alrededor de 320 kilojoule (kJ)por mol para romper el enlace entre losiones formados en sustancias sólidas ocristales. Si hay otras moléculas carga-das presentes, éstas son atraídas por lascargas opuestas y se forma una cubiertaprotectora alrededor de los iones. Laatracción entre los iones se debilita debi-do a esta cubierta, lo cual facilita la sepa-ración. Este proceso es muy notable enlas moléculas de agua, debido a sus pro-piedades polares (véase más adelante), ysólo se requieren alrededor de 8 kJ/molpara romper los enlaces electrostáticoscuando los iones están recubiertos poruna capa superficial de moléculas deagua. Esto explica por qué los iones se se-paran con facilidad en un medio acuosoy se disuelven para formar iones libres.

Enlaces covalentes. Como se vio antes,al formarse las uniones electrostáticas seceden y se captan electrones. Para crearlos enlaces covalentes, los átomos com-parten electrones. El ejemplo más simplelo representa la formación del hidrógenomolecular, H2, a partir de dos átomos delelemento. Si dos átomos de hidrógeno seacercan lo suficiente, el resultado puedeser que los dos electrones provenientesde los átomos de hidrógeno en conjuntocompleten la órbita electrónica, que pasa

a rodear ambos átomos. Cuando esta órbi-ta electrónica interna se completa, se es-tabiliza, desde el punto de vista energéti-co, por lo que los átomos de hidrógenoquedan unidos, es decir, se produce unenlace covalente. La fuerza de los enlacescovalentes es muy variable, pero, por logeneral, son relativamente estables (se re-quieren alrededor de 200-450 kJ/mol pa-ra romper un enlace covalente). Los elec-trones siempre se comparten de a paresen este tipo de enlace. Si se comparte unpar de electrones se produce un enlacesimple; si se comparten dos electrones,se forma un enlace doble. Un enlace co-valente se indica con dos puntos (H:H) ocon un guión entre los símbolos de losátomos (H-H). Desde el punto de vistabiológico tiene especial importancia lacapacidad del átomo de carbono de for-mar distintos enlaces covalentes (comotiene 4 electrones no apareados en la ór-bita electrónica externa, puede comple-tarla hasta alcanzar un nivel de energíaestable y formar cuatro enlaces covalen-tes). En consecuencia, los átomos de car-bono se pueden unir en cadenas o en es-tructuras ramificadas, que forman la “co-lumna vertebral” de infinidad de molé-culas biológicas. En estas moléculas sue-len aparecer átomos de hidrógeno, oxíge-no, nitrógeno y azufre, con gran capaci-dad para formar enlaces covalentes; así,es típico un compuesto que presenta dosenlaces con hidrógeno, tres con nitróge-no y dos con azufre.

Se produce polaridad cuando loselectrones de un enlace covalente no secomparten de modo equivalente entrelos dos átomos involucrados. Esto impli-ca que, en su movimiento orbital, los pa-res de electrones compartidos son atraí-dos con mayor fuerza por uno de los nú-cleos atómicos y, por lo tanto, permane-cen más tiempo cerca de éste. Este hechoproduce una carga negativa sobre el áto-mo en cuestión, mientras que, en con-traste, el átomo que debe prescindir delos electrones durante períodos más pro-longados adquiere una carga ligeramentepositiva. En consecuencia, toda la molé-cula compuesta por los átomos presenta,de acuerdo con la posición de éstos, ex-tremos con positividad y negatividad re-lativas. Este tipo de moléculas se deno-minan polares, mientras que las molécu-las sin cargas relativas positiva y negati-va se denominan no polares o apolares.

Como se verá más adelante, la apari-ción de enlaces polares y no polares jue-ga un papel esencial en el contexto bio-

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lógico. Por ejemplo, las importantes pro-piedades del agua se deben a que susmoléculas son muy polares. En todo mo-mento, los electrones compartidos de lamolécula de agua se encontrarán máscerca del núcleo de oxígeno, por lo queéste adquiere una carga relativa negativay, en contraste, los átomos de hidrógenoadquieren carga relativa positiva. Dadoque, al mismo tiempo, los átomos de hi-drógeno son asimétricos respecto delátomo de oxígeno, es decir, están locali-zado hacia un lado de este último, la to-talidad de la molécula de agua presentaun extremo positivo y uno negativo.También se observa un desequilibrio enlos pares de electrones compartidos enlos enlaces covalentes entre átomos dehidrógeno y átomos de oxígeno, nitróge-no y azufre. Las zonas que rodean unamolécula de mayor tamaño, en la que seencuentran grupos -OH, -NH o -SH, con-tribuyen a la aparición de polaridad. Porel contrario, las zonas con enlaces C-H secaracterizan por ser no polares, debido aque los átomos de carbono e hidrógenocomparten equilibradamente los paresde electrones cuando forman enlaces co-valentes. Esto se observa con frecuenciaen las largas cadenas hidrocarbonadasde los ácidos grasos. Los grupos carboni-lo (C=O) tienen sólo una leve polaridad,dado que los electrones del doble enlacecovalente entre el carbono y el oxígenose comparten de modo apenas desigual.

Los enlaces de hidrógeno se producencuando átomos de hidrógeno con positi-vidad relativa (como consecuencia decompartir electrones en forma no equita-tiva y ser polares en un enlace covalentecon oxígeno, nitrógeno o azufre) sonatraídos por otros átomos, con negativi-dad relativa como consecuencia de otradesigualdad al compartir electrones. Es-to se muestra en las fórmulas de los com-puestos mediante una línea de puntos:

Nótese que la formación de un enlacede hidrógeno no implica intercambio deelectrones (como en las uniones elec-trostáticas) ni que se compartan paresde electrones (como en los enlaces co-valentes).

Los enlaces de hidrógeno son débiles(se requieren sólo 8-20 kJ/mol para rom-perlos), pero a menudo se forman mu-chos enlaces de hidrógeno dentro de unaúnica molécula o entre moléculas distin-tas y, así, la fuerza conjunta de los enla-

ces de hidrógeno es capaz de estabilizarla estructura tridimensional de compli-cadas moléculas como proteínas y áci-dos nucleicos. Los enlaces de hidrógenose rompen con mayor facilidad que losenlaces covalentes, debido a su fuerzamucho menor, en especial cuando hayaumento de la temperatura. A tan sólo50-60oC se separan los enlaces hidrógenode la mayor parte de las moléculas bioló-gicas, y desaparecen casi por completo a100oC. La principal causa de la desnatu-ralización de las proteínas con el calen-tamiento y la consiguiente pérdida desus propiedades biológicas (p. ej., lainactivación de las enzimas) es precisa-mente la ruptura de los enlaces de hidró-geno, al igual que la desnaturalizacióndel DNA (es decir, la separación de lamolécula bicatenaria de DNA en dos he-bras individuales).

Las fuerzas de van der Waals puedenser de atracción o de repulsión y se de-ben a que se crean desequilibrios transi-torios y aleatorios cuando se compartenlos electrones de un enlace covalente(esto es independiente de la distribuciónequitativa o no del par de electrones enel enlace covalente). En consecuencia, seproducen variaciones muy rápidas ensentido positivo o negativo en los áto-mos ubicados en los extremos del enlacecovalente y, a continuación, modifica-ciones opuestas en las cargas de los enla-ces covalentes cercanos. Por lo tanto, secrea una leve atracción entre los átomos,que crece gradualmente en intensidad amedida que se acercan los átomos entresí. La atracción se transforma en repul-sión cuando la distancia disminuye has-ta producir la superposición de las órbi-tas electrónicas externas. Esta repulsiónentre los átomos es relativamente fuerte.El resultado conjunto de las fuerzas devan der Waals (atracción y repulsión) semanifiesta en una tendencia a que losátomos de una molécula, o de moléculasdiferentes, adopten posiciones que per-mitan el máximo acercamiento posible,debido a la atracción, pero, al mismotiempo, mantengan los requerimientosmínimos de espacio para cada átomo in-dividual, como consecuencia de las fuer-zas de repulsión.

Si bien la atracción de van der Waals,con distancia óptima entre dos átomos,es débil (sólo se requieren 4 kJ/mol pararomperla), de todos modos el efecto con-junto de las fuerzas de van der Waals tie-ne gran importancia, unido a las demásformas de unión, para la estabilizaciónde la conformación tridimensional deuna molécula.

H+

— O– — H+ ··· N– —

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Forman parte de las moléculas estructura-les celulares y contribuyen a la fuerza detracción (como fibras de colágeno) en es-tructuras extracelulares, por ejemplo, deltejido conectivo y los huesos. Algunasproteínas son secretadas como enzimas di-gestivas o anticuerpos, otras actúan comosustancias señal, por ejemplo, como hor-monas. Las proteínas tienen especial im-portancia en el metabolismo celular (gr.metabole, transformación) compuesto portodas las reacciones químicas de la célula.Algunas reacciones metabólicas son degra-dativas, por ejemplo, la degradación de lasproteínas, y se denominan catabólicas (gr.kata, hacia abajo; balein, arrojar). En otrasse produce la formación o síntesis demembranas, por ejemplo, y se denominananabólicas (gr. ana, hacia arriba). El espe-cial papel que desempeñan las proteínasen el metabolismo celular se debe a quecasi todas las reacciones químicas involu-cradas son catalizadas por enzimas (gr. en,en; zyme, fermento o levadura) y a que ca-si todas las enzimas conocidas son proteí-nas. Las enzimas pueden aparecer en solu-ción (en el citosol o dentro de las organe-las) o estar localizadas sobre las membra-nas, donde catalizan las reacciones que seproducen en la superficie límite entre lasmembranas y el medio circundante.

Las proteínas se presentan como molé-culas de gran tamaño, o macromoléculas,con pesos moleculares entre 6 kd (kilodal-ton; una proteína de peso molecular 6.000posee una masa de 6.000 dalton, o 6 kd) ymuchos millones. Todas las proteínas, detodas las especies, desde las bacterianashasta el hombre, están formadas por losmismos 20 aminoácidos diferentes. Lasplantas son capaces de sintetizar aminoáci-dos a partir de agua, dióxido de carbono ynitrógeno inorgánico. Por el contrario, losorganismos animales no pueden sintetizartodos los aminoácidos a partir de las sus-tancias fundamentales, por lo que necesi-tan ingresarlos a través de la alimentación,como proteínas. Éstas son degradadas en eltracto digestivo a aminoácidos libres, quese absorben y llegan a las células de todo elorganismo por vía hematógena. Entoncesson utilizados en la síntesis de distintasproteínas, según el tipo celular. Los ami-noácidos libres de la célula también pue-den provenir de la degradación de proteí-nas celulares. En conjunto, los aminoáci-dos libres forman el denominado pool deaminoácidos, que suministra aminoácidospara la síntesis de nuevas proteínas.

Todos los aminoácidos se caracterizanpor contener un grupo amino (NH2) y ungrupo carboxilo (COOH), por lo que lasproteínas poseen nitrógeno (todas las pro-teínas contienen carbono, hidrógeno, oxí-geno y nitrógeno; algunos poseen además

azufre, fósforo y hierro). Cada aminoácidotambén presenta una cadena lateral de-signada R (fig. 1-5), que varía de un ami-noácido a otro y es específico para cadauno. Los aminoácidos en solución a pHneutro se encuentran, sobre todo, comoiones dipolares (zwitteriones), es decir,con protones en el grupo amino y el gru-po carboxilo disociado (fig. 1-5). Sin em-bargo, el estado de ionización varía con elpH del medio (fig. 1-6). El átomo de carbo-no central de las figuras 1-5 y 1-6 tambiénse denomina átomo de carbono alfa.

Los aminoácidos de una proteína estánunidos formando largas cadenas, a travésde los denominados enlaces peptídicosque se crean entre el grupo amino y el gru-po carboxilo de dos aminoácidos (fig. 1-7).Si la molécula formada sólo contiene dosaminoácidos, se denomina dipéptido, sicontiene 3, tripéptido, y si posee más de 3,polipéptido. Una proteína se compone deuna o más cadenas polipeptídicas, cadauna de las cuales puede contener desdeunos pocos aminoácidos hasta miles de es-tos compuestos. Por lo general, una cade-na polipeptídica presenta un grupo aminolibre en un extremo, que se designa termi-nal amino o terminal N, y un grupo COOHlibre en el otro extremo, denominado ter-minal carboxilo o terminal C. Por conven-ción se estableció que una cadena polipep-tídica comienza en la terminal amino, porlo que la secuencia de aminoácidos se es-cribe a partir de este punto. Cabe destacarentonces que el tripéptido glicina-alanina-tirosina es diferente del tripéptido tirosi-na-alanina-glicina. Las cadenas polipeptí-dicas pueden contener cadenas lateralesde aminoácidos aniónicas o catiónicas, yaque algunos aminoácidos poseen 2 gruposcarboxilo o amino. Dado que el estado decarga de un aminoácido depende del pHdel medio, toda la molécula proteica secomportará como anión o catión, según lasuma algebraica de las cargas positivas ynegativas a determinado pH. Se dice quela proteína es anfótera y el pH en el cual laproteína es neutra, desde el punto de vistaeléctrico, se denomina punto isoeléctrico.

La secuencia de aminoácidos es especí-fica para cada proteína y está determina-da genéticamente, dado que depende delácido desoxirribonucleico (DNA) del nú-cleo celular (véase más adelante). La se-cuencia de aminoácidos también determi-na la estructura primaria de la proteína yestablece la forma tridimensional o con-formación. Es característico que las pro-teínas presenten una estructura tridimen-sional o conformación bien definida, fun-damental para la función. Por el contrario,una cadena polipeptídica extendida o dis-puesta en forma aleatoria no posee activi-dad biológica. Aunque la secuencia de


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aminoácidos o la estructura primaria esta-blecen la conformación, en algunos casospueden aparecer diferencias menores enla secuencia sin que se altere la funciónproteica de la proteína. Un ejemplo carac-terístico lo constituye la molécula de in-sulina, cuya secuencia de aminoácidos di-fiere en varios sitios para el ser humano,el buey, el perro y el ratón, pero todas es-tas moléculas igual funcionan como insu-lina. Sin embargo, es muy importante sa-ber en cuáles localizaciones exactas seproducen las sustituciones. Esto se ilustraen la patología anemia de células falcifor-mes, donde sólo un aminoácido de una delas cadenas polipeptídicas de la moléculade hemoglobina (el pigmento rojo sanguí-neo portador del oxígeno) difiere de la se-cuencia de aminoácidos de la hemoglobi-na normal. Esto causa la forma falciformede los eritrocitos, lo cual, a su vez, produ-ce la obstrucción de los pequeños vasos.Además, se produce anemia (carencia desangre) como consecuencia de la rupturade los glóbulos rojos anormales. La enfer-medad puede causar la muerte en la in-fancia.

La estructura tridimensional o confor-mación se divide a su vez en estructurassecundaria, terciaria y cuaternaria. Éstas

se producen debido al plegamiento de lacadena polipeptídica, según característi-cas determinadas por la secuencia de ami-noácidos.

La estructura secundaria puede pre-sentar forma espiralada, denominada héli-ce alfa o de lámina, designada lámina be-ta (fig. 1-8). Ambas estructuras se produ-cen por la formación de enlaces de hidró-geno.

En la hélice alfa se estabiliza la formaespiralada por la creación de enlaces dehidrógeno entre los grupos CO y NH de lacadena principal del polipéptido. Todoslos grupos CO y NH están unidos porpuentes de hidrógeno, dado que el grupoCO de un aminoácido se liga al grupo NHdel aminoácido ubicado cuatro sitios másadelante en la secuencia lineal. Se puedeconsiderar a la hélice alfa como una es-tructura en forma de bastón, donde la ca-dena principal espiralada representa laparte central del bastón, mientras que lascadenas laterales se orientan hacia afuera.

En las láminas beta se forman enlacesde hidrógeno entre grupos CO y NH quese encuentran en dos sitios diferentes dela misma cadena polipeptídica (que sepliega sobre sí misma) o de cadenas poli-peptídicas diferentes. En ambos casos, las


Fig. 1-5. Estructura ge-neral de un aminoácidoen su forma no ionizada ycomo zwitterión.

Fig. 1-6. El estado de io-nización de un aminoá-cido depende del pH delmedio.

Fig. 1-7. Formación deun enlace peptídico.

NH2 NH3+

H C COOH H C COO–

R R

No ionizado Ion dipolar (Zwitterión)

NH3+ NH3

+ NH2

H C COOH+H+

H C COO–

+H+H C COO–

R R R

pH = 1 pH = 7 pH = 11

↑Enlace peptídico

HO

HO

H O HO

+H3N C C + +H3N C C +H3 N C C N C C + H2O

R1

O–

R2

O–

R1 H R2

O–

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cadenas polipeptídicas involucradas sedenominan fibras beta; en conjunto loshaces paralelos de fibras, unidos por enla-ces de hidrógeno, forman una estructuralaminar de considerable rigidez. Si las fi-bras beta transcurren en la misma direc-ción (considerado desde el terminal Nhasta el terminal C), la estructura se deno-mina lámina beta paralela, mientras quese emplea la designación lámina beta an-tiparalela cuando las dos fibras transcu-rren en dirección opuesta (cuando unaúnica cadena polipeptídica se pliega so-bre sí misma). Es frecuente que en las pro-teínas se encuentren cantidades variablesde hélices alfa y de láminas beta, y en laactualidad se ha establecido por conven-ción que, para dibujar las moléculas pro-teicas, se indiquen las zonas de hélice al-fa con espirales o cilindros, las láminasbeta como flechas planas con el extremohacia el terminal C, mientras que, por úl-timo, se señalen las uniones entre las hé-lices alfa y las láminas beta mediante del-gados cordones (fig. 1-9).

Se ha demostrado que ciertos motivos(ing. motifs) se repiten en distintas molé-culas proteicas, de los cuales los más fre-cuentes son los denominados lazada enhebilla (ing. hairpin-loops), beta-alfa-betay hélice-giro-hélice. A menudo estos mo-tivos tienen la misma función en las dis-tintas proteínas en que aparecen. En casosaislados una proteína se compone exclu-

sivamente de hélices alfa o láminas beta.Esto ocurre, por ejemplo, en la proteínaalfa queratina, que se encuentra en la epi-dermis, el cabello y las uñas. Del mismomodo, la proteína de la seda fibroína estácompuesta sólo por láminas beta. Estosdos tipos de proteínas son ejemplos de lasdenominadas fibroproteínas, que se ca-racterizan por formar largas fibras, en lasque predomina un tipo determinado deestructura secundaria.

No obstante, la mayoría de las proteínasno son fibroproteínas, y presentan estruc-tura terciaria (fig. 1-10), debido a que lacadena polipeptídica sufre plegamientosy crea una estructura compacta globular


Fig. 1-8. Dibujo esque-mático de la estructurasecundaria de las pro-teínas, que muestra laformación de una hélicealfa y una lámina betamediante enlaces de hi-drógeno.

Fig. 1-9. Dibujo esquemático de una moléculaproteica de acuerdo con la convención aho-ra aceptada, donde las hélices alfa se presen-tan como cilindros y las láminas beta como fle-chas planas con la punta orientada hacia la ter-minal C. Los enlaces se dibujan como cordonesdelgados.

Terminal C

Terminal N

O

Enlace de hidrógeno

C

N

H

O

R

R

RR

R

R

R

R

R R

RR

R R

CC

N

H

H

O

CO

C

O

C

O

O C

N

N

N

N

N

N

H

H

C

C

C

C

C C

C

C

C

C

C

H

H

H

O

O

O

O

O

H

C

O

C

O

C

C

C

C

C

C

C

N

H

N

H

N H

N

H

N

Hélice alfa Lámina beta

Enlace de

hidrógeno

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(redondeada). En consecuencia, estas pro-teínas se denominan proteínas globularesy presentan sitios característicos, o domi-nios, en los cuales el plegamiento local esespecialmente compacto. Los dominiospueden estar compuestos sólo por hélicesalfa, láminas beta o incluso por una com-binación de ambos. Por lo general, sólo seencuentra un único dominio en las proteí-nas pequeñas, mientras que las grandespueden tener más de 20. A menudo cadadominio representa una función especia-lizada. Muchos tipos distintos de fuerzasde unión contribuyen al plegamiento y elmantenimiento de la estructura globular,entre ellos uniones electrostáticas, enla-ces disulfuro (enlace covalente represen-tado por -S-S-, que se forma entre dos gru-pos SH que provienen de dos aminoáci-dos cistina diferentes), enlaces de hidró-geno y fuerzas de van der Waals. Ademásintervienen atracciones hidrófobas, dadoque los aminoácidos con cadenas lateraleshidrófobas tienden a alejarse del agua delmedio por el plegamiento globular, queles permite “esconderse” en el interiorglobular de la molécula proteica.

Por último, la estructura cuaternaria(fig. 1-10) se forma debido a que algunas

proteínas están compuestas por varias ca-denas polipeptídicas que se pliegan en con-junto, donde los distintos polipéptidos seunen entre sí con los mismos tipos de fuer-zas que unen una única cadena polipeptídi-ca en la formación de la estructura terciaria.Cada cadena polipeptídica se denominasubunidad y toda la proteína se designaproteína multisubunitaria.

La conformación determina la funciónde una proteína, dado que acciones queafectan las fuerzas de unión, como porejemplo, urea (rompe los enlaces de hidró-geno), sales (interfiere en los enlaces elec-trostáticos) o el aumento moderado de latemperatura (rompe todas las uniones dé-biles) alteran la conformación normal conpérdida simultánea de las funciones nor-males. Esta modificación se denominadesnaturalización y a veces es reversible,ya que la proteína retoma su conformaciónnormal espontáneamente, una vez inte-rrumpida la acción, y recobra sus funcio-nes. Ante acciones más poderosas (p. ej.,el calentamiento fuerte) la desnaturaliza-ción es irreversible (es lo que ocurre con laclara al hervir un huevo). Como se verámás adelante, tiene especial importanciala transformación que producen la fosfori-lación y la acetilación en la conformaciónde las proteínas, con modificación de lafunción, que permite que la proteína alter-ne entre estados activos e inactivos.

Lípidos. Los lípidos (gr. lipos, grasa) re-presentan un grupo heterogéneo de sus-tancias con la característica común fun-damental de ser poco solubles en agua,pero muy solubles en solventes orgánicos(p. ej., éter, xileno y benceno). Nuevamen-te esto se debe a que los lípidos estáncompuestos en su totalidad, o en gran par-te, por grupos no polares (cabe recordar lano polaridad del enlace entre carbono e


Fig. 1-10. Dibujo esquemático de una estruc-tura proteica. La estructura primaria está for-mada por la secuencia de aminoácidos de lacadena polipeptídica, cuyos plegamientos con-ducen a la formación de hélices alfa o láminasbeta, es decir, la estructura secundaria. Ple-gamientos ulteriores crean la estructura tercia-ria globular (esférica). Por último, aparece laestructura cuaternaria cuando varias cadenaspolipeptídicas se pliegan en conjunto y se unenentre sí para formar una proteína con varias su-bunidades (la proteína presentada contiene 2cadenas polipeptídicas o subunidades).

Estructura cuaternaria

Hélice alfa

Estructuraterciaria

Estructurasecundaria

Lámina beta

Estructuraprimaria

C=O

HN

CH

O=C

NH

HC R

R

C=O

HN

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hidrógeno, C-H). Los lípidos se encuen-tran en las células como reserva energéti-ca y como componente estructural, bajo laforma de membranas.

Triacilgliceroles. También se denomi-nan triglicéridos y su función principal esde depósito de energía concentrada, dadoque se acumulan en las células como go-tas de tamaño variable. Los triacilglicero-les son ésteres de ácidos grasos y glicerol(fig. 1-11) y se pueden hidrolizar para darlos componentes, tras lo cual los ácidosgrasos se oxidan (queman) para producirenergía. Desde el punto de vista químico,los ácidos grasos son largas cadenas hi-drocarbonadas con un grupo carboxilo enun extremo; la mayor parte de los ácidos

grasos de importancia biológica tienencantidades pares de átomos de carbono.Los ácidos grasos saturados no contienendobles enlaces, mientras que los ácidosgrasos insaturados tienen un enlace do-ble, por lo menos.

Fosfolípidos. Estos compuestos son im-portantes componentes de la membranacelular, debido a que presentan la notablepropiedad de tener un extremo hidrófobo,que rechaza el agua, y un extremo hidrófi-lo, que la atrae. En consecuencia, son par-cialmente solubles en agua y en grasas, ca-racterística denominada anfipatía (anfifi-lia), que contribuye a la capacidad de lamembrana de actuar como barrera entreregiones (en fase acuosa) con funcionesdiversas. Desde el punto de vista químico,el tipo de fosfolípido más frecuente secompone de glicerol esterificado con áci-dos grasos (el enlace éster se forma entreun ácido y un alcohol, con eliminación deuna molécula de agua) en los átomos decarbono 1 y 2, mientras que el carbono 3se une a un grupo fosfato (fig. 1-12). Esteúltimo es responsable de conferir a los


Glicerol

H H H| | |

H — C ———————— C ———————— C — H| | |

O O O

O = C O = C O = C| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |

H — C — H H — C — H H — C — H| | |H H H

Fig. 1-11. Dibujo esquemático de la estructurade los triacilgliceroles.

Fig. 1-12. Dibujo esquemático de un fosfolípi-do, que muestra la localización de los gruposque lo componen (figura de la izquierda) y laforma habitual de representar los fosfolípi-dos, por ejemplo en las membranas celula-res (figura de la derecha), con una porción hi-drófoba no polar y una porción polar hidrófila.

Grupopolar

Fosfato

Glicerol

Cad

ena

de á

cido

gra

so

Cad

ena

de á

cido

gra

so

Porción polar

Porciónno polar

Ácido graso

Ácido graso

Ácido graso

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fosfolípidos sus propiedades hidrosolu-bles. El otro extremo del grupo fosfato es-tá unido a un alcohol nitrogenado u otrocompuesto orgánico, por ejemplo un ami-noácido serina o treonina (fig. 1-13). En elcapítulo 3 se verán con mayor detalle losdistintos tipos de fosfolípidos que confor-man la membrana celular.

Esteroides. Estos compuestos derivandel fenantreno y contienen 4 sistemas cícli-cos de carbono (fig. 1-14). Uno de los prin-cipales esteroides es el colesterol, que com-pone las membranas celulares y tambiéninterviene en la formación de distintas hor-monas, entre ellas, las hormonas sexuales.

Glucolípidos. Son compuestos que con-tienen un grupo hidrocarbonado en lugarde un grupo fosfato; también son anfipáti-cos, debido a la solubilidad del grupo hi-drocarbonado. Al igual que los fosfolípi-dos y el colesterol, los glucolípidos inter-vienen en la construcción de las membra-nas celulares.

Hidratos de carbono. Los azúcares o hi-dratos de carbono, al igual que los lípidos,tienen función de fuente de energía y decomponente estructural para la célula. Sedividen en monosacáridos, disacáridos ypolisacáridos, de los cuales los dos prime-ros a menudo se denominan azúcares. Es-

tos últimos son muy hidrosolubles, crista-lizan y atraviesan con facilidad las mem-branas de diálisis (membranas de colodióno celofán que son atravesadas con facilidadpor iones pequeños y moléculas de escasotamaño), mientras que los polisacáridos nocristalizan ni atraviesan estas membranas.

Las pentosas son monosacáridos impor-tantes (con 5 átomos de carbono) ribosa ydesoxirribosa, que componen los ácidosnucleicos (véase más adelante), y la hexo-sa (con 6 átomos de carbono) glucosa, quees la fuente de energía más importante dela célula (fig. 1-15). También son hexosasimportantes la galactosa, que forma partedel disacárido lactosa, y la fructosa, com-ponente de la sacarosa. Tanto las pentosascomo las hexosas se pueden encontrar enforma lineal o cíclica; en este último casoadoptan dos configuraciones (alfa y beta),que para el caso de la glucosa se denomi-nan alfa glucosa y beta glucosa (fig. 1-16).Las dos formas se encuentran en equilibrioen una solución acuosa, pero predominala estructura cíclica.

Los disacáridos se forman por unión dedos monosacáridos, con eliminación deuna molécula de agua. Los disacáridosmás importantes son el azúcar común osacarosa, que se acumula en las célulasvegetales, y el azúcar de la leche o lacto-sa, que se sintetiza y secreta por las célu-las de las glándulas mamarias.

Los polisacáridos se forman por launión de muchas moléculas de monosa-cáridos (con la correspondiente elimina-ción de moléculas de agua). Por ejemplo,se acumula glucosa bajo la forma del poli-sacárido glucógeno (en las células vegeta-les, el polisacárido equivalente es el almi-dón), donde las moléculas de alfa glucosase unen mediante el denominado enlaceglucosídico alfa(1→4). Este tipo de enlacese produce entre el átomo de carbono 1 deuna molécula de alfa glucosa y el átomode carbono 4 de la molécula de alfa gluco-sa vecina. La cadena puede presentareventuales ramificaciones, cuando se en-cuentran ocasionales enlaces glucosídicosalfa(1→6). Ante una necesidad energéti-ca, el glucógeno se hidroliza y producemoléculas de glucosa, que luego se degra-dan con liberación simultánea de energía.


Fig. 1-13. Ejemplos decompuestos orgánicosque se encuentran confrecuencia en los fosfo-lípidos.

Fig. 1-14. Representacio-nes gráficas del sistemacíclico del fenantreno ydel colesterol.

CH3|

+NH3 CH3 — N+— CH3 COO–

| | |CH2 CH2 H3N+ —CH| | |CH2 CH2 COO– CH2| | | |

O O H3N+— C— H O| | | |

HO OH

H H

H OH

OH H

H O

OH H

Etanolamina Colina Treonina Serina Inositol

12

34

5

109

8

76

1112

13

14 19

18 17

16

15

Colesterol

Sistema cíclico del fenantreno

OH

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La formación de glucógeno medianteunidades de glucosa encadenadas es unejemplo de un patrón biológico muy fre-cuente, denominado polimerización. Sig-nifica que una cantidad importante desubunidades iguales o muy semejantes, losmonómeros, se encadenan para formar unpolímero. Este principio se presenta tam-bién en muchos casos para la formación deimportantes estructuras celulares y extra-celulares, como se verá más adelante.

Los polisacáridos pueden formar com-puestos combinados con lípidos (los yanombrados glucolípidos) y con proteínas,denominados entonces polisacáridoscomplejos. Los compuestos de proteína ypolisacáridos son muy importantes y seestudiarán más adelante. Se darán comoejemplos las glucoproteínas, que formanparte de las membranas celulares y soncomponentes de las secreciones de mu-chas células, y los glucosaminoglucanos,componentes esenciales del tejido conec-tivo. A diferencia del glucógeno, los glu-cosaminoglucanos incluyen más de un ti-po de monosacárido en el polisacárido.

Ácidos nucleicos. Existen dos tipos deácidos nucleicos en las células, denomi-nados ácido desoxirribonucleico o DNA(ing. acid) y ácido ribonucleico o RNA.Los ácidos nucleicos son macromoléculascon importancia biológica esencial, dadoque las características hereditarias tienensu base química en el DNA: un gen es unsegmento de una molécula de DNA muylarga. El DNA se encuentra casi con exclu-sividad en el núcleo celular, mientras queel RNA es sintetizado allí y luego trans-portado al citoplasma. En la síntesis delRNA, el DNA entrega su información a lasmoléculas de RNA a través de un procesodenominado transcripción (lat. transcrip-tio, transcripción). Las moléculas de RNAintervienen en forma determinante en lasíntesis proteica citoplasmática, por loque la información se transfiere medianteun proceso denominado traducción:

transcripción traducciónDNA → RNA → proteína

Composición química. El DNA y el RNAse componen de cadenas de ácido fosfóri-co y moléculas de pentosa, a las cuales seadosan bases nitrogenadas (fig. 1-17). Lapentosa del DNA es la desoxirribosa,mientras que la del RNA es la ribosa. Lasbases son las purinas adenina (A) y guani-na (G), y las pirimidinas citosina (C) y ti-mina (T), si bien en el RNA la timina esreemplazada por uracilo (U).

Las macromoléculas de ácido nucleicoestán formadas por nucleótidos, cada unocompuesto por una base nitrogenda +pentosa + ácido fosfórico. Por ejemplo, el

14 INTRODUCCIÓNC A P Í T U L O 1

Fig. 1-15. Dibujo quemuestra las estructurasde algunos monosacári-dos importantes.

Fig. 1-16. Las pentosas y hexosas puedenpresentar forma lineal o cíclica. Se muestracomo ejemplo la hexosa glucosa, que en su for-ma cíclica puede aparecer como alfa glucosa ocomo beta glucosa.

CH2OH CH2OH

CH2OH

CH2OH CH2OH

O O

O O

O O

OH

OH OH

OH

OHOH

OH

OH

OH

COO–

HO

HO

HO

HO

H3C C

O

HN

NH

ROH

HO OH OH

HOHOH

C CH3CH3N

H

O O

C

OH

Glucosa Galactosa

Manosa Ácido siálico

Acetilgalactosamina N-Acetilglucosamina

Hexosas

Pentosas

5CH2OH CH2OH

O OOH

OH OH

OH

OH

1

23

4

Ribosa Desoxirribosa

4

CH2OH

OH

HO

OHOHH

HC

HO C

C

H

CH1C

234

5

6

H O1

2

3

4

5

6

C

H — C — OH

H — C — OH

HO — C — H

H — C — OH

CH2OH

Alfa glucosa(forma cíclica)

Glucosa (forma lineal)

Beta glucosa(forma cíclica)

CH2OH

OH

OHO

HOHH

H

C

HO C

C

H

C

H1C23

45

6

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nucleótido monofosfato de adenosina(AMP) está formado por adenina + pento-sa + fosfato. En conjunto, la base + la pen-tosa componen una unidad denominadanucleósido, cuyo nombre depende de labase en cuestión. Así, la adenosina contie-ne adenina y ribosa. Si además se adosa

una molécula de fosfato, se emplea la de-signación difosfato de adenosina (ADP);de modo similar, el trifosfato de adenosina(ATP) es un compuesto que contiene 3 mo-léculas de fosfato en hilera. Denominacio-nes semejantes se aplican a los demás nu-cleósidos, por ejemplo GTP. Si la pentosaque interviene es la desoxirribosa, deagrega una d minúscula adelante, dATP.

Los ácidos nucleicos son polímeros li-neales de nucleótidos, unidos medianteenlaces fosfato-diéster (fig. 1-17) entre elgrupo fosfato del átomo de carbono 5’ deuna molécula de pentosa y el grupo hidro-xilo del átomo de carbono 3’ de una molé-cula de pentosa adyacente. Así, la cadenade polinucleótidos tiene una direccióndefinida, dado que un extremo de la cade-na se denomina extremo 5’, con un grupofosfato libre adosado al átomo de carbono5’, mientras que el otro extremo de la ca-dena se denomina extremo 3’, con un gru-po OH libre adosado al átomo de carbono3’. Se puede considerar que la moléculade ácido nucleico tiene una columna ver-tebral de moléculas de fosfato y pentosaalternadas, en la que las bases nitrogena-das se adosan a las moléculas de pentosade la columna.

Toda la información genética del orga-nismo está codificada en la secuencia li-neal de las cuatro bases. Un alfabeto decuatro letras (A, T, C, G) codifica la estruc-tura primaria de todas las proteínas, es de-cir, la secuencia en que se deben encade-nar los 21 aminoácidos que la componen.El esclarecimiento de este código genéticocomenzó después de que se descubriera laestructura del DNA. A continuación sepresenta someramente la estructura delDNA y la relación con la síntesis proteica,si bien esto se analizará con mayor detalleen los capítulos 3 y 4.

Estructura del DNA. El DNA se compo-ne de moléculas muy largas, por lo que tie-nen un peso molecular muy elevado. Lascolibacterias poseen una única moléculacircular de DNA, de 1,4 mm de largo, conpeso molecular aproximado de 2,6 × 109.La cantidad de DNA en las células euca-riotas, puede ser varios miles de veces ma-yor y en una única célula humana, el con-tenido de DNA presenta una longitud totalde alrededor de 1 m.

En 1953, Watson y Crick propusieronuna hipótesis para la estructura del DNA,que a la vez explicaba sus propiedadesquímicas y biológicas. En la actualidad,este modelo de Watson-Crick es aceptadouniversalmente y presenta la siguiente es-tructura para el DNA (fig. 1-18): la molé-cula de DNA es una espiral bicatenaria,una doble hélice, como una escalera decaracol. Los parantes de la escalera sonlos dos cordones, cada uno formado por


Fig. 1-17. Sección deuna hipotética cadenade ácidos nucleicos. Seobservan 4 nucleótidos yel encadenamiento carac-terístico mediante enlacesfosfato-diéster entre lasmoléculas alternantes defosfato y pentosas. (Se-gún De Robertis, Saez yDe Robertis.)

/ 5’

O

O

H H

H

H

HH

H

H N

N

N

NN

X

X

NN

N

O

O

O

O O

O

O

OO

O

O

O

O

H2C

H2C

H2C

H2C

O

O

3’

O

O

O

O

O

O

O P

P

O

O

O

O

P

P

PN

N N

N

H

HN

H

H

H N

NY

X

X

H

Adenina

Citosina

Guanina

TiminaY = H

Uracilo Y = CH3

RibosaX = OH

DesoxirribosaX = H

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una cadena de polinucleótidos, enrolla-dos entre sí en sentido dextrógiro. Los es-calones de la escalera se componen de lasbases nitrogenadas, apareadas de maneratal, que una base purínica siempre se unaa una base pirimidínica, es decir, A-T o C-G. Las dos cadenas de nucleótidos semantienen entonces unidas mediante lospares de bases que, a su vez, se unen a tra-vés de enlaces de hidrógeno, de los que seforman dos entre A y T y tres entre C y G.Un giro completo de la doble espiral co-rresponde a 10 monómeros de nucleóti-dos y los 10 pares de bases se disponen ensentido perpendicular a la columna depentosas y ácido fosfórico, con una dis-tancia de 0,34 nm entre cada par de basesy un total de 3,4 nm por cada giro comple-to de la espiral. Sobre la base de los mode-los espaciales del DNA se puede estable-cer que la doble espiral tiene un diámetropromedio de 2,0 nm. Además, se formandos surcos, uno mayor y más profundo, yotro menor y más aplanado.

Es importante destacar que las dos do-bles hélices de DNA transcurren en direc-ciones opuestas, son antiparalelas, es de-cir, una presenta sentido 5’-3’, mientrasque la otra tiene sentido 3’-5’.

La secuencia de bases de una de las ca-denas de nucleótidos puede variar, peroen la cadena opuesta la secuencia debe sercomplementaria, dado que, como se vioantes, el apareamiento de las bases escomplementario (AT o CG).

Esta complementariedad tiene gran im-portancia para el mecanismo por el cual lamolécula de DNA se duplica o replica. Es-te proceso se produce antes de la divisióncelular, dado que las dos células creadas

reciben exactamente el mismo contenidode DNA y, en consecuencia, de genes, quela célula madre. En la replicación se sepa-ran las dos hebras de DNA a lo largo, yaque se abren los enlaces de hidrógeno ycada hebra forma una nueva pareja (me-diante complejos procesos enzimáticosque se verán más adelante) a partir de ba-ses complementarias presentes en el ma-terial circundante (fig. 1-19). Por lo tanto,la replicación es semiconservadora, es de-cir, la mitad de la molécula original (unahebra) se conserva en cada molécula hija.

Estructura del RNA. A diferencia delDNA, las moléculas de RNA son monoca-tenarias, dado que sólo en casos excepcio-nales (véase RNA de transferencia, másadelante) se forman pares de enlaces de hi-drógeno entre las bases nitrogenadas, co-mo consecuencia de la creación de asas enla hebra de nucleótidos (pares AU o CG).

Existen 3 tipos principales de RNA: elRNA mensajero, o mRNA, el RNA detransporte o de transferencia, o tRNA, yel RNA ribosómico o rRNA. Los tres in-tervienen en la síntesis de proteínas en elcitoplasma celular; esto se verá con mayordetalle en el capítulo 3.

Los tres tipos de RNA se sintetizan enel núcleo celular a través de un procesodenominado transcripción, como se vioantes. De modo semejante a la replicacióndel DNA se separan las dos hebras deDNA y ahora se sintetiza, sobre la base deuna hebra de DNA como molde, una úni-ca hebra larga de RNA, según el principiode apareamiento de bases complementa-rias y, en consecuencia, la hebra sintetiza-da es complementaria a la hebra de DNA.En realidad esto significa que la secuencia


Fig. 1-18. El modelo deWatson y Crick para la es-tructura del DNA. A = ade-nina; C = citosina; G = guani-na; T = timina; P = fosfato; S= desoxirribosa. (Según Har-per.)

2,0 nm

3,4 nm

S

S

S

S S

S

S

S

S A T SS T A S

S C G S

SP

P

P

PP

P

G C S

P

P

P

P

P

P

A T

T A

C G

G C

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de nucleótidos de la hebra de RNA sinte-tizada es idéntica a la secuencia de la he-bra de DNA no transcripta (si se deja delado que en la hebra de RNA aparece U enlugar de T, dado que el RNA contiene labase uracilo en lugar de timina). Además,el RNA transcripto y la hebra singularidéntica de DNA no transcripta presentanel mismo sentido 5’-3’. En consecuencia,por convención, se ha establecido definirla secuencia de nucleótidos de un gen deuna doble hebra de DNA como aquellaque se encuentra en la hebra singular deDNA no transcripta. Por lo tanto, ésta sedenomina hebra codificadora, mientrasque la hebra transcripta se denomina he-bra patrón.

El código genético. Como se vio antes,la información genética del DNA está co-dificada de acuerdo con las variacionesde la secuencia de las 4 bases, bajo la for-ma de un alfabeto de cuatro letras (A, C,G, T). Este alfabeto se emplea para escri-bir palabras de sólo tres letras, dado queuna serie de tres nucleótidos a lo largo dela hebra de DNA, o grupo de tres bases,

triplete (ing. “triplet”) o codón, codificaun aminoácido determinado para unaproteína (p. ej., GGA para el aminoácidoglicina). Así, a lo largo de la hebra deDNA se suceden los grupos de tres bases,que codifican aminoácido tras aminoáci-dos en secuencia. Este código genético secopia en el proceso de transcripción, da-do que la molécula de mRNA formada,que recibe la información sobre la se-cuencia de aminoácidos, presentará unasecuencia complementaria de grupos detres bases, complementaria a la hebra pa-trón del DNA y será, por lo tanto, idénti-ca a la hebra codificadora. En consecuen-cia, los grupos de tres bases de la molécu-la de mRNA contendrán la misma se-cuencia de codones que la hebra codifica-dora. Esta secuencia se “traduce” en elproceso de traducción de la síntesis pro-teica en el citoplasma, como se verá en elcapítulo 3.

De lo anterior se comprende que un genes una parte de la molécula de DNA, quecodifica una molécula funcional de RNA.La molécula de RNA puede codificar la


Fig. 1-19. Representa-ción esquemática delmecanismo de replica-ción del DNA. Las doscadenas recién formadasde nucleótidos se indicancon línea gruesa en laparte inferior de la figura.(Según Kornberg.)

P

P

P

P P

P

PP

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

T

A

G

A T

C

T

A

T

A

G

A T

C

T

A T

A

G

A T

C

T

A

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síntesis de una determinada cadena poli-peptídica (mRNA), en cuyo caso el gen sedenomina gen estructural, o ser una molé-

cula de tRNA, rRNA, snRNA o scRNA(snRNA y scRNA son pequeñas moléculasde RNA que se estudian en el capítulo 4).


1. ¿Qué expresa la teoría celular?2. ¿Cómo se denominan los cuatro teji-

dos fundamentales?3. ¿Qué se entiende por organelas?4. ¿Cuál es la principal diferencia en-

tre células procariotas y eucariotas?5. ¿Dentro de qué intervalo (en μm) se

ubica el tamaño de la mayoría delas células?

6. Las células se pueden caracterizarcomo organismos vivos, en granparte, debido sus propiedades fisio-lógicas. ¿Por ejemplo, cuáles?

7. ¿Qué propiedades de la molécula deagua le permiten ser un solventeóptimo para distintas sustanciasbiológicas?

8. ¿Cómo se denominan los ácidos quecomponen las proteínas?

9. ¿Cuáles son las características de losaminoácidos?

10. ¿Cómo se denomina el enlace quí-mico que une a los aminoácidos

para formar largas cadenas protei-cas?

11. ¿Qué se entiende por estructura pri-maria de una proteína?

12. ¿Qué determina la conformación deuna proteína?

13. ¿Qué enlaces químicos estabilizanla conformación de una proteína?

14. ¿Cuál es la propiedad común a to-dos los lípidos?

15. ¿Qué tipos de lípidos intervienencomo componentes esenciales delas membranas celulares?

16. ¿Qué dos pentosas tienen gran im-portancia biológica?

17. ¿Cómo se denominan las cuatro ba-ses nitrogenadas que componen elDNA y el RNA?

18. ¿Cómo se denominan las dos hebrasde una molécula de DNA que setranscriben en la transcripción?

19. ¿Qué se entiende por codón?20. ¿Cómo se puede definir un gen?

Cuestionario sobre generalidades de la célula

Lecturas adicionales sugeridas

Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Ro-berts K, Watson JD. Molecular Bio-logy of the Cell, 3ª ed. Garland Pu-blishing, Inc., Nueva York y Londres,1994.

Alberts B, Bray D, Johnson A, Lewis J,Raff M, Roberts K, Walter P. EssentialCell Biology. An Introduction to theMolecular Biology of the Cell, Gar-land Publishing, Inc. Nueva York yLondres, 1998.

Ford BJ. The earliest views. Sci Amer.Abril 1998:42-45.

Godtfredsen E. Medicinens Historie, 3ªed. Nyt Nordisk Forlag Arnold Busk,Copenhague, 1973.

Nørby S. Aminosyrer og nomenklatur-igen igen. Ugeskr Laeger. 1998;160:4435.

Rehfeld JF. Molekulaerbiologi. UgeskrLaeger. 1994;156:5096-97.

Rennie J. DNA’s new twists. Sci Amer.Marzo 1993;88-96.

Robertson MP, Ellington AD. How tomake a nucleotide. Nature. 1998;395:223-225.

Suhr-Jessen P, Rasmussen L. Basisbog iCellebiologi, 2ª ed. Gad, Copenhague,1995.

Thomas PJ, Qu B-H, Pedersen PL. De-fective protein folding as a basis ofhuman disease. TIBS. 1995;20:456-459.

Welch GR: T.H. Huxley and the “Proto-plasmic theory of life”: 100 years la-ter. TIBS. 1995;20:481-85.

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