TY - BOOK AU - Alberts,Bruce AU - Hopkin,Karen AU - Johnson,Alexander AU - Morgan,David TI - Introducción a la biología celular SN - 978-607-8546-44-2 AV - QH 581.2 .E8718 2021 PY - 2021/// CY - Ciudad de México PB - Médica panamericana, KW - Citología N1 - Resumen: En esta quinta edición de introducción a la biología celular, presenta una completa actualización que permite analizar la célula y sus componentes con una visión sin precedentes, mediante técnicas avanzadas como por ejemplo la microscopía de fluorescencia con alta resolución y la criomicroscopia electrónica, así también los más recientes métodos de secuenciación del ADN y análisis de genes. El lector encontrará en esta edición, nuevas líneas de investigación y desarrollo sobre la organización de las células como de las bases bioquímicas, integrando temas actualizados en genética y los orígenes del ser humano. La obra cuenta con una gran cantidad de herramientas didácticas de alta calidad como son: Imágenes ilustrativas de alta resolución Ejercicios al finalizar cada capítulo Respuestas de los ejercicios al final de la obra Imágenes y tablas Glosario índice analítico Apartados específicos de biología experimental Esta obra será de gran utilidad y ayuda en el estudio de la biología celular a través de contenidos actualizados, recursos didácticos que faciliten la lectura, potenciando al máximo el aprendizaje de estudiantes y profesionales en medicina y ciencias de la salud ; Contenido CAPÍTULO 1 Células: las unidades básicas de la vida UNIDAD Y DIVERSIDAD DE LAS CÉLULAS Las células varían enormemente en aspecto y función Todas las células vivas tienen una química básica similar Las células vivas son colecciones de catalizadores que se autorreplican Todas las células vivas han evolucionado, aparentemente, de la misma célula ancestral Los genes aportan instrucciones para la forma, la función y el comportamiento de las células y los organismos LAS CÉLULAS BAJO EL MICROSCOPIO La invención del microscopio óptico llevó al descubrimiento de las células Los microscopios ópticos revelan algunos componentes de la célula La microscopía electrónica revela la fina estructura de la célula LA CÉLULA PROCARIONTE Los procariontes son las células más diversas y numerosas de la Tierra El mundo de los procariontes se divide en dos dominios: bacterias y arqueas LA CÉLULA EUCARIONTE El núcleo es el depósito de información de la célula Las mitocondrias generan energía utilizable a partir de moléculas de alimentos Los cloroplastos capturan energía de la luz solar Las membranas internas crean compartimentos intracelulares con diferentes funciones El citosol es un gel acuoso concentrado de moléculas grandes y pequeñas El citoesqueleto es responsable de los movimientos dirigidos de la célula El citosol dista de ser estático Las células eucariontes pueden haberse originado como predadores ORGANISMOS MODELO Los biólogos moleculares se han centrado en E. coli La levadura de cerveza es un eucarionte simple Arabidopsis ha sido elegida como planta modelo Los modelos animales comprenden moscas, helmintos, peces y ratones Los biólogos también estudian directamente a los seres humanos y sus células La comparación de secuencias del genoma revela la herencia común de la vida Los genomas contienen más que solo genes CAPÍTULO 2 Componentes químicos de las células ENLACES QUÍMICOS Los tipos de átomos que forman las células son relativamente pocos Los electrones más externos determinan el modo de interacción de los átomos Los enlaces covalentes se forman cuando se comparten electrones Algunos enlaces covalentes involucran a más de un par de electrones Los electrones de los enlaces covalentes, a menudo, son compartidos de manera desigual Los enlaces covalentes son suficientemente fuertes como para sobrevivir a las condiciones internas de las células Los enlaces iónicos se forman por ganancia o pérdida de electrones Los enlaces de hidrógeno son enlaces no covalentes importantes para muchas moléculas biológicas Cuatro tipos de interacciones débiles ayudan a unir las moléculas de las células Algunas moléculas polares forman ácidos y bases en agua PEQUEÑAS MOLÉCULAS DE LAS CÉLULAS La célula está formada por compuestos de carbono Las células contienen cuatro familias importantes de pequeñas moléculas orgánicas Los azúcares son fuentes de energía y subunidades de los polisacáridos Las cadenas de ácidos grasos son componentes de las membranas celulares Los aminoácidos son las subunidades de las proteínas Los nucleótidos son las subunidades del DNA y del RNA MACROMOLÉCULAS DE LAS CÉLULAS Cada macromolécula contiene una secuencia específica de subunidades Los enlaces no covalentes especifican la forma precisa de una macromolécula Los enlaces no covalentes permiten que una macromolécula se una a otras moléculas seleccionadas CAPÍTULO 3 Energía, catálisis y biosíntesis UTILIZACIÓN DE ENERGÍA POR LAS CÉLULAS El orden biológico es posible por la liberación de energía calórica de las células Las células pueden convertir una forma de energía en otra Los organismos fotosintéticos utilizan la luz solar para sintetizar moléculas orgánicas Las células obtienen energía a través de la oxidación de moléculas orgánicas La oxidación y la reducción implican transferencia de electrones ENERGÍA LIBRE Y CATÁLISIS Las reacciones químicas proceden en la dirección que causa una pérdida de energía libre Las enzimas reducen la energía necesaria para iniciar reacciones espontáneas El cambio de energía libre de una reacción determina si esta puede producirse DeltaG se modifica a medida que la reacción procede hacia el equilibrio El cambio de energía libre estándar, AG°, permite la comparación de la energética de diferentes reacciones La constante de equilibrio es directamente proporcional a AG° En las reacciones complejas, la constante de equilibrio incluye las concentraciones de todos los reactivos y productos La constante de equilibrio también indica la fuerza de las interacciones de enlaces no covalentes En las reacciones secuenciales, los cambios de energía libre son aditivos Las reacciones catalizadas por enzimas dependen de colisiones moleculares rápidas Las interacciones no covalentes permiten que las enzimas se unan a moléculas específicas MOLÉCULAS TRANSPORTADORAS ACTIVADAS Y BIOSÍNTESIS La formación de una molécula transportadora activada está acoplada a una reacción energéticamente favorable El ATP es la molécula transportadora activada más utilizada La energía almacenada en el ATP se aprovecha, a menudo, para unir dos moléculas NADH y NADPH son moléculas transportadoras activadas de electrones NADPH y NADH cumplen diferentes funciones en las células Las células utilizan muchas otras moléculas transportadoras activadas La síntesis de los polímeros biológicos requiere un aporte de energía CAPÍTULO 4 Estructura y función de las proteínas FORMA Y ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS La forma de una proteína es especificada por su secuencia de aminoácidos Las proteínas se pliegan en una conformación de mínima energía Las proteínas adoptan una gran variedad de formas complejas La hélice alfa y la hoja beta son patrones de plegamiento frecuentes Las hélices se forman fácilmente en las estructuras biológicas Las hojas beta forman estructuras rígidas en el centro de muchas proteínas Las proteínas mal plegadas pueden formar estructuras amiloides que causan enfermedad Las proteínas tienen varios niveles de organización Las proteínas también contienen regiones no estructuradas De las numerosas cadenas polipeptídicas posibles, pocas serán útiles Las proteínas pueden clasificarse en familias Las moléculas proteicas grandes, a menudo, contienen más de una cadena polipeptídica Las proteínas pueden ensamblarse en filamentos, hojas o esferas Algunos tipos de proteínas tienen formas fibrosas alargadas Las proteínas extracelulares a menudo son estabilizadas por enlaces cruzados covalentes CÓMO FUNCIONAN LAS PROTEÍNAS Todas las proteínas se unen a otras moléculas Los seres humanos producen miles de millones de anticuerpos distintos, cada uno con un sitio de unión diferente Las enzimas son catalizadores potentes y muy específicos Las enzimas aceleran mucho la velocidad de las reacciones químicas La lisozima ilustra cómo funciona una enzima Muchos fármacos inhiben enzimas Moléculas pequeñas estrechamente unidas suman funciones adicionales a las proteínas CÓMO SE CONTROLAN LAS PROTEÍNAS Las actividades catalíticas de las enzimas son reguladas, a menudo, por otras moléculas Las enzimas alostéricas tienen dos o más sitios de unión que influyen entre sí La fosforilación puede controlar la actividad proteica por inducción de un cambio conformacional Las modificaciones covalentes también controlan la localización y la interacción de las proteínas Las proteínas de unión al GTP son activadas y desactivadas por la ganancia y la pérdida de un grupo fosfato La hidrólisis del ATP permite que las proteínas motoras produzcan movimientos dirigidos en las células Las proteínas forman, a menudo, grandes complejos que funcionan como maquinarias Los andamiajes reúnen muchas proteínas interactivas Las interacciones débiles entre macromoléculas pueden producir grandes subcompartimentos bioquímicos en las células CÓMO SE ESTUDIAN LAS PROTEÍNAS Las proteínas pueden ser purificadas a partir de células o tejidos La determinación de la estructura de una proteína comienza con la determinación de su secuencia de aminoácidos Las técnicas de ingeniería genética permiten la producción, la creación y el análisis en gran escala de casi cualquier proteína El parentesco de las proteínas ayuda a predecir su estructura y función CAPÍTULO 5 DNA y cromosomas ESTRUCTURA DEL DNA Una molécula de DNA está formada por dos cadenas complementarias de nucleótidos La estructura del DNA proporciona un mecanismo para la herencia ESTRUCTURA DE LOS CROMOSOMAS EUCARIONTES El DNA eucarionte es empaquetado en múltiples cromosomas Los cromosomas organizan y transportan información genética Se requieren secuencias de DNA especializadas para la replicación del DNA y la segregación de los cromosomas Los cromosomas en interfase no están distribuidos de manera aleatoria dentro del núcleo El DNA de los cromosomas siempre está muy condensado Los nucleosomas son las unidades básicas de la estructura de los cromosomas eucariontes El empaquetamiento de cromosomas se produce en múltiples niveles REGULACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LOS CROMOSOMAS Los cambios de estructura de los nucleosomas permiten el acceso al DNA Los cromosomas en interfase contienen formas tanto altamente condensadas como más extendidas de cromatina CAPÍTULO 6 Replicación y reparación del DNA REPLICACIÓN DEL DNA El apareamiento de bases permite la replicación del DNA La síntesis del DNA se inicia en los orígenes de replicación Se forman dos horquillas de replicación en cada origen de replicación La DNA polimerasa sintetiza DNA utilizando una hebra madre como molde La horquilla de replicación es asimétrica La DNA polimerasa se corrige a sí misma Segmentos cortos de RNA actúan como cebadores para la síntesis del DNA Las proteínas en una horquilla de replicación cooperan para formar una maquinaria de replicación La telomerasa replica los extremos de los cromosomas eucariontes La longitud del telómero varía según el tipo celular y la edad REPARACIÓN DEL DNA El daño del DNA se produce de manera continua en las células Las células poseen una variedad de mecanismos para reparar el DNA Un sistema de reparación de apareamientos erróneos del DNA elimina los errores de replicación que escapan a la corrección Las roturas bicatenarias del DNA requieren una estrategia de reparación diferente La recombinación homologa permite una reparación perfecta de las roturas bicatenarias del DNA La falta de reparación del daño del DNA puede tener graves consecuencias para una célula o un organismo Las secuencias genómicas conservan un registro de la fidelidad de la replicación y la reparación del DNA CAPÍTULO 7 Del DNA a la proteína: cómo leen el genoma las células DEL DNA AL RNA Porciones de la secuencia de DNA son transcritas a RNA La transcripción produce RNA, que es complementario de una cadena de DNA Las células producen diversos tipos de RNA Las señales en el DNA le indican a la RNA polimerasa dónde comenzar y dónde terminar la transcripción La iniciación de la transcripción de genes eucariontes es un proceso complejo La RNA polimerasa eucarionte requiere factores de transcripción general Los mRNA eucariontes son procesados en el núcleo En los eucariontes, los genes que codifican proteínas están interrumpidos por secuencias no codificantes denominadas intrones Los intrones son eliminados de los pre-mRNA mediante corte y empalme del RNA La síntesis y el procesamiento del RNA tienen lugar en "fábricas" dentro del núcleo Los mRNA eucariontes maduros son exportados del núcleo Las moléculas de mRNA finalmente son degradadas en el citosol DEL RNA A LA PROTEÍNA Una secuencia de mRNA es decodificada en grupos de tres nucleótidos Las moléculas de tRNA emparejan a los aminoácidos con los codones del mRNA Enzimas específicas acoplan los tRNA al aminoácido correcto El mensaje del mRNA es decodificado en los ribosomas El ribosoma es una ribozima Codones específicos de un mRNA le señalan al ribosoma dónde iniciar y terminar la síntesis proteica Las proteínas son producidas en polirribosomas Los inhibidores de la síntesis de proteínas procariontes se utilizan como antibióticos La degradación proteica controlada ayuda a regular la cantidad de cada proteína en una célula Hay muchos pasos entre el DNA y la proteína EL RNA Y LOS ORÍGENES DE LA VIDA La vida requiere autocatálisis El RNA puede almacenar información y catalizar reacciones químicas Se considera que el RNA precedió al DNA en la evolución CAPÍTULO 8 Control de la expresión génica GENERALIDADES SOBRE LA EXPRESIÓN GÉNICA Los diferentes tipos de células de un organismo multicelular contienen el mismo DNA Diferentes tipos de células producen diferentes grupos de proteínas Una célula puede modificar la expresión de sus genes en respuesta a señales externas La expresión génica puede ser regulada en diversos pasos del DNA al RNA a la proteína REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN Los reguladores de la transcripción se unen a secuencias de DNA reguladoras Los cambios de transcripción permiten que las células respondan a cambios de su entorno Los represores desactivan los genes y los activadores los activan El operón Lac es controlado por un activador y un represor Los reguladores de la transcripción eucariontes controlan la expresión génica a distancia Los reguladores de la transcripción eucariontes ayudan a iniciar la transcripción, reclutando proteínas modificadoras de la cromatina La disposición de los cromosomas en dominios en bucle mantiene bajo control a los potenciadores GENERACIÓN DE TIPOS CELULARES ESPECIALIZADOS Los genes eucariontes son controlados por combinaciones de reguladores de la transcripción La expresión de diferentes genes puede ser coordinada por una sola proteína El control combinatorio también puede generar diferentes tipos celulares La formación de todo un órgano puede ser desencadenada por un único regulador de la transcripción Los reguladores de la transcripción pueden utilizarse para dirigir experimentalmente la formación de tipos celulares específicos en cultivo Las células diferenciadas mantienen su identidad CONTROLES POSTRANSCRIPCIÓN Los mRNA contienen secuencias que controlan su traducción Los RNA reguladores controlan la expresión de miles de genes Los micro-RNA dirigen la destrucción de mRNA diana Los RNA de interferencia pequeños protegen a las células de las infecciones Miles de RNA no codificantes largos también pueden regular la actividad de genes de mamíferos CAPÍTULO 9 Evolución de los genes y genomas GENERACIÓN DE VARIACIÓN GENÉTICA En los organismos que se reproducen sexualmente, solo los cambios de la línea germinal se transmiten a la progenie Las mutaciones puntiformes son causadas por fallos de los mecanismos normales de copia y reparación del DNA Las mutaciones también pueden modificar la regulación de un gen Las duplicaciones de DNA dan origen a familias de genes relacionados La duplicación y divergencia dieron origen a la familia de genes de globina Las duplicaciones de genomas completos han modelado la historia evolutiva de muchas especies Se pueden crear nuevos genes por reordenamiento de exones Los elementos genéticos móviles han ejercido una profunda influencia en la evolución de los genomas La transferencia génica horizontal hace posible el intercambio de genes entre organismos RECONSTRUCCIÓN DEL ÁRBOL FAMILIAR DE LA VIDA Es probable que se conserven los cambios genéticos que confieren una ventaja selectiva Los organismos estrechamente relacionados tienen genomas que son similares en cuanto a su organización y su secuencia Las regiones del genoma funcionalmente importantes aparecen como islas de secuencias de DNA conservadas Las comparaciones genómicas muestran que los genomas de los vertebrados ganan y pierden DNA con rapidez La conservación de secuencias nos permite rastrear, incluso, las relaciones evolutivas más distantes ELEMENTOS GENÉTICOS MÓVILES Y VIRUS Los elementos genéticos móviles codifican los componentes que necesitan para el movimiento E genoma humano contiene dos familias principales de secuencias transponibles Los virus pueden moverse entre células y organismos Los retrovirus revierten el flujo normal de información genética EXPLORACIÓN DEL GENOMA HUMANO Las secuencias nucleotídicas de los genomas humanos muestran la disposición de nuestros genes Las diferencias de regulación génica pueden ayudar a explicar cómo animales con genomas similares pueden ser tan diferentes El genoma de neandertales extintos revela mucho acerca de lo que nos hace humanos La variación del genoma contribuye a nuestra individualidad, pero ¿cómo? CAPÍTULO 10 Análisis de la estructura y función de los genes AISLAMIENTO Y CLONACIÓN DE MOLÉCULAS DE DNA Las enzimas de restricción cortan las moléculas de DNA en sitios específicos La electroforesis en gel separa fragmentos de DNA de diferentes tamaños La clonación del DNA comienza con la producción de DNA recombinante El DNA recombinante puede ser copiado en el interior de células bacterianas Todo un genoma puede estar representado en una genoteca de DNA La hibridación proporciona una manera sensible de detectar secuencias nucleotídicas específicas CLONACIÓN DEL DNA POR PCR La PCR utiliza DNA polimerasa y cebadores de DNA específicos para amplificar secuencias de DNA en un tubo de ensayo La PCR tiene aplicaciones diagnósticas y forenses SECUENCIACIÓN DEL DNA La secuenciación por método didesoxi depende del análisis de cadenas de DNA terminadas en cada posición Las técnicas de secuenciación de próxima generación tornan más rápida y más económica la secuenciación de genomas Los análisis genómicos comparativos pueden identificar genes y predecir su función EXPLORACIÓN DE LA FUNCIÓN GÉNICA El análisis de mRNA proporciona una instantánea de la expresión génica La hibridación in situ puede revelar cuándo y dónde se expresa un gen Los genes indicadores permiten rastrear proteínas específicas en células vivas El estudio de mutantes puede ayudar a revelar la función de un gen 3 La interferencia por RNA (RNAi) inhibe la actividad de genes específicos Un gen conocido puede ser eliminado o reemplazado por una versión modificada Los genes pueden ser editados con gran precisión mediante el uso del sistema CRISPR bacteriano Los organismos mutantes proporcionan modelos útiles de enfermedad humana Las plantas transgénicas son importantes tanto para la biología celular como para la agricultura El DNA clonado permite sintetizar grandes cantidades de proteínas, incluso las raras CAPÍTULO 11 Estructura de la membrana BICAPA LIPÍDICA Los lípidos de membrana forman bicapas en el agua La bicapa lipídica es un líquido flexible bidimensional La fluidez de una bicapa lipídica depende de su composición El ensamblado de la membrana comienza en el retículo endoplasmático Ciertos fosfolípidos están confinados a un lado de la membrana PROTEÍNAS DE MEMBRANA Las proteínas de membrana se asocian con la bicapa lipídica de diferentes maneras Una cadena polipeptídica suele cruzar la bicapa lipídica como una hélice alfa Las proteínas de membrana pueden ser solubilizadas en detergentes Conocemos la estructura completa de relativamente pocas proteínas de membrana La membrana plasmática es reforzada por la corteza celular subyacente Una célula puede restringir el movimiento de sus proteínas de membrana La superficie celular está cubierta de hidratos de carbono CAPÍTULO 12 Transporte a través de las membranas celulares PRINCIPIOS DEL TRANSPORTE TRANSMEMBRANA Las bicapas lipídicas son impermeables a los iones y la mayoría de las moléculas polares sin carga Las concentraciones de iones en el interior y el exterior de una célula son muy diferentes Las diferencias de concentración de iones inorgánicos a través de una membrana celular generan un potencial de membrana Las células contienen dos clases de proteínas de transporte de membrana: transportadores y canales Los solutos cruzan las membranas mediante transporte pasivo o activo Tanto el gradiente de concentración como el potencial de membrana influyen en el transporte pasivo de solutos con carga El agua se mueve a través de las membranas celulares siguiendo su gradiente de concentración, un proceso denominado ósmosis TRANSPORTADORES Y SUS FUNCIONES Los transportadores pasivos mueven un soluto en favor de su gradiente electroquímico Las bombas transportan activamente un soluto en contra de su gradiente electroquímico La bomba de Na+ de las células animales utiliza la energía suministrada por el ATP para expulsar Na+ e introducir K+ La bomba de Na+ genera un pronunciado gradiente de concentración de Na+ a través de la membrana plasmática Las bombas de Ca2+ mantienen baja la concentración citosólica de Ca2+ Las bombas impulsadas por gradiente aprovechan los gradientes de solutos para mediar el transporte activo El gradiente electroquímico de Na+ impulsa el transporte de glucosa a través de la membrana plasmática de células animales Los gradientes electroquímicos de H+ impulsan el transporte de solutos en plantas, hongos y bacterias CANALES IÓNICOS Y POTENCIAL DE MEMBRANA Los canales iónicos son selectivos para iones y están regulados La permeabilidad de la membrana a iones específicos rige el potencial de membrana Los canales alternan aleatoriamente entre estados abiertos y cerrados Diferentes tipos de estímulos influyen en la apertura y el cierre de los canales iónicos Los canales regulados por voltaje responden al potencial de membrana CANALES IÓNICOS Y SEÑALIZACIÓN DE CÉLULAS NERVIOSAS Los potenciales de acción permiten una rápida comunicación a larga distancia a lo largo de los axones Los potenciales de acción son mediados por canales catiónicos regulados por voltaje Los canales de Ca2+ regulados por voltaje de las terminaciones nerviosas convierten una señal eléctrica en una señal química Los canales iónicos regulados por transmisor en la membrana postsináptica vuelven a convertir la señal química en una señal eléctrica Los neurotransmisores pueden ser excitadores o inhibidores La mayoría de los fármacos psicoactivos afectan la señalización sináptica por unión a receptores de neurotransmisores La complejidad de la señalización sináptica nos permite pensar, actuar, aprender y recordar Los canales iónicos regulados por luz pueden utilizarse para activar o inactivar transitoriamente neuronas en animales vivos CAPÍTULO 13 Cómo obtienen las células energía de los alimentos DEGRADACIÓN Y UTILIZACIÓN DE AZÚCARES Y GRASAS Las moléculas de alimentos se degradan en tres etapas La glucólisis extrae energía de la división del azúcar La glucólisis produce ATP y NADH En ausencia de oxígeno, las fermentaciones pueden producir ATP Las enzimas glucolíticas acoplan la oxidación al almacenamiento de energía en proteínas transportadoras activadas Varios tipos de moléculas orgánicas son convertidas en acetil CoA en la matriz mitocondrial El ciclo del ácido cítrico genera NADH por oxidación de grupos acetilo a C02 Numerosas vías biosintéticas comienzan con la glucólisis o el ciclo del ácido cítrico El transporte de electrones impulsa la síntesis de la mayor parte del ATP en la mayoría de las células REGULACIÓN DEL METABOLISMO Las reacciones catabólicas y anabólicas están organizadas y reguladas La regulación por retroalimentación permite que las células pasen de la degradación de glucosa a la síntesis de glucosa Las células almacenan moléculas de alimento en reservorios especiales a fin de preparase para períodos de necesidad CAPÍTULO 14 Generación de energía en las mitocondrias y los cloroplastos Las células obtienen la mayor parte de su energía mediante un mecanismo basado en membranas El acoplamiento quimiosmótico es un proceso antiguo, conservado en las células actuales MITOCONDRIAS Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Las mitocondrias son dinámicas en estructura, localización y número Una mitocondria contiene una membrana externa, una membrana interna y dos compartimentos internos El ciclo del ácido cítrico genera electrones de alta energía requeridos para la producción de ATP El movimiento de electrones se acopla al bombeo de protones Los electrones pasan a través de tres grandes complejos enzimáticos presentes en la membrana mitocondrial interna El bombeo de protones genera un pronunciado gradiente electroquímico de protones a través de la membrana mitocondrial interna La ATP sintasa utiliza la energía almacenada en el gradiente electroquímico de protones para producir ATP El gradiente electroquímico de protones también impulsa el transporte a través de la membrana mitocondrial interna La rápida conversión del ADP en ATP en las mitocondrias mantiene un alto cociente ATP/ADP en las células La respiración celular es asombrosamente eficaz MECANISMOS MOLECULARES DEL TRANSPORTE DE ELECTRONES Y EL BOMBEO DE PROTONES La transferencia de electrones moviliza a los protones con facilidad El potencial redox es una medida de las afinidades por los electrones Las transferencias de electrones liberan grandes cantidades de energía Los metales estrechamente unidos a proteínas forman diferentes moléculas transportadoras de electrones La citocromo c oxidasa cataliza la reducción del oxígeno molecular CLOROPLASTOS Y FOTOSÍNTESIS Los cloroplastos se asemejan a las mitocondrias, pero tienen un compartimento adicional: el tilacoide La fotosíntesis genera ATP y NADPH, y luego los consume Las moléculas de clorofila absorben la energía de la luz solar Las moléculas de clorofila excitadas canalizan energía hacia un centro de reacción Un par de fotosistemas cooperan para generar ATP y NADPH El oxígeno es generado por un complejo que divide agua, que se asocia con el fotosistema II El par especial del fotosistema I recibe sus electrones del fotosistema II La fijación de carbono utiliza ATP y NADPH para convertir C02 en azúcares Los azúcares generados por la fijación de carbono pueden almacenarse como almidón o consumirse para producir ATP EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS GENERADORES DE ENERGÍA La fosforilación oxidativa evolucionó en etapas Las bacterias fotosintéticas demandaron aún menos de su ambiente El estilo de vida de Methanococcus hace pensar que el acoplamiento quimiosmótico es un proceso antiguo CAPÍTULO 15 Compartimentos intracelulares y transporte de proteínas ORGÁNULOS LIMITADOS POR MEMBRANA Las células eucariontes contienen un conjunto básico de orgánulos limitados por membrana Los orgánulos limitados por membrana evolucionaron de diferentes maneras DISTRIBUCIÓN DE LAS PROTEÍNAS Las proteínas son transportadas al interior de los orgánulos mediante tres mecanismos Las secuencias señal dirigen las proteínas al compartimento correcto Las proteínas ingresan en el núcleo a través de los poros nucleares Las proteínas se desenrollan para ingresar en las mitocondrias y los cloroplastos Las proteínas ingresan en los peroxisomas tanto desde el citosol como desde el retículo endoplasmático Las proteínas ingresan en el retículo endoplasmático mientras son sintetizadas Las proteínas solubles producidas en el RE son liberadas a su luz Las señales de inicio y detención determinan la disposición de una proteína transmembrana en la bicapa lipídica TRANSPORTE VESICULAR Las vesículas de transporte llevan proteínas solubles y fragmentos de membrana entre los compartimentos El desprendimiento de las vesículas es impulsado por el ensamblado de una cubierta proteica La fijación de vesículas depende de ataduras y SNAREs VÍAS SECRETORAS La mayoría de las proteínas son sometidas a modificaciones covalentes en el RE La salida del RE se controla para garantizar la calidad de la proteína El tamaño del RE es controlado por la demanda de proteínas plegadas Las proteínas son modificadas y especializadas en forma adicional en el aparato de Golgi Las proteínas secretoras son liberadas de la célula por exocitosis VÍAS ENDOCÍTICAS Las células fagocíticas especializadas ingieren partículas grandes Se captan líquido y macromoléculas mediante pinocitosis La endocitosis mediada por receptores proporciona una vía específica en las células animales Las macromoléculas endocitadas son clasificadas para su distribución en los endosomas Los lisosomas son los principales sitios de digestión intracelular CAPÍTULO 16 Señalización celular PRINCIPIOS GENERALES DE LA SEÑALIZACIÓN CELULAR Las señales pueden actuar a corto o a largo alcance Un conjunto limitado de señales extracelulares puede producir una enorme variedad de comportamientos celulares La respuesta de una célula a una señal puede ser rápida o lenta Los receptores de la superficie celular transmiten señales extracelulares a través de vías de señalización intracelular Algunas proteínas de señalización intracelular actúan como interruptores moleculares Existen tres clases principales de receptores de la superficie celular Los receptores acoplados a canales iónicos convierten a las señales químicas en señales eléctricas RECEPTORES ACOPLADOS A PROTEÍNAS G La estimulación de los GPCR activa subunidades de proteínas G Algunas toxinas bacterianas causan enfermedad al alterar la actividad de las proteínas G Algunas proteínas G regulan canales iónicos de manera directa Muchas proteínas G activan enzimas unidas a la membrana que producen pequeñas moléculas mensajeras La vía de señalización del AMP cíclico puede activar enzimas y genes La vía del fosfolípido de inositol desencadena un aumento en el Ca2+ intracelular Una señal de Ca2+ desencadena muchos procesos biológicos Una vía de señalización de GPCR genera un gas disuelto que transporta una señal a células adyacente Las cascadas de señalización intracelular desencadenadas por GPCR pueden alcanzar velocidad, sensibilidad y adaptabilidad asombrosas RECEPTORES ACOPLADOS A ENZIMAS Los RTK activados recluían un complejo de proteínas de señalización intracelular La mayoría de los RTK activan la GTPasa monomérica Ras Los RTK activan la Pl 3-cinasa para producir sitios de atraque de lípidos en la membrana plasmática Algunos receptores activan una vía rápida hacia el núcleo Algunas moléculas de señalización extracelular cruzan la membrana plasmática y se unen a receptores intracelulares Las plantas utilizan receptores y estrategias de señalización que difieren de las utilizadas por los animales Las redes de proteínas cinasas integran información para controlar comportamientos celulares complejos CAPÍTULO 17 Citoesqueleto FILAMENTOS INTERMEDIOS Los filamentos intermedios son resistentes y se asemejan a cuerdas Los filamentos intermedios confieren resistencia a las células contra el esfuerzo mecánico La envoltura nuclear está sostenida por una malla de filamentos intermedios Las proteínas conectoras vinculan filamentos citoesqueléticos y "puentean" la envoltura nuclear MICROTÚBULOS Los microtúbulos son tubos huecos con extremos que presentan estructuras específicas El centrosoma es el principal centro organizador de microtúbulos en las células animales Los microtúbulos presentan inestabilidad dinámica La inestabilidad dinámica es impulsada por hidrólisis del GTP Existen fármacos que pueden modificar la dinámica de los microtúbulos Los microtúbulos organizan el interior de la célula Las proteínas motoras impulsan el transporte intracelular Los microtúbulos y las proteínas motoras determinan la posición de los orgánulos en el citoplasma Los cilios y los flagelos contienen microtúbulos estables movidos por dineína FILAMENTOS DE ACTINA Los filamentos de actina son delgados y flexibles La actina y la tubulina se polimerizan mediante mecanismos similares Numerosas proteínas se unen a la actina y modifican sus propiedades Por debajo de la membrana plasmática de la mayoría de las células eucariontes hay una corteza rica en filamentos de actina La reptación celular depende de la actina cortical Las proteínas de unión a actina influyen en el tipo de protrusiones formadas en el borde de avance Las señales extracelulares pueden modificar la disposición de los filamentos de actina La actina se asocia con la miosina para formar estructuras contráctiles CONTRACCIÓN MUSCULAR La contracción muscular depende de la interacción de filamentos de actina y miosina Durante la contracción muscular, los filamentos de actina se deslizan contra los filamentos de miosina La contracción muscular es desencadenada por un súbito aumento del Ca2+ citosólico Distintos tipos de células musculares cumplen diferentes funciones CAPÍTULO 18 Ciclo de división celular GENERALIDADES SOBRE EL CICLO CELULAR El ciclo celular eucarionte suele consistir en cuatro fases Un sistema de control del ciclo celular desencadena los principales procesos del ciclo celular El control del ciclo celular es similar en todos los eucariontes SISTEMA DE CONTROL DEL CICLO CELULAR El sistema de control del ciclo celular depende de la activación cíclica de proteínas cinasas denominadas Cdk Distintos complejos ciclina-Cdk desencadenan diferentes pasos en el ciclo celular Las concentraciones de ciclina son reguladas por transcripción y proteólisis La actividad de los complejos ciclina-Cdk depende de fosforilación y desfosforilación La actividad de Cdk puede ser bloqueada por proteínas inhibidoras de Cdk El sistema de control del ciclo celular puede detener el ciclo de diversas maneras FASE G1 Las Cdk son inactivadas en forma estable en G1 Los mitógenos promueven la producción de ciclinas que estimulan la división celular El daño del DNA puede detener, de manera transitoria, la progresión a través de G1 Las células pueden retrasar la división durante períodos prolongados al ingresar en estados no proliferativos especializados FASE S El complejo S-Cdk inicia la replicación del DNA y bloquea una nueva replicación La replicación incompleta puede detener el ciclo celular en G2 FASE M El complejo M-Cdk impulsa el ingreso en la mitosis Las cohesinas y las condensinas ayudan a configurar los cromosomas duplicados para la separación Diferentes citoesqueletos ensamblados llevan a cabo la mitosis y la citocinesis La fase M tiene lugar en etapas MITOSIS Los centrosomas se duplican para ayudar a formar los dos polos del huso mitótico El huso mitótico comienza a ensamblarse en la profase Los cromosomas se unen al huso mitótico en la prometafase Los cromosomas ayudan a ensamblar el huso mitótico En la metafase, los cromosomas se alinean en el ecuador del huso La proteólisis desencadena la separación de cromátidas hermanas en la anafase Los cromosomas se segregan durante la anafase Un cromosoma no unido impedirá la separación de las cromátidas hermanas La envoltura nuclear se reconstruye en la telofase CITOCINESIS El huso mitótico determina el plano de segmentación citoplasmático El anillo contráctil de las células animales está compuesto por filamentos de actina y miosina En las células vegetales, la citocinesis implica la formación de una pared celular nueva Cuando una célula se divide, se deben distribuir los orgánulos limitados por membrana entre las células hijas CONTROL DEL NÚMERO Y EL TAMAÑO DE LAS CÉLULAS La apoptosis ayuda a regular el número de células animales La apoptosis es mediada por una cascada proteolítica intracelular El programa intrínseco de muerte por apoptosis es regulado por la familia de proteínas intracelulares Las señales apoptóticas también pueden proceder de otras células Las células animales requieren señales extracelulares para sobrevivir, crecer y dividirse Los factores de supervivencia suprimen la apoptosis Los mitógenos estimulan la división celular al promover el ingreso en la fase S Los factores de crecimiento estimulan el crecimiento celular Algunas proteínas de señalización extracelular inhiben la supervivencia, la división o el crecimiento de las células CAPÍTULO 19 Reproducción sexual y genética BENEFICIOS DE LA REPRODUCCIÓN SEXUAL En la reproducción sexual, intervienen células diploides y haploides La reproducción sexual genera diversidad genética La reproducción sexual les confiere a los organismos una ventaja competitiva en un entorno cambiante MEIOSIS Y FECUNDACIÓN La meiosis consiste en una ronda de replicación de DNA, seguida de dos rondas de división nuclear Los cromosomas homólogos duplicados se aparean durante la profase meiótica Se produce entrecruzamiento (crossing over) entre los cromosomas materno y paterno duplicados de cada bivalente El apareamiento y el entrecruzamiento de los cromosomas aseguran la correcta segregación de los homólogos La segunda división meiótica produce núcleos hijos haploides Los gametos haploides contienen información genética recombinada La meiosis no es perfecta La fecundación reconstituye un genoma diploide completo MENDEL Y LAS LEYES DE LA HERENCIA Mendel estudió rasgos que se heredan por separado Mendel refutó las teorías alternativas de la herencia Los experimentos de Mendel revelaron la existencia de alelos dominantes y recesivos Cada gameto es portador de un solo alelo para cada característica La ley de la segregación de Mendel se aplica a todos los organismos que se dividen por reproducción sexual Los alelos para rasgos diferentes se segregan en forma independiente El comportamiento de los cromosomas durante la meiosis es la base de las leyes de la herencia de Mendel Los genes que residen en el mismo cromosoma pueden segregarse independientemente tras el entrecruzamiento Las mutaciones génicas pueden causar una pérdida o una ganancia de función Todos somos portadores de numerosas mutaciones recesivas potencialmente nocivas LA GENÉTICA COMO HERRAMIENTA EXPERIMENTAL El enfoque genético clásico comienza con la mutagénesis aleatoria Los cribados genéticos permiten identificar mutantes con deficiencias en procesos celulares específicos Los mutantes condicionales permiten el estudio de mutaciones letales Una prueba de complementación revela si dos mutaciones se localizan en el mismo gen EXPLORACIÓN DE LA GENÉTICA HUMANA Nuestros antepasados nos han transmitido bloques ligados de polimorfismos Los polimorfismos aportan indicios sobre nuestra historia evolutiva Los estudios genéticos colaboran en la búsqueda de las causas de las enfermedades humanas Muchas enfermedades humanas graves y raras son causadas por mutaciones en genes individuales Múltiples mutaciones y factores ambientales suelen influir en enfermedades humanas frecuentes Los estudios de asociación en todo el genoma pueden ayudar a buscar mutaciones asociadas con enfermedad Aún tenemos mucho que aprender acerca de la base genética de la variación humana y la enfermedad CAPÍTULO 20 Comunidades celulares: tejidos, células madre y cáncer MATRIZ EXTRACELULAR Y TEJIDOS CONJUNTIVOS Las células vegetales tienen paredes externas resistentes Las microfibrillas de celulosa confieren a la pared de las células vegetales su resistencia a la tracción Los tejidos conjuntivos animales están formados, en gran medida, por matriz extracelular El colágeno le confiere a los tejidos conjuntivos animales resistencia a la tracción Las células organizan el colágeno que secretan Las integrinas acoplan la matriz extracelular al citoesqueleto intracelular Los geles de polisacáridos y proteínas llenan los espacios y resisten la compresión HOJAS EPITELIALES Y UNIONES CELULARES Las hojas epiteliales están polarizadas y descansan sobre una lámina basal Las uniones estrechas crean un epitelio impermeable y separan sus superficies apical y basolateral Las uniones conectadas al citoesqueleto mantienen a las células epiteliales firmemente ligadas entre sí y a la lámina basal Las uniones comunicantes permiten el pasaje intercelular de pequeñas moléculas y de iones inorgánicos citosólicos CÉLULAS MADRE Y RENOVACIÓN TISULAR Los tejidos son mezclas organizadas de muchos tipos celulares Diferentes tejidos se renuevan a distintas velocidades Las células madre y las células precursoras proliferativas generan un suministro continuo de células con diferenciación terminal Existen señales específicas que mantienen las poblaciones de células madre Las células madre pueden utilizarse para reparar tejidos perdidos o dañados Las células madre pluripotenciales inducidas proporcionan una fuente conveniente de células semejantes a las CME humanas Las células madre pluripotenciales humanas y de ratón pueden formar organoides en cultivo CÁNCER Las células cancerosas proliferan en exceso y migran de manera inapropiada Los estudios epidemiológicos identificaron causas del cáncer que pueden prevenirse Los cánceres se desarrollan debido a la acumulación de mutaciones somáticas Las células cancerosas evolucionan y adquieren una ventaja competitiva cada vez mayor Dos clases principales de genes son críticos para el cáncer: los oncogenes y los genes supresores de tumores Las mutaciones críticas para el cáncer se agrupan en unas pocas vías fundamentales El cáncer colorrectal ilustra cómo la pérdida de un gen supresor de tumores puede inducir cáncer El conocimiento de la biología de las células cancerosas abre el camino a nuevos tratamientos ; Título original: Essential cell biology; Incluye índice ER -