CMO FUNCIONA UNA CLULA? FISIOLOGA CELULARAutor: ANTONIO PEA

COMIT DE SELECCIN EDICIONES AGRADECIMIENTOS INTRODUCCIN I. LAS MOLCULAS Y LAS CLULAS II. EL METABOLISMO , O LAS TRANSFORMACIONES DE LAS

MOLCULAS EN LAS CLULAS III. LOS COMPONENTES CELULARES IV. ESPECIALIZACIN CELULAR REFERENCIAS COLOFN CONTRAPORTADA

COMIT DE SELECCIN

Dr. Antonio Alonso

Dr. Juan Ramn de la Fuente

Dr. Jorge Flores

Dr. Leopoldo Garca-Coln

Dr. Toms Garza

Dr. Gonzalo Halffter

Dr. Guillermo Haro

Dr. Jaime Martuscelli

Dr. Hctor Nava Jaimes

Dr. Manuel Peimbert

Dr. Juan Jos Rivaud

Dr. Emilio Rosenblueth

Dr. Jos Sarukhn

Guillermo Sobern

Coordinadora Fundadora:

Fsica Alejandra Jaidar

Coordinadora:

Mara del Carmen Faras

EDICIONES

Primera edicin, 1995

La Ciencia desde Mxico es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Econmica, al que pertenecen tambin sus derechos. Se publica con los auspicios de la Subsecretara de Educacin e Investigacin Cientfica de la SEP y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa.

D. R. 1995, FONDO DE CULTURA ECONMICA

Carretera Picacho-Ajusco 227; 14200 Mxico, D.F.

ISBN 968-16- 4365-8

Impreso en Mxico

AGRADECIMIENTOS

Agradezco muy en especial a

AURA PEA

la revisin cuidadosa que hizo del manuscrito

INTRODUCCIN

Uno de los temas de mayor inters para los seres humanos sin duda, es saber cmo funcionan las clulas. Como unidades de los seres vivos que son, su conocimiento resulta esencial para entender cmo trabajan los tejidos, los rganos y los sistemas. La agregacin de clulas les confiere propiedades adicionales, que no modifican la mayora de sus propiedades originales, pues sus funciones bsicas siguen siendo las mismas. Un organismo multicelular, no importa lo complejo que sea, contina basando su funcionamiento en el de cada una de sus clulas, agregando funciones a las ya existentes en ellas.

Los estudios sobre el comportamiento celular se iniciaron gracias a la accin de varias actividades paralelas, que poco a poco han ido convergiendo en un solo camino que tiende a integrar todos los conocimientos al respecto.

A partir del descubrimiento del microscopio por Van Leeuwenhoek, se inici el estudio de las funciones celulares que podan ser observadas con este instrumento, la divisin de las clulas por ejemplo. El descubrimiento del microscopio abri la posibilidad de observar objetos muy pequeos y tuvo a la vez el mrito enorme de haber estimulado la curiosidad de los humanos por conocer ms sobre las propiedades y caractersticas de tejidos y clulas.

De manera tanto independiente, a partir de los primeros aos del siglo pasado, comenz el estudio de la composicin qumica de los organismos vivos. Con cierta rapidez, se lleg a definir un enorme nmero de compuestos de todos tipos y complejidades que se podan aislar de los organismos vivos; se gener as una vasta rea del conocimiento humano, la llamada qumica orgnica.

Uno de los organismos que, desde antes del principio de los siglos que nuestro calendario cuenta, atrajo la atencin de los humanos, a causa de su utilidad en la fabricacin del pan y el vino fue la levadura. Pero slo a principios del siglo XIX| se iniciaron los estudios encaminados a conocer su funcionamiento, en principio dentro del marco de numerosas consideraciones religiosas y filosficas. Schwann, cientfico alemn, defini que la levadura era un organismo vivo, responsable de la fermentacin, e inici violenta polmica en contra de las crticas de otro cientfico, Liebig, quien no slo se opuso a las ideas de Schwann sino que hizo cruel burla de ellas. Muchos aos despus, Pasteur realiz los interesantes experimentos que confirmaron las ideas de Schwann y que fueron, en cierta forma, los precursores de la actual biotecnologa. Gracias a ellas se demostr que los problemas de la mala calidad de la cerveza francesa frente a la alemana provenan precisamente de la presencia de bacterias en los inculos de levadura que se utilizaban para la produccin de la bebida, y surgi la posibilidad de resolver el problema. La levadura es capaz de realizar la siguiente transformacin:

Glucosa 2C02 + 2 molculas de alcohol etlico

El inters por las levaduras se debe a que el C02 (bixido de carbono) es el que produce las burbujas en la masa de harina, que al hornearla, le dan suavidad al pan, ya que el alcohol es el principio activo de cientos y quiz miles de bebidas espirituosas en todo el mundo, adems de una sustancia de gran importancia industrial.

Hacia finales del siglo pasado, Bchner describi la capacidad de las clulas rotas de levadura, que podran ser consideradas muertas, de fermentar el azcar. Este descubrimiento abri la puerta para que muchos otros cientficos se lanzaran al estudio de tal transformacin. Desde de un principio se puso de manifiesto la enorme dificultad que implicaba aclarar la naturaleza del proceso. Se necesitaron muchos aos de trabajo y la labor de numerosos y brillantes investigadores para caracterizar el gran nmero de compuestos que intervenan. Qued claro que haba sustancias complejas, a las que se dio el nombre de enzimas (del griego zymos levadura) que eran responsables de producir las transformaciones de unos intermediarios en otros. Se fueron encontrando muchas otras sustancias que intervenan en el proceso y luego se descubri que en los msculos de los organismos vivos se daban transformaciones semejantes. Ms tarde se vio que el mismo proceso, como tal, o con algunas variaciones, tambin lo realizaban miles de organismos y prcticamente todos los tejidos vivos conocidos. Hacia los primeros aos de este siglo, a partir de esos descubrimientos, naci la bioqumica.

A continuacin se desarrollaron tambin los estudios sobre las transformaciones de otras sustancias, como las grasas y las protenas. El trabajo de decenas de aos de miles de investigadores de todo el mundo ha llevado al

estado actual de conocimiento que tenemos sobre el metabolismo, esa enorme y complicada serie de transformaciones que experimentan constantemente las sustancias que ingerimos o que producimos en nuestro organismo.

Al mismo tiempo, y con el desarrollo de mejores microscopios, se avanz en la descripcin de la estructura de los microorganismos, los tejidos animales y vegetales y su componente unitario, la clula. Aunque en un principio fue un proceso difcil y estuvo combinado con gran cantidad de imaginacin y especulacin, el conocimiento del interior de la clula aport hechos reales y teoras; con gran lentitud se fue descubriendo la imagen de los componentes, pero slo recientemente se le asign alguna funcin a cada uno. Uno de los grandes avances modernos fue el invento del microscopio electrnico, que aclar conceptos, ampli conocimientos, y cada da, aun en la poca actual, nos ofrece nueva informacin sobre la fina estructura de nuestras clulas.

A finales de los cuarenta se inici el camino para integrar los conocimientos sobre las formas o estructuras de las clulas y sus funciones. Por estas fechas se logr aislar los organelos celulares y se inici el difcil trabajo de aclarar sus funciones. Fue a partir de entonces que se inici un trabajo ms integrado, para conocer y relacionar las funciones y las estructuras; lo cual dio pie a que en la poca actual, la adquisicin de nuevos conocimientos gire alrededor de un esquema general que rene los conocimientos sobre la composicin y el funcionamiento de las molculas, las estructuras celulares, las clulas mismas, los tejidos, los rganos y los individuos.

Las caractersticas estructurales de los componentes celulares se pueden estudiar en las clulas ntegras. Tambin, en ocasiones, es posible inferir conceptos fisiolgicos de las imgenes que se observan, como sucede en el curso de la divisin celular, de donde se ha obtenido mucha informacin sobre los cromosomas y su divisin, su papel en la transmisin de las caractersticas hereditarias de unas clulas a otras, y otras propiedades de las clulas durante su divisin.

Por el contrario, en el caso de algunos organelos, es difcil obtener informacin slo con observar diferentes estados de la clula. Para conocerlos ha sido necesario obtenerlos en forma ms o menos pura, a partir de homogeneizados celulares hechos con ciertas precauciones. El caso del fraccionamiento de las clulas hepticas nos da idea de lo sencillo que resulta obtener algunos de sus componentes. En la figura 1 se presenta un esquema del sistema que se emplea para fraccionar por centrifugacin a velocidades variables los elementos de las clulas.

Figura 1. Sistema general para obtener organelos celulares. A partir de un homogeneizado de clulas rotas, por centrifugado a diferentes velocidades y tiempos, se obtienen los distintos organelos.

Para hacer un homogeneizado, primero se cortan con unas tijeras fragmentos pequeos de tejido. Se utiliza un

medio isotnico, es decir, que contenga una concentracin de sustancias semejantes a la de las clulas y organelos, para que los cambios de la presin osmtica conserven al mximo la estructura y la funcin de los componentes.

Luego se coloca el homogeneizado en un tubo de centrifugacin y se pasa a travs de una gasa, para eliminar los fragmentos de tejido que no se han roto y material fibroso. Si se somete a centrifugacin a una velocidad que aumente 600 veces la fuerza de la gravedad, en unos diez minutos se van al fondo las clulas completas y los ncleos. Tambin es factible utilizar procedimientos adicionales para purificar los ncleos, lavndolos de diferentes maneras y volvindolos a separar por centrifugacin.

El sobrenadante de esta primera centrifugacin se puede someter luego a una fuerza centrfuga 15 000 veces mayor que la gravedad. As se obtiene un paquete o pastilla de material en el fondo, que contiene en su mayor parte mitocondrias, lisosomas y otras partculas, como los centriolos. Tambin hay procedimientos para purificar cada uno de estos componentes.

Si se toma el sobrenadante de esta segunda centrifugacin y se somete ahora a una fuerza 105 000 veces mayor que la de la gravedad durante 60 minutos, se obtiene la llamada fraccin microsomal (de microsomas), formada principalmente por vesculas del retculo endoplsmico, muchas de las cuales tienen adheridos los ribosomas. Por este procedimiento, utilizando sustancias que permiten liberar los ribosomas de las membranas, por ejemplo un detergente, y centrifugando de nuevo a la misma velocidad, se obtienen los ribosomas puros.

Finalmente, al sobrenadante que resulta de la centrifugacin a 105 000 x g, se le llama fraccin soluble o citosol, y representa solamente una dilucin del material no particulado de la clula en el medio de homogeneizacin.

Las fracciones que se obtienen as se utilizan para muchos estudios que nos dan informacin sobre las funciones de cada organelo. Es claro que los mtodos para romper y homogeneizar las clulas varan de unos tejidos o tipos celulares a otros, y el caso de las clulas hepticas no es ms que un ejemplo de uno de los mtodos ms sencillos que hay.

Si queremos acercarnos al conocimiento de las funciones celulares, no debemos olvidar el papel que desempearon los microorganismos en estas investigaciones; aunque mencionamos a la levadura, participaron muchos otros microbios, entre los que destaca el colibacilo o Escherichia coli, humilde bacteria que crece en el intestino de casi todos los humanos. De hecho, aquellos estudios que se iniciaron por simple curiosidad, permitieron saber que hay grandes variaciones en el comportamiento metablico de los microbios y los hongos microscpicos. De los estudios bsicos de los cientficos surgieron productos de gran beneficio para la humanidad, como las sulfas o los antibiticos. Este trabajo de investigacin llev a desarrollar la biotecnologa, el amplio campo donde se obtienen diversos productos de los seres vivos.

Otro captulo importante, iniciado en los aos cincuenta, fue la posibilidad de cultivar clulas de organismos superiores; posteriormente se desarroll el conocimiento sobre sus funciones. Por ejemplo, no slo se pudo llegar a cultivarlas, sino se demostr que una clula de un organismo es capaz de regenerarlo; tambin se encontr que cultivando clulas vegetales, en algunos casos se pueden reproducir de manera mucho ms rpida que por la siembra, variedades de plantas que conservan sus caractersticas. Los cultivos celulares pueden ser invadidos por los virus, pero esto, que pudiera parecer una tragedia, ha servido para reproducir algunos de estos agentes patgenos y as elaborar algunas vacunas contra ellos.

Este libro busca acercar al lector al conocimiento de algunas de las funciones generales de las clulas, para que se asome al mundo maravilloso de las estructuras y el acomodo de funciones extraordinarias que tienen cabida en un espacio tan pequeo. Casi todos creemos que una neurona y una clula muscular se comportan de manera muy distinta; sin embargo, al revisar sus funciones fundamentales resulta que son muchas ms las semejanzas que las diferencias, y que es posible establecer un patrn o sistema general de comportamiento, no slo de las clulas, sino de sus componentes, la membrana, los organitos u organelos celulares, el ncleo, las mitocondrias, etc. Adems, esto es vlido no slo en lo que se refiere a las funciones, que tpicamente se describen a nivel fisiolgico (como la reproduccin, el movimiento u otras caractersticas) sino para la base de las funciones celulares que es en ltima instancia la gigantesca serie de transformaciones qumicas, el gran nmero de interacciones de sus molculas, en el intrincado mundo en el cual ya no es posible diferenciar entre la bioqumica, la biologa molecular y la fisiologa de las clulas. Todo el conocimiento se va integrando dentro del rea que recibe el nombre de biologa celular o fisiologa celular.

Como consecuencia, se busca presentar una imagen integral de las funciones celulares, sin diferenciar entre las que se pueden apreciar de manera macroscpica, como la divisin celular, y aquellas que no podemos ver, como las transformaciones de la energa o el transporte de sustancias hacia el interior o el exterior de la clula, y que en trminos generales han sido consideradas ms bien del dominio de la bioqumica. En el mundo actual, y cada vez con mayor frecuencia, tienden a desaparecer las divisiones artificiales que en una poca fueron ms o menos claras, pero que ms bien fueron reflejo de la ignorancia de los investigadores, y no una realidad biolgica. Es fundamental que el lector asimile la idea de que no hay separacin entre el movimiento de una clula que podemos ver en el microscopio, o incluso a simple vista, y los procesos moleculares que ocurren en l. Las clulas se mueven porque algunas de sus molculas se acortan o alargan, resultado de interacciones y deslizamiento de sus componentes y la participacin de otras, unas pequeas y otras grandes, la mayor parte de ellas invisibles a nuestros ojos, pero todas relacionadas de tal forma que finalmente hacen posible el fenmeno macroscpico que podemos observar, la contraccin de la fibra muscular.

Es importante tambin que el lector est dispuesto a revisar otros libros que en esta misma serie tocan conocimientos o temas que aqu se vern de manera muy resumida. Al final se darn algunos ttulos que servirn de consulta a quien est interesado en ampliar ciertos conocimientos. Algunos de estos libros pertenecen a esta misma coleccin, La Ciencia desde Mxico, donde los estudiantes encontrarn textos sencillos y amenos, que harn aumentar su inters por los temas que aqu presentamos. Tambin haremos referencias a obras ms complejas, las cuales llevarn al interesado por un camino que finalmente lo guiar hasta las fuentes primeras, los trabajos originales de los investigadores.

I. LAS MOLCULAS Y LAS CLULAS

DE QU ESTAMOS HECHOS

LAS clulas, tejidos y organismos, tienen como base estructural miles de molculas cuyo comportamiento no obedece otras leyes que las generales de la fsica y de la qumica. Para penetrar en el conocimiento del funcionamiento de las clulas, hay que comenzar por saber, en ltima instancia, de qu tipos de molculas estn hechas. Llegar el da en que conozcamos la estructura detallada y el funcionamiento de cada una de esas molculas.

Aunque los organismos vivos estn compuestos de una variedad limitada de tomos, la variedad de molculas es enorme; ello se debe, en parte, a que en su composicin el elemento central es el carbono. Este elemento puede formar cadenas, y una gran diversidad de compuestos; en la mayor parte de los casos se combina con el hidrgeno y el oxgeno, pero en muchsimos otros con distintos elementos.

Aunque es enorme la diversidad de sustancias que compone a los seres vivos, por sus semejanzas estructurales es posible agruparla en ciertas categoras. Hay compuestos cuyas unidades son cadenas cortas de tomos de carbono, a los cuales se unen hidrgenos y grupos -OH (oxhidrilos); se llaman azcares (porque sus unidades son dulces). Hay otros compuestos, tambin de gran variedad, pero con semejanzas estructurales entre s, que estn formados en gran parte por cadenas largas, la mayora de 16 a 18 tomos de carbono e hidrgeno; se llaman lpidos. Otra clase ms de sustancias, adems de carbono, oxgeno e hidrgeno, contiene otro elemento fundamental, el nitrgeno, en la forma de -NH2 (grupo amnico), a base de unidades pequeas, en nmero de 20 distintas, que se unen para formar largas y complicadas cadenas, las protenas.

LOS AZCARES, ALMACENES DE LA ENERGA SOLAR

Estas sustancias compuestas de carbono, hidrgeno y oxgeno, reciben tambin el nombre de hidratos de carbono o carbohidratos. As se les llam porque en muchos de ellos, por cada tomo de carbono hay dos de hidrgeno y uno de oxgeno, en la misma proporcin que en el agua. Al oxidarse estos compuestos constituyen la fuente principal de energa segn la reaccin siguiente:

C6 H1206 + 02 C02 + H2 0 + energa

Durante la fotosntesis, el proceso es al revs; con la energa del Sol, y en un proceso que describiremos ms adelante, las clulas vegetales y las bacterias fotosintticas son capaces de sintetizar azcares a partir de C02 y H20. Posteriormente, los animales, incluyendo al hombre, invertimos ese camino, tomando la energa de los azcares, que originalmente provino del Sol, para realizar nuestras funciones vitales. As, los azcares son en realidad una forma de almacenamiento de energa solar que los animales aprovechamos para vivir.

En la fotosntesis se produce glucosa; este azcar de seis tomos de carbono se puede transformar en muchos otros azcares semejantes, ya sean tambin de seis, de menos, o de ms tomos. Entre los ms comunes y conocidos se encuentran, desde luego la glucosa, que es la unidad para formar muchas de las molculas que comemos, como el almidn del trigo, maz, papas, etc., la fructosa, o azcar de la fruta, y la galactosa, de la leche, ambos de seis tomos de carbono, y la ribosa y la desoxirribosa, de cinco tomos de carbono cada una. Estos azcares se comportan como unidades que se repiten en la estructura de otros, y por ello se les llama monosacridos. El nombre de monosacridos viene del griego, sacars, dulce, y monos, nico, uno, es decir, unidad. El nombre del azcar es de origen rabe, auccar.

Estos azcares simples y relativamente pequeos se pueden unir para formar, por ejemplo, la sacarosa, o azcar comn, formada por una molcula de fructosa y una de glucosa. El azcar de la leche, la lactosa, est formado por la unin de una molcula de glucosa y una de galactosa. A estos azcares formados por dos monosacridos se les llama disacridos.

Figura I.1. Los azcares simples y los disacridos. Los monosacridos se pueden unir para formar los disacridos, como el azcar comn, la sacarosa, o el azcar de la leche, la lactosa.

Hay otras posibilidades, hasta llegar a la que consiste en la unin de miles de estos monosacridos, como la glucosa, que produce varios compuestos: los polisacridos (del griego polis, muchos). Entre stos se encuentra el almidn, que representa la forma ms comn de almacenar azcar en las semillas y algunas races de las plantas, y el glucgeno, que cumple la misma funcin pero en los tejidos animales. Ambos compuestos son el resultado de la unin de miles de molculas de glucosa. Hay otra sustancia semejante, la celulosa, que est formada por cadenas largusimas de glucosa que se constituyen en fibras, y que es casi el nico componente de la madera y el algodn, y de la fibra vegetal en general.

Figura I.2. El almidn, el glucgeno y la celulosa. Miles de unidades de glucosa se unen para formar estos compuestos.

Los azcares simples o monosacridos se pueden convertir en otros, tambin pequeos, a los que se llama

derivados, entre los que se encuentran cidos, alcoholes, etc. Estos, a su vez, se convierten en polmeros, es decir, en complejos de cientos o miles de unidades, que adems tienen una funcin muy variada. Son, por ejemplo, los que lubrican las mucosas y las articulaciones de los animales; los que dan a las clulas gran parte de su identidad, pues estn en su superficie; etc. Tal vez el ejemplo ms conocido sea el de los grupos sanguneos, compuestos de este tipo que caracterizan a los glbulos rojos de distintos individuos dentro de la misma especie.

LAS GRASAS

Tal vez la principal caraterstica de esta sustancias sea que, aunque tambin estn compuestas por carbono, hidrgeno y oxgeno, la proporcin del ltimo es mucho menor, y que el carbono forma largas cadenas de tomos que se unen al hidrgeno, de manera semejante a los hidrocarburos del petrleo. La base de muchos de ellos son los cidos grasos, y los ms comunes estn formados por una cadena de unos 16 a 18 tomos de carbono, que se representa en seguida:

CH3-CH2-CH2-CH2- ... CH2-COOH

Estas molculas de cidos grasos se pueden unir a otras, la ms sencilla es el glicerol. En este caso, el compuesto resultante, que se representa en la figura I.3, es una grasa neutra, como la manteca o el aceite comestible.

Figura I.3. Una grasa neutra. Est formada por glicerol ( tambin conocido como glicerina) unido a tres cidos grasos. La diferencia entre estos aceites y las mantecas est dada por los tipos de cidos grasos que intervienen en su composicin.

Entre los lpidos ms importantes estn los fosfolpidos, molculas que veremos al hablar de las membranas, en las cuales participa tambin el cido fosfrico y otras sustancias y compuestos, como se muestra en la figura I.4.

Figura I.4. Un fosfolpido. Es parecido a una grasa neutra, pero en su composicin intervienen, adems de los cidos grasos, el cido fosfrico (H3PO4) y otras sustancias como el inositol, la colina y otras. Tiene una parte llamada polar, capaz de interactuar con el agua, y una "cola", que es rechazada por ella, que los obliga a formar una doble capa, base de la estructura de las membranas celulares.

Los fosfolpidos tienen la propiedad de que su parte compuesta por la cadena hidrocarbonada, semejante al aceite, que forma una especie de "cola", es rechazada por el agua. La otra porcin, la "cabeza", puede interactuar libremente con el agua. As, cuando se dispersan en el agua, y ms an, cuando se producen en las clulas, se organizan de manera tal que la porcin hidrocarbonada, tambin llamada apolar es rechazada por el agua y se retrae para unirse con las de otras, mientras que la parte polar queda expuesta al agua, formndose una doble capa, impermeable en su porcin central a las molculas voluminosas o recubiertas de agua. Esta es la estructura fundamental alrededor de la cual se agregan otras sustancias en las membranas celulares.

Hay otros lpidos de tipo diferente entre los cuales se encuentra el colesterol, que forma parte de muchas membranas, as como otras molculas semejantes en su estructura ms que en sus funciones o propiedades, como algunas hormonas y vitaminas, los cidos biliares y otras.

Figura I.5. La organizacin de los fosfolpidos y las membranas. Las porciones polares de los fosfolpidos quedan en contacto con el agua, y las porciones apolares, rechazadas por ella, forman una doble capa, impermeable a un gran nmero de sustancias.

Figura I.6. El colesterol, la cortisona, el cido clico, las vitaminas A, E y D forman tambin parte del grupo de los lpidos.

Las mantecas y aceites comestibles son tambin fuentes muy importantes de energa en los animales y los vegetales. En mayor o menor grado, todos tenemos grasa en distintas partes del cuerpo; algunos individuos incluso llegan a acumular cantidades enormes; en este caso, difcilmente podramos pensar que fueran almacenes de energa. Es tal la importancia que se da a la acumulacin exagerada de grasa, que se le considera una enfermedad. Por otra parte, las acumulaciones de grasa en algunas partes del cuerpo nos sirven para protegernos de golpes, pues son como colchones. La grasa tambin es un aislante que nos permite resistir el fro. Tambin la grasa acumulada bajo la piel es la que da al cuerpo femenino su contorno suave y gran parte de su belleza.

LAS PROTENAS

Hay alrededor de 20 sustancias diferentes que tienen la estructura siguiente:

R CH COO H

NH2

Por tener el grupo -COOH o carboxilo son cidos orgnicos, y por poseer el grupo amnico (-NH2) son aminas, por lo que se les llama aminocidos. El grupo representado por R puede cambiar desde un tomo de hidrgeno, hasta estructuras ms complicadas, para dar 20 distintos compuestos, que se unen entre s para formar variadas cadenas de diferente longitud y que reciben el nombre de protenas. A continuacin se representa la estructura de una de ellas, en la que se puede apreciar su estructura complicada que les confiere extraordinarias propiedades; stas son las piezas funcionales de la maquinaria celular. Por ejemplo, las protenas son las que, en las membranas, se encargan de identificar y permitir el paso de sustancias hacia uno y otro lado; son las que, como enzimas, se encargan de facilitar miles de reacciones qumicas de las que depende la vida de la clula, as como de muchas otras funciones.

Figura I.7. La estructura de una protena (la mioglobina). Los aminocidos se unen entre s y forman largas cadenas, que dan como resultado estructuras muy complicadas que permiten funciones de extraordinaria complejidad. Las protenas son los elementos funcionales por excelencia de las

clulas.

LOS CIDOS NUCLEICOS

En las clulas hay tambin otro grupo de molculas pequeas, formado por la adenina y la guanina, llamadas bases pricas, las bases pirimdicas, la citosina, el uracilo y la timina, que se unen como se presenta en la figura I.8 para formar los nucletidos o desoxirribonucletidos. Estos, a su vez se unen en largas cadenas para formar los cidos nucleicos: el DNA o cido desoxirribonucleico a partir de los desoxirribonucletidos y el RNA a partir de los ribonucletidos.

Figura I.8. Las bases pricas y pirimdicas, los nucletidos. stas son las unidades que forman los cidos nucleicos siguiendo un orden siempre bien definido.

Estas molculas deben su importancia a que las clulas las pueden duplicar y sintetizar, segn las reglas precisas que les permiten conservar y utilizar la informacin que las clulas y los organismos necesitan para mantener sus componentes, su estructura y su vida misma. El DNA, debido a esta propiedad de ser duplicado con precisin, es la molcula que permite que se reproduzcan los seres vivos y que, gracias al mecanismo de la herencia, permanezcan casi invariables las caractersticas individuales, segn la especie de cada uno.

Figura I.9. Los cidos nucleicos son cadenas enormes de nucletidos, que tienen "escrita", en clave la informacin, en el caso del DNA, se puede reproducir o duplicar cuando una clula se divide, para pasar a las clulas hijas sin alteracin.

Las reglas para la duplicacin del DNA y la transmisin de las caractersticas hereditarias de unos organismos o clulas a su descendencia, son muy sencillas. El DNA est formado por una cadena doble de nucletidos, como se muestra en la figura I.10. Los nucletidos se distinguen unos de otros por las "bases" que los componen, que suelen ser adenina, guanina, citosina y timina, y siempre, frente a una timina hay una adenina, y frente a una guanina una citosina. Esta estructura es tambin la base en la duplicacin de DNA. Cuando sta ocurre, la doble cadena se separa y se forman dos cadenas dobles idnticas, que van a las clulas hijas durante la divisin celular.

De una manera similar, la informacin contenida en el DNA se transmite o se lleva al citoplasma para ser utilizada, mediante la sntesis del RNA mensajero (mRNA). sta es la transcripcin, y se realiza a partir de uno de los hilos del DNA siguiendo una regla: frente a un nucletido de adenina, guanina, citosina o timina del DNA, se coloca uno que contenga uracilo, citosina, guanina o adenina, respectivamente. Luego el mRNA pasa al citoplasma en donde, mediante procedimientos especiales, la informacin transcrita en el RNA se convierte en un acomodo de aminocidos especficos en forma de cadenas, que constituyen las protenas. Estas, finalmente, son las verdaderas piezas de la maquinaria celular, pues son enzimas, transportadores, molculas contrctiles, receptores de seales, etctera.

Figura I.10. La regla para la duplicacin del DNA. Siempre que se fabrica una nueva molcula, frente a una adenina se coloca una timina , y frente a una guanina una citosina, y viceversa. Para enviar la informacin al citoplasma, se utilizan molculas de RNA (cido ribonucleico)que se fabrica mediante una regla semejante.

OTROS COMPONENTES DE LAS CLULAS

En los seres vivos hay una cantidad muy grande de agua, que les es indispensable para vivir; pero tambin existe una importante proporcin de sales minerales, desde algunas que intervienen con relativa abundancia como el sodio y el cloro, que ingerimos en la sal comn, el potasio, el calcio o el fosfato, estos dos ltimos de fundamental importancia en la composicin de los huesos y otras funciones hasta otras que participan en muy pequeas cantidades, como el cobalto, el yodo y otros elementos.

LAS ASOCIACIONES DE LAS MOLCULAS

La diversa naturaleza de las molculas es slo una fase de la organizacin celular. Las clulas, los tejidos, los rganos, sistemas y los organismos mismos, resultan de la asociacin organizada de las molculas, que de maneras diferentes se renen y forman tipos de estructuras ms complicadas, desde asociaciones relativamente sencillas de unas molculas con otras, como sucede en el caso de las membranas biolgicas, que cuentan con una estructura bsica dada tan slo por la asociacin de los fosfolpidos. El siguiente nivel de asociacin es el de molculas ms grandes, como las protenas o los cidos nucleicos, que se pueden unir para formar los llamados complejos supramacromoleculares, dentro de los cuales tal vez los ms conocidos sean los virus. Finalmente, hay niveles de organizacin extraordinarios, resultado de la asociacin de enormes cantidades de molculas, verdaderas obras de arte de la naturaleza, con complicadsimos mecanismos de funcionamiento y estructura; stos son los llamados organelos celulares.

LAS MEMBRANAS CELULARES

Los lpidos, o ms concretamente, los fosfolpidos ( figuras I.4 y I.5 ), son molculas anfiflicas, es decir, estn formadas por dos porciones diferentes en lo que respecta a sus posibilidades de interaccin con el agua; segn las reglas ya descritas en este mismo captulo se asocian para formar una doble capa, estructura bsica de las membranas celulares. Estas estructuras son los principales componentes de lo que se podra considerar la parte fundamental de las membranas biolgicas. Esta estructura hidrofbica en la parte central no permite, por lo tanto, el paso de molculas polares, como los iones, ni de molculas de mayor tamao y es impermeable, salvo a partculas muy pequeas, como el agua.

As, las clulas tambin se encuentran envueltas por una membrana que en principio es impermeable a la mayora de las sustancias que se encuentran en la naturaleza, sobre todo a aquellas solubles en agua, las polares. Experimentalmente se pueden preparar vesculas artificiales microscpicas de fosfolpidos y demostrar que son impermeables a todas las molculas con carga elctrica.

Aunque la estructura bsica de las membranas es la que se presenta en la figura I.4, existe gran variedad, pues las diversas molculas les dan otras propiedades, de acuerdo con su origen particular. En la figura I.11 se presenta un modelo ms cercano a la realidad, donde se muestran molculas de protenas que se encargan de transportar materiales en un sentido o en otro. Los componentes de la cadena mitocondrial y de los sistemas de transformacin de energa, los receptores de seales, son algunos de los tipos de protenas que dan a las membranas celulares sus caractersticas funcionales.

Figura I.11. La estructura "real" de una membrana biolgica. En el esquema se muestran muchas protenas incluidas dentro de la bicapa, que son las que le dan su capacidad funcional a la membrana.

De aqu resulta que las membranas celulares no son slo estructuras impermeables que sirven para aislar a las clulas o a algunos de sus organelos del medio que los rodea, sino asociaciones de muchas ms molculas. Se trata de estructuras dinmicas y de extraordinaria importancia, que ms que separar dos espacios establecen comunicaciones convenientes entre ellos. La membrana celular debe contar, por ejemplo, con todos los elementos para seleccionar del medio lo necesario, y tambin para eliminar lo que es intil o perjudicial a las clulas. El movimiento de sustancias hacia ambos lados de una membrana celular puede llegar a ser tan importante, como en los axones de las clulas nerviosas, en las cuales su capacidad de conduccin de los impulsos nerviosos se debe a un sistema ordenado y propagado de movimientos de iones a lo largo de sus prolongaciones. Por otra parte, las membranas representan un elemento que permite delimitar a los organelos celulares, que son verdaderas unidades con caractersticas estructurales y funcionales definidas. En muchos de ellos la membrana constituye el componente fundamental en la cual se realizan fsicamente muchas de las funciones, como se ver posteriormente para la mitocondria y el cloroplasto.

LOS COMPLEJOS SUPRAMACROMOLECULARES

Aun con lo delicada que es la estructura y la funcin de una protena, hay todava la posibilidad de que alguna est formada por ms de una cadena de aminocidos, lo cual aumenta la complejidad dentro de esa molcula que de cualquier forma ha sido diseada para realizar una determinada funcin.

Pero la existencia de ms de una cadena polipeptdica no es el limite en la estructuracin de las protenas. Hay muchos casos en los cuales se ha descrito la formacin de estructuras (o superestructuras) en las que participan varias protenas, unidas con ms o menos fuerza y cada una de ellas realiza una funcin que tiene relacin con otra, de tal manera que la asociacin da lugar a unidades que podramos llamar multifuncionales. Despus vendra el complejo supramacromolecular, en donde una protena ya es una macromolcula, en comparacin con otras, como las de glucosa o un cido graso. Estas molculas tienen masa de 200 a 300 Daltones, mientras que la masa de una protena de tamao promedio es de 50 000 o 60 000 Daltones. A estos complejos de varias molculas se les llama tambin complejos multienzimticos, pues cada molcula tiene capacidad de realizar una reaccin qumica o enzimtica. En la figura I.12 se muestra un ejemplo esquematizado de uno de ellos, en donde la participacin de varias enzimas asociadas cataliza la sntesis o produccin de los cidos grasos, en un proceso que, por cada "vuelta", agrega dos tomos de carbono a la molcula de la que se parte.

Figura I.12. Un complejo multienzimtico. La agregacin de varias enzimas dentro de un complejo supramacromolecular ofrece a ste la capacidad de realizar una funcin complicada en un espacio relativamente pequeo.

As como se pueden formar complejos de dos o ms protenas, para realizar una funcin o una serie complicada

de funciones existe la posibilidad de formar complejos hbridos entre diferentes tipos de molculas. Tal vez el caso ms conocido y comn en las clulas sea el de los ribosomas, estructuras supramacromoleculares formadas por protenas y RNA, que renen todos los elementos que se requieren para realizar la sntesis de las protenas. La estructura de los ribosomas vara segn su origen y su tamao, pero todos estn formados por una unidad grande y una pequea (figura I.13) que en conjunto se encarga de "leer" el mensaje que, a partir de DNA, es transmitido por el RNA "mensajero" al citoplasma de la clula, en el cual se encuentran los ribosomas.

Figura I.13. Un ribosoma, complejo sistema supramacromolecular, asiento de la sntesis de las protenas en la clula.

En la subunidad grande se encuentra otro tipo de RNA, llamado de "transferencia", que ya trae unido un aminocido especfico que se ha de agregar a la cadena de aminocidos que se est sintetizando. Entre ambas subunidades hay un surco por el cual se desliza la molcula de RNA mensajero a medida que se va leyendo, y por un lado de la subunidad grande sale la cadena de aminocidos (cadena polipeptidica) que se va formando. Este asombroso conjunto, en el caso de la Escherichia coli, el colibacilo o bacteria comn del intestino, est formado por un conjunto de molculas que en total tienen un peso molecular de 2.7 millones de Daltones. Adems del RNA, la subunidad grande contiene 34 protenas diferentes y la pequea 21. Una de las caractersticas importantes de estas estructuras consiste en que se les puede disociar en sus componentes y volver a integrar a partir de ellos, si se utilizan condiciones adecuadas.

LOS VIRUS

Hay otro grupo de complejos de naturaleza semejante, es decir, formados por la asociacin de protenas y cidos nucleicos, segn un orden preciso, que tiene gran importancia dentro de los seres vivos; se trata de los virus. Estas estructuras realmente no son seres vivos, pero tienen la capacidad de invadir a las clulas u organismos unicelulares y, una vez en su interior, reproducirse gracias a los sistemas que para ello existen en la clula invadida; sin embargo, por s solos son incapaces de realizar ninguna funcin.

Los virus pueden dirigir la maquinaria gentica de las clulas que invaden, y replicar sus protenas y cidos nucleicos para producir nuevos virus. Interactan primero con la superficie de una clula y se introducen, o introducen sus cidos nucleicos, y con lo cual fuerzan al sistema normal de sntesis de protenas y cidos nucleicos de las clulas a producir los componentes de ellos mismos, que dan lugar luego a nuevas partculas virales. En ciertas ocasiones, los virus producen alteraciones tan fuertes tanto en la estructura como en el

funcionamiento de la clula, que llegan a causarle la muerte.

En el cuadro I.1 se presentan las caractersticas de algunos virus; todos estn compuestos de protenas y cidos nucleicos y son partculas de tamao grande, con pesos moleculares de varios millones. Como se ve en el cuadro, hay virus bacterifagos, capaces de infectar a las bacterias, que han sido de gran utilidad en el estudio de la biologa molecular. Los virus de las plantas contienen RNA en lugar de DNA; la cantidad y la diversidad de las protenas son tambin grandes; el virus del mosaico del tabaco contiene slo una especie de protenas; el bacterifago T2 contiene 50 especies diferentes.

La forma y las dimensiones de los virus son tambin variables, pero todos tienen una estructura geomtrica definida.

La importancia de los virus puede inferirse del cuadro I.1, dos de ellos, el de la poliomielitis y el de la vacuna son ampliamente conocidos; el primero por la enfermedad que produce, y el segundo porque da lugar a la produccin de anticuerpos o defensas que protegen en forma cruzada contra el virus de la viruela. Los adenovirus tambin son importantes: algunos producen tumores en los animales, y es por esto y por otros datos que se asegura que algunos tumores del hombre son producidos por virus. Es importante sealar que algunos virus, como los bacterifagos, son capaces de atacar y matar ciertas bacterias.

CUADRO I.1. Caractersticas de algunos virus. Adems del cido nucleico, cada uno de ellos tiene distintas protenas, segn su tamao.

Peso molecular, megadaltones

cido nucleico

Dimensiones nanmetros

BacterifagosT2 220 DNA 18X174 6 DNA 6Virus vegetalesMosaico del tabaco 40 RNA 300

Necrosis del tabaco 2 RNA 21

Virus animalesPoliomelitis 6.7 RNA 30Adenovirus 200 DNA 70Vacuna 2 000 DNA 230

LOS ORGANELOS CELULARES

En la figura I.14 se presenta el esquema de una clula, rodeado de las imgenes de los principales componentes identificables por microscopa electrnica. Desde el siglo pasado se iniciaron los estudios de las propiedades del contenido de las clulas. Se propuso que dentro de ellas exista una sustancia de propiedades comunes para todas, e incluso se iniciaron polmicas para definirlas; se deca que el citoplasma tena estructura alveolar o granular o fibrilar, y se aseguraba que sus propiedades eran especiales por tratarse de la sustancia vital por excelencia. Las

observaciones con el microscopio electrnico de la figura I.14 muestran cun equivocadas estaban estas suposiciones, y presentan el nmero de elementos que se puede identificar dentro de la clula; tambin demuestran que no se pueden identificar las mismas estructuras en todas las clulas, y que tampoco se les encuentra con la misma abundancia.

Figura I.14. Un virus, otro complejo supramacromolecular.

En el capitulo III se describir con detalle la estructura y la funcin de cada uno de los organelos que se han identificado, cuyo funcionamiento es verdaderamente asombroso y en gran parte an desconocido para nosotros, pero gracias a la investigacin de miles de cientficos en el mundo, cada da sabemos ms al respecto.

Figura I.15. Esquema de la estructura de una clula y sus organelos.

II. EL METABOLISMO , O LAS TRANSFORMACIONES DE LAS MOLCULAS EN LAS CLULAS

EL METABOLISMO no es otra cosa que la enorme serie de cambios que sufren las molculas para convertirse unas en otras y en otras y en otras, de manera complicada, al parecer interminable y que, desde luego, estamos muy lejos de conocer en su totalidad. Son tantas las sustancias que componen a un organismo que una gran proporcin de ellas se desconoce, como sucede aun en el caso de los organismos unicelulares. Pero a pesar de que el proceso total es tan complicado, es posible definir algunos de sus componentes, y aun quienes no tenemos un conocimiento profundo de la bioqumica y la fisiologa podemos tener una idea aproximada de cmo es y para qu sirve.

EL METABOLISMO PROPORCIONA MATERIALES Y ENERGA

Todas las transformaciones de las molculas tienen dos funciones principales: la primera, proporcionar a la clulas, tejidos, rganos, etc., materiales que requieran para sus distintas funciones, siendo la ms importante la renovacin constante de sus propias molculas; la segunda, obtener diferentes formas de energa para mantener las funciones vitales. As, plantas y algas reciben como "alimento" materiales muy sencillos, como sales minerales, CO2 y H2O, pero su energa la obtienen del Sol, y con ella satisfacen sus necesidades para funcionar y fabricar sus materiales. Pero las plantas tambin proporcionan al hombre materiales y la energa que contienen sus enlaces, con lo cual lo ayudan a sobrevivir.

El metabolismo celular puede considerarse como una serie de caminos de ida y vuelta, formados por una gran cantidad de molculas que se transforman constantemente. Estos caminos reciben a las que llegan al organismo o a la clula del exterior, pero adems tienen sus propias molculas.

CMO TOMAMOS LOS MATERIALES DEL EXTERIOR

Ya mencionamos que las plantas y la mayora de las algas toman materiales muy sencillos del exterior y que slo requieren de sistemas para transportarlos al interior de las clulas.

Los animales, el hombre incluido, recibimos pocas molculas sencillas y una gran cantidad de macromolculas, como almidones, protenas o grasas. Estas son sometidas al proceso de la digestin para hidrolizarlas o partirlas en sus componentes (ver captulo I), antes de ser absorbidas en e intestino y de entrar propiamente al organismo. As, lo que ingresa a la sangre para ser tomado por las clulas son las molculas simples: los aminocidos, los cidos grasos, el glicerol (glicerina) y la glucosa. A partir de estas molculas podemos analizar las transformaciones de los diferentes tipos de sustancias que reciben las clulas. Cuando toman sustancias del exterior, la mayora de los organismos unicelulares cuentan con enzimas que degradan las molculas ms grandes y toman luego los productos de ese proceso. Algunos organismos unicelulares, o clulas animales especializadas, como las amibas o los leucocitos, pueden tomar del exterior molculas grandes, o inclusive partculas y otros materiales, pero los digieren antes de utilizarlos.

Figura II.1. Digestin y absorcin.

ANABOLISMO Y CATABOLISMO (CONSTRUCCIN Y DESTRUCCIN DE MOLCULAS)

Una vez que las clulas y los organismos reciben esas molculas sencillas, uno de los caminos que stas pueden seguir es la sntesis de las llamadas macromolculas (de macros, grande), como el almidn en las plantas o el glucgeno en los animales, que se forman de la unin de miles de molculas de glucosa y en donde se almacenan azcares. Por este proceso de sntesis se forman tambin las grasas y otros tipos de lpidos, como los fosfolpidos, que constituyen las membranas celulares, o las grasas neutras (mantecas o aceites), que en los animales se acumulan en el tejido adiposo, y en las plantas en algunas semillas.

En algunos animales, incluyendo al hombre, las grasas pueden ser un enorme almacn de reserva alimenticia. Tambin por una sntesis se forman las molculas de las diferentes protenas, pero ni stas ni los aminocidos se pueden almacenar. Sin embargo, hay una perenne renovacin en las clulas, en donde constantemente se necesitan aminocidos para producir molculas nuevas y degradar las existentes.

La figura II.2, adems de mostrar un esquema de la posibilidad de que las molculas unitarias sean utilizadas para producir otras ms grandes, seala tambin que todas ellas se pueden degradar hasta producir CO2, H2O y, en el caso de los aminocidos, amoniaco (NH3). Distinguimos as con claridad dos procesos. En uno de ellos, el anabolismo, a partir de molculas pequeas se obtienen otras ms grandes; en el otro, el catabolismo a partir de molculas grandes se obtienen otras ms pequeas.

Figura II.2. Esquema del metabolismo y sus componentes, el anabolismo y el catabolismo. Hay unidades para las grasas, los azcares y las protenas, que pueden formar macromolculas, o degradarse hasta CO2, H2O y NH3, principalmente. Adems, durante el catabolismo una parte de la energa de los enlaces de las molculas se transforma en calor, y otra en diversas manifestaciones, como los enlaces del ATP (ver el captulo III), o los aceptores de hidrgenos..

METABOLISMO, ENERGA Y VIDA

Otra caracterstica importante del proceso metablico es que en el catabolismo de las molculas pequeas, como la glucosa, los cidos grasos o los aminocidos, se logra transformar la energa de sus enlaces qumicos en la energa de los enlaces del ATP y otras sustancias, que proporcionan en forma directa la energa que requieren las clulas para todas sus funciones. Adems, los procesos de sntesis, tanto de molculas sencillas como de macromolculas, requieren energa, la cual proviene del ATP y del llamado poder reductor que tienen las molculas llamadas NADH y NADPH, entre otras. Es interesante sealar que la degradacin que sufren las macromolculas para producir las unidades que las componen hace que se transforme en calor toda la energa de sus enlaces.

Pero tambin en la degradacin de las molculas para producir otras ms sencillas, o para sintetizar ATP, hay una liberacin de calor.

LAS VAS METABLICAS Y LAS ENZIMAS

Otra caracterstica del metabolismo es que cada una de sus transformaciones est movida casi invariablemente por una enzima diferente. Las enzimas son protenas, las molculas ms complicadas de la clula, que se encargan de catalizar (es decir, de acelerar) las reacciones individuales del metabolismo. Aunque las reacciones qumicas de muchos pasos metablicos pueden ocurrir en forma espontnea, prcticamente todas ellas transcurriran con una enorme lentitud si no existieran las enzimas. stas aceleran mucho (habitualmente mucho ms de un milln de veces) las reacciones individuales del metabolismo. Casi cada reaccin requiere de una enzima diferente para moverse con suficiente velocidad. Pero as como las enzimas son capaces de acelerar las reacciones qumicas de los seres vivos, muchas pueden ser reguladas por muy diversas sustancias. Muchas ocasiones son las responsables

de que, en un paso del metabolismo, toda una va se mueva con mayor o menor velocidad.

La figura II.3 es un esquema del funcionamiento de una enzima, que es una protena grande, la cual promueve la transformacin de una o ms molculas, que reciben el nombre de sustrato, en otra u otras, llamadas productos. En ocasiones tambin participan molculas con funciones definidas, llamadas coenzimas

Figura II.3. Los componentes de un sistema enzimtico: la enzima, el o los sustratos y el o los productos.

LAS COENZIMAS, LAS VITAMINAS Y EL METABOLISMO

En algunas reacciones del metabolismo, adems de las enzimas toman parte, en pequea cantidad, otras molculas llamadas coenzimas, en cuya composicin, en muchos casos intervienen las vitaminas. A continuacin sealaremos algunas de ellas:

Nicotinamida. La componen dos coenzimas, el nicotn adenn dinucletido (NAD) y el nicotn adenn dinucletido fosfato (NADP); su estructura y funciones se describen en el captulo III. Es la que porta los hidrgenos y sus electrones en muchas reacciones de oxidacin, y se utiliza para la sntesis de algunas molculas o en las transformaciones de energa en ATP. La deficiencia de esta vitamina produce la enfermedad llamada pelagra.

Riboflavina. Esta vitamina es componente de dos coenzimas relacionadas tambin con el transporte de los electrones en la cadena respiratoria: el flavn adenn mononucletido y el flavn adenn dinucletido. Tambin participa en la cadena que transporta hidrgenos y electrones.

cido pantotnico. Es parte de la llamada coenzima A, que se muestra ms adelante. Participa en el metabolismo de los cidos grasos, pero muy especialmente en el de los fragmentos de dos tomos de carbono, que constituye la acetil coenzima A.

Tiamina. Esta vitamina participa en reacciones en las que algunos cidos pierden su carboxilo (grupo -COOH).

Las enzimas encargadas del proceso se llaman descarboxilasas.

Piridoxina. Participa en las reacciones de transferencia de grupos amnicos de los aminocidos, como coenzima de diversas transaminasas, y en otras reacciones.

stos son slo algunos ejemplos de la accin de las vitaminas en el metabolismo, como parte de las enzimas, en las llamadas coenzimas. Estas sustancias son en realidad una especie de segundo sustrato, o componente del sistema enzimtico, que participa en la reaccin. En las reacciones de deshidrogenacin, por ejemplo, las coenzimas reciben electrones de un sustrato y los transfieren a otro, con la participacin de otra enzima. En muchos de estos casos, las coenzimas son otro sustrato que tambin se modifica durante la reaccin, pero tienen la caracterstica de ser utilizadas en muchas reacciones diferentes. Al NAD, por ejemplo, lo encontraremos en la gluclisis, en el ciclo de Krebs y en reacciones de deshidrogenacin de distintos tipos.

LAS PRINCIPALES TRANSFORMACIONES DE LOS AZCARES

Como ya se describi antes, los organismos tienen diferentes tipos de carbohidratos: monosacridos, disacridos, molculas que se llaman oligosacridos y polisacridos, cuyo grado de agregacin o polimerizacin depende de los diferentes monosacridos. Sin duda, el eje del metabolismo celular es la glucosa; este monosacrido est distribuido en todos los organismos, ya sea en forma libre, como parte de otras molculas, como los disacridos sacarosa y lactosa, o en polisacridos de reserva, como el almidn, el glucgeno o la celulosa, o en productos derivados, algunos de los cuales se mencionaron en el captulo I.

Los almacenes de azcar. Cuando la glucosa entra a una clula puede tomar el camino hacia la sntesis de polmeros. La figura II.4 muestra cmo en las clulas animales este azcar, a travs de varios pasos, se puede incorporar a una molcula ya existente de glucgeno. En las clulas vegetales, uno de los destinos de la molcula de glucosa es convertirse, por un mecanismo semejante, en almidn. Tanto el glucgeno como el almidn y otros polmeros de los azcares forman sistemas de reserva en los organismos. Por lo tanto, tambin hay vas para la degradacin de estas sustancias. La misma figura II.4 muestra tambin que la conversin de la glucosa en glucgeno es un camino reversible. De hecho, cuando comemos se sintetiza el glucgeno para guardar los azcares que hemos ingerido. Luego, este polmero se va degradando lentamente entre una comida y otra y mantiene el nivel de glucosa de nuestra sangre, pues muchos tejidos requieren azcar en forma constante. En los animales el glucgeno sirve para almacenar azcar, la cual se gasta entre una comida y otra; en las plantas el almidn se almacena en las estructuras que aseguran su reproduccin, como las semillas de los cereales, o en los tubrculos, como las papas.

Figura II.4. El almacenamiento de la glucosa. En los animales se polimeriza para fabricar glucgeno, que es la principal manera de almacenamiento; en los vegetales crea almidn. Ambas formas pueden luego degradarse para dar de nuevo glucosa, la cual aprovechan los seres vivos.

El otro camino que puede seguir la glucosa es su degradacin. Para ilustrar este caso pensemos en una clula animal, la muscular, por ejemplo. La figura II.5 muestra las transformaciones que este azcar sufre al convertirse en piruvato (la sal del cido pirvico), o el lactato (la sal del cido lctico). Las frmulas qumicas estn slo como referencia.

Figura II.5. Esquema general de la gluclisis

El esquema completo se presenta para mostrar la complejidad del sistema, aunque no est representado con todo detalle. A continuacin destaco algunos puntos importantes que se dan cuando una clula degrada una molcula de glucosa:

A) Al degradar la glucosa para convertirla en lactato o piruvato slo implica partir a la molcula, de seis tomos de carbono, en dos de tres. No obstante lo complicado que pueda parecer la va metablica, la transformacin final es relativamente simple.

C6H12O6 2CH2 CH COOHOH

B) En este proceso, aunque al principio se invierten dos molculas de ATP, despus entran dos de fosfato (P) y cuatro ms de ADP, para dar cuatro de ATP. El resultado neto es que al partir una molcula de glucosa en dos de lactato, se generan en forma neta dos molculas de ATP a partir de dos de fosfato y dos de ADP.

C) Aunque la cantidad de ATP que resulta de cada molcula de glucosa es muy pequea, esta va puede ser extremadamente veloz. Durante el ejercicio muscular intenso, de un atleta por ejemplo, proporciona casi toda la energa que se requiere, compensando el rendimiento con la velocidad.

D) Otra cuestin interesante es que la degradacin de la glucosa en esta va se puede continuar por la transformacin del piruvato en acetil coenzima A, hacia el llamado ciclo de los cidos tricarboxlicos, o ciclo de Krebs; en l se degrada totalmente hasta dar CO2 y agua. En este ciclo, por otra parte, al conectarse con la

fosforilacin oxidativa, que se mencionar al hablar de las mitocondrias, se produce la mayor parte del ATP sintetizado. Por esta ltima razn la gluclisis es considerada tambin la va de entrada de la glucosa y los azcares en general a una de las vas catablicas principales.

E) Finalmente, esta va es en gran parte reversible; es decir, a partir del piruvato se obtiene glucosa, e incluso el mismo glucgeno y otros polisacridos. Esto es importante, porque as es como se transforman en azcares los aminocidos, que provienen de las protenas.

LA DEGRADACIN DE LAS GRASAS

Como ya se vio en el captulo I, las grasas neutras estn compuestas de glicerol y cidos grasos. Para degradarse, primero se separan los cidos grasos de las molculas. La parte ms importante de la degradacin de los lipidos consiste en la transformacin, paso a paso, de las cadenas largas, de 16 a 18 tomos de carbono las ms comunes, en fragmentos de dos tomos de carbono, como acetil CoA.

La coenzima A (figura II.6) es una molcula complicada que sirve como una especie de mango o asa que las enzimas requieren para el manejo de fragmentos de dos tomos de carbono o mayores, para formar la acetil (de acetilo) coenzima A, o el caso que sea. Sin embargo, la nica parte que sufre cambios es la porcin del cido graso o el acetilo unido a la coenzima A. En la figura II.7 se presenta el proceso de degradacin de un cido graso con frmulas qumicas como referencia a su complejidad.

Aqu vemos cmo una molcula de un cido graso, unida a la coenzima A, en varios pasos termina por perder, como acetil CoA, un fragmento de dos tomos de carbono. El proceso tiene las siguientes caractersticas:

A. Es un ciclo que se repite; partiendo de un cido graso de, por ejemplo, 18 tomos de carbono, en la primera vuelta termina en uno de 16, pero en otra da uno de 14 y as sucesivamente, hasta que todo el cido graso se convierte en fragmentos de acetil CoA, de dos tomos de carbono.

B. El proceso completo se lleva a cabo en la mitocondria.

C. En cada vuelta de este ciclo la clula recoge en dos molculas especiales, el FAD y el NAD, que se convierten en FADH2 y NADH, dos pares de hidrgenos, que representan una forma de energa que se utiliza en la cadena respiratoria para sintetizar ATP.

D. Como el proceso degrada todo el cido graso hasta fragmentos de acetil CoA, con sta se alimenta el ciclo de los cidos tricarboxlicos, igual que con los derivados del piruvato y de la glucosa, y se oxidan hasta CO2 y agua; de aqu se obtiene energa en cantidades muy grandes.

Figura II.6. La coenzima A y la acetil CoA.

E. Como en el caso de la va anterior, la degradacin de las grasas es en cierta forma reversible. Aunque no intervienen las mismas enzimas ni cofactores, el proceso de sntesis de un cido graso es parecido, pero inverso a la degradacin, y en cada vuelta de un ciclo se aade a la molcula original un fragmento de dos tomos de carbono. Esta nueva va de sntesis es tambin til para sintetizar grasas a partir de azcares o protenas (figura II.5).

Figura II.7. La beta oxidacin.

LAS TRANSFORMACIONES DE LAS PROTENAS

Dado que en el captulo IV ya se describieron los mecanismos de sntesis de las protenas, en esta seccin slo mencionaremos los mecanismos de conversin de unos aminocidos y su degradacin. Las protenas se degradan para dar aminocidos, y viceversa, pero las transformaciones ms interesantes son las de los aminocidos.

En las clulas hay cetocidos y aminocidos, y mientras los primeros tienen un grupo ceto (-C=O) en el carbono nmero 2, los segundos tienen un amino (-NH2). Como se muestra en la figura II.8, un cetocido (piruvato) se puede convertir en un aminocido (alanina), tomando el grupo amnico de un aminocido (glutmico), que en el proceso se convierte a su vez en cetocido (cetoglutrico). Este proceso, que recibe el nombre de transaminacin, ocurre en muchos otros pares de cetocidos y aminocidos y permite el intercambio de unos aminocidos en otros.

Figura II.8. La transaminacin. Un cetocido recibe el grupo amnico de un aminocido, y ste a su vez se convierte en cetocido.

Por otra parte, los aminocidos pueden perder su grupo amnico por otros procesos, reaccin en la cual liberan amoniaco (NH3) y dan lugar a un cetocido. Este proceso permite obtener cetocidos diferentes, como el piruvato, el oxalocetato o el cetoglutarato. El primero es el resultado final de la gluclisis y los otros dos son pasos intermedios del ciclo de Krebs. De aqu resulta que, cuando los aminocidos pierden su grupo amnico, el residuo se puede incorporar a diferentes caminos metablicos para su degradacin (figura II.9).

Figura II.9. La desaminacin. Los aminocidos pueden tambin perder su grupo amnico y convertirse en cetocidos.

Otro punto importante en el metabolismo de las protenas es el destino del amonio que pierden al desaminarse. Dependiendo de los organismos, ste se puede eliminar como tal o como diferentes compuestos. En los humanos, una gran parte del amoniaco, que les resulta txico, se elimina despus de unirlo con CO2, dando lugar a una molcula inerte, la urea:

NH2

C02 + 2NH3 C=ONH2

Finalmente, tambin hay enzimas capaces de sintetizar aminocidos a partir de cetocidos y amoniaco, como la deshidrogenasa glutmica, que puede aminar al cetoglutarato, o sea, ponerle un grupo amnico en lugar de cetnico, como se muestra en la figura II.10.

Figura II.10. Conversin del cetoglutarato en glutamato por la deshidrogenasa glutmica.

EL CICLO DE LOS CIDOS TRICARBOXLICOS

Ya hemos mencionado que de los principales componentes que obtenemos de los alimentos azcares y grasas principalmente, pero tambin de las protenas se pueden obtener molculas como el piruvato, y a partir de ste la acetil CoA . sta, a su vez, puede provenir directamente de las grasas.

En la figura II.11 se muestra otro camino metablico cclico, el ciclo de los cidos tricarboxlicos; pueden alimentarse con acetil CoA y tiene algunas caratersticas importantes, que sealamos a continuacin:

a) Se encuentra localizado en la mitocondria.

b) Termina en el mismo producto en que se puede considerar que se inicia, el cido oxalactico u oxalacetato, que puede unirse otra vez con una molcula de acetato de la acetil CoA.

c) En el proceso, los dos tomos de carbono del acetato salen como CO2.

d) Entre los productos del ciclo se forman cuatro pares de hidrgenos, que pueden ser tomados por la cadena respiratoria para llevarlos al oxgeno y sintetizar ATP.

e) Muchos de los intermediarios del ciclo se forman de otras sustancias, como por ejemplo, el cetoglutarato del glutamato, o el oxaloacetato del aspartato. De esta forma se constituye en el mecanismo de conexin de diferentes vas metablicas. Tal vez la principal funcin sea la de servir de fuente muy eficiente de pares de hidrgenos, para que, al entregar stos a la cadena respiratoria se sintetice ATP. De cada par de hidrgenos, la mitocondria puede obtener entre dos y tres molculas de ATP, de manera que es parte fundamental en los mecanismos de conservacin de la energa, que se vern ms adelante al hablar de las mitocondrias y los cloroplastos.

Figura II.11. El ciclo de los cidos tricarboxlicos. Esta especie de molino metablico produce hidrgenos, una importante fuente de energa para la sntesis del ATP, que van a la cadena de transporte de electrones de las clulas, y CO2, a partir de muchas molculas que provienen de diferentes partes del metabolismo.

UNAS VAS ESTN CONECTADAS CON OTRAS

De manera muy sencilla hemos descrito las transformaciones que sufren algunas molculas, como la glucosa, los cidos grasos y algunos aminocidos. Tal pareciera que todas estas sustancias tienen caminos metablicos definidos que las llevan a tal o cual producto, pasando por tal o cual sustancia intermedia. Pero no es as. Cada molcula o grupo de ellas puede participar en una va y no necesariamente seguir el camino que hasta ahora hemos sealado. Incluso, en un mismo individuo o especie, al cambiar las condiciones de su vida o alimentacin pueden producirse cambios tambin en el manejo de sus vas metablicas. As es como surgen las conexiones entre las vas metablicas, y a manera de ejemplo sealaremos algunas de ellas.

Un caso sera la conexin entre el metabolismo de las grasas y el de los azcares. El alimento de una persona se compone en buena parte de carbohidratos (pan, pastas, cereales, leguminosas, etc). En alguien que come lo justo, los azcares, que le proporcionan la mayor parte de la energa para realizar sus funciones, entran en su mayor parte a las vas que ya sealamos, la gluclisis y el ciclo de los cidos tricarboxlicos, y se degradan totalmente hasta CO2 y H2O, para producir ATP. Tambin los alimentos se consumen o se gastan en funcin del gasto de ATP. De no ser el caso, disminuye la velocidad con que se utilizan, y se acumulan algunos de los productos, y entonces, aunque hay sistemas reguladores muy especiales, uno de los caminos que quedan a las molculas sobrantes o acumuladas es la sntesis de cidos grasos y grasas. Al menos en algunos animales, como los cerdos, e incluso en algunos humanos, la capacidad de acumulacin de grasa es enorme, y se realiza por la transformacin de azcares en ellos. Otro ejemplo es la acumulacin de las grasas (aceites) en algunas semillas; estos aceites se forman en las plantas de los azcares sintetizados originalmente en la fotosntesis.

Otro caso que podemos imaginar es el de un individuo que no consume carbohidratos, como pudiera darse en ciertas dietas; pero, existe un grupo tnico que prcticamente vive de una dieta de protenas y carbohidratos: los esquimales. En estos individuos, las grasas se oxidan para obtener energa, pero muchos tejidos requieren de glucosa para funcionar. Su organismo resuelve el problema intensificando algunos caminos metablicos que permiten la transformacin de los aminocidos en glucosa y otros azcares.

LA REGULACIN DEL METABOLISMO

Dado que muchas de las vas, como la gluclisis, tienen como componente al ADP, algunas de sus reacciones no pueden proceder sin ste, o al menos lo hacen ms lentamente si se encuentra en cantidades limitadas. Este ese el caso, por ejemplo, de un individuo que no hace ejercicio fsico; con poco ADP, la gluclisis avanza con lentitud y adems, los mecanismos de regulacin permiten que la glucosa se convierta en piruvato y acetil CoA, que va finalmente a la sntesis de grasas, nico grupo de sustancias que se pueden acumular.

Pero hay tambin caminos metablicos que en algunos de sus pasos tienen mecanismos muy variados de regulacin. En muchas ocasiones, las enzimas, encargadas de alguno de los pasos del metabolismo, son susceptibles de modificar su funcin, debido a molculas que en ocasiones estn cerca en los esquemas metablicos; pero otras veces sucede que pueden ser inhibidas o estimuladas por molculas lejanas o ajenas a la propia va regulada.

Hay tambin otros factores que modifican la velocidad de funcionamiento de una va metablica; los organismos cuentan tambin con molculas diseadas especficamente para regular muy diversas funciones celulares por diferentes mecanismos. Estas sustancias, producidas por tejidos u rganos especficos, llamados glndulas, son capaces de modificar la funcin de otras clulas a distancia que se llaman hormonas.

Las hormonas pueden modificar el funcionamiento de otras clulas, pero, ms especficamente, su metabolismo. Hay algunas, como la insulina, producida por el pncreas de los animales superiores, que tiene la propiedad de estimular el paso de la glucosa a travs de las membranas de muchas de las clulas. De esta manera, la hormona puede regular la gluclisis y dems vas que le siguen, por lo asequible de la primera sustancia que alimenta la va. Otras hormonas tienen efectos ms complicados; pueden actuar directamente, como ciertos esteroides, unindose a las molculas que forman los cromosomas y permitiendo la expresin de ciertas regiones del DNA y con ello la sntesis de determinadas protenas. Otras cuentan con receptores especficos en las membranas de las clulas y mecanismos de transmisin de seales resultantes de su presencia y complicadas acciones subsecuentes en el interior de la clula. La adrenalina, por ejemplo, sin penetrar a la clula, a travs de su receptor puede producir en el hgado, por una molcula que acta como su mensajero (llamado segundo mensajero) la estimulacin de la degradacin del glucgeno almacenado y la liberacin de glucosa a la circulacin.

Estos casos que mencionamos son ejemplos de los mecanismos de regulacin del metabolismo por las hormonas.

VARIACIONES DE LAS VAS

Hemos descrito de modo superficial una forma de degradacin de la glucosa que parte a la molcula en dos fragmentos iguales, dos molculas de piruvato o de lactato. Hemos mencionado que esto sucede en el ejercicio muscular intenso, y que permite obtener con rapidez grandes cantidades de ATP. Pero hay diversas variantes de esta va; tal vez la ms importante, por su repercusin en la vida diaria, sea la fermentacin. Esta es simplemente una variacin de la gluclisis, que dio lugar al estudio del metabolismo hacia finales del siglo pasado, cuando los Bchner sealaron que las clulas rotas de levadura eran capaces de transformar la glucosa en alcohol etlico.

La diferencia entre la gluclisis y la fermentacin estriba en que, en esta ltima, prcticamente no existe el paso que convierte al piruvato en lactato, y en su lugar hay otra enzima que convierte al piruvato en acetaldehido, y otra a ste en alcohol, como se muestra en la figura II.12.

Figura II.2. La fermentacin como una variante de la gluclisis.

La importancia de la fermentacin estriba en que, en primer lugar, es la va metablica responsable de la produccin de los cientos de bebidas alcohlicas que existen en el mundo. Independientemente de la importancia econmica de las bebidas alcohlicas, el alcohol en s es un solvente industrial de gran importancia, y se le ha utilizado como combustible sustituto de la gasolina.

Otra caracterstica importante es la obtencin de CO2 por la transformacin del piruvato en acetaldehido. Al mezclar levadura con masa de harina se producen en sta burbujas muy pequeas que durante la coccin se dilatan y permiten fabricar el pan. Tambin es posible modificar la fermentacin, interrumpindola a medio camino, y lograr la produccin de glicerol a partir de la glucosa; este mtodo se utiliz en la primera Guerra Mundial como fuente de glicerol para la produccin de la nitroglicerina. Es as que, desde tiempos bblicos, con el pan y el vino, se ha venido utilizando una variante de una va metablica para el beneficio del hombre.

Estos ejemplos de variaciones de una va metablica para la produccin de materiales tiles para los humanos no son sino una muestra de la enorme diversidad de procedimientos que aprovechan las diferencias naturales o provocadas de las vas metablicas y que constituyen la base de una gran parte de la moderna biotecnologa.

III. LOS COMPONENTES CELULARES

AUNQUE se han esbozado algunas funciones de los componentes celulares, en esta seccin se intentarn detallar las principales funciones de las estructuras de una clula. Empezaremos de fuera hacia adentro, a partir de la pared celular, esa envoltura protectora que recubre a la membrana, y que no todas las clulas tienen, y terminaremos con el ncleo y el citosol. Debe aclararse que no todos los componentes existen en todas las clulas, y que la descripcin del cloroplasto, por ejemplo, correspondera a una clula vegetal. En las bacterias, por otra parte, slo hay membranas y citosol y el ncleo no tiene una estructura definida.

LA PARED CELULAR Y LA PROTECCIN DE LAS CLULAS

Las bacterias, como muchos otros microorganismos, y las clulas vegetales estn cubiertas por una membrana plasmtica relativamente dbil y semejante a la de muchas otras clulas. Sin embargo, por sus propias caractersticas de vida libre y por estar sujetas a una variedad muy grande de ambientes, muchos de ellos inhspitos, adems de la membrana requieren de una pared adicional protectora. La figura III.1 es una micrografa de la pared celular del quiste de una amiba y en ella se muestra una estructura de fibras entrecruzadas, todas de polmeros de azcares, de gran resistencia, que sirven para proteger a la clula.

Figura III.1 La envoltura celular de una amiba. Una resistente malla de fibras de azcares polimerizados protege a muchas clulas del dao que el ambiente adverso le puede causar.

La pared celular funciona en parte como proteccin mecnica, pero tal vez su papel principal consista en proteger a la clula de los cambios en la presin osmtica interna, que se generan por la gran cantidad de sustancias que contiene, cuando en el exterior hay una baja concentracin de sustancias disueltas. Las sustancias disueltas en una clula se comportan como las molculas de un gas comprimidas dentro de un tanque, y generan una fuerza que llamamos presin. Si un microorganismo o una levadura o el quiste de una amiba se colocan en agua, se produce una presin de varias atmsferas, por la cantidad de sustancias disueltas en el interior. De no existir la pared, se producira de inmediato la ruptura de la membrana celular. Para tener idea de la presin que se puede desarrollar en un microorganismo en esas condiciones, se le puede comparar con la del neumtico de un coche que se llena de aire a una presin aproximada de dos atmsferas. En este caso, la resistencia de la pared evita que estalle. En las clulas vegetales y microorganismos, la presin osmtica que se ejerce sobre la pared llega a ser de 15 a 20 atmsferas cuando se les coloca en el agua. No es difcil imaginar la resistencia que debe tener la pared para evitar que la clula se rompa.

La naturaleza nos ofrece muchos ejemplos de la relevancia de la pared celular. Muchas clulas viven en medios hipotnicos, prcticamente agua pura; en el caso de las amibas, por ejemplo, la forma de transmisin de unos individuos a otros es el quiste, que rodeado de su fuerte pared resiste esas presiones. Uno de los antibiticos ms

conocidos, la penicilina, acta bloqueando la sntesis de los componentes de la pared celular de algunos microorganismos. En presencia del antibitico, stos se desarrollan sin esa proteccin y mueren ante los ambientes de menor presin osmtica.

LA MEMBRANA CELULAR

Como ya se mencion, durante mucho tiempo se consider a la membrana celular como una estructura inerte, si acaso con poros ms o menos especficos para la entrada y la salida por mecanismos poco claros de los diferentes materiales que la clula debe captar o expulsar al medio en que se encuentra. En la actualidad, este concepto ha cambiado (vase el captulo I) y el modelo es el de una estructura fundamental, constituida por fosfolpidos, en la cual se encuentran embebidas otras numerosas molculas, principalmente protenas, que tienen diferentes actividades.

El lector interesado puede consultar en esta misma serie el volumen 18, Las membranas de las clulas, que explica con ms detalle las funciones de estas estructuras.

La mayor parte de las clulas mantiene en su citoplasma una composicin y, casi siempre, una concentracin de sustancias disueltas notablemente diferente del medio que las rodea; aun en las clulas de los animales superiores, que viven en un ambiente prcticamente invariable, la composicin del citoplasma celular es muy diferente de la del medio que lo rodea. Es relativamente sencillo explicar el hecho de que la membrana de la clula impida la salida o la entrada de las molculas de gran tamao, como las protenas, los cidos nucleicos o los polisacridos; y tambin se puede explicar que las molculas polares o cargadas deban mantenerse de un lado o del otro de la membrana. Esta situacin requiere mecanismos especiales que muevan sustancias de un lado al otro de la membrana, pero que al mismo tiempo puedan distinguir entre unas y otras; por otra parte, no es raro encontrar molculas o iones que se transportan en las membranas, del lado en donde se encuentran en menor concentracin, hacia aquel en que sta es mayor. Son estos movimientos a travs de las membranas lo que se conoce con el nombre de transporte.

El fenmeno del transporte a travs de una membrana ocurre de una manera muy sencilla. Para atravesar la doble capa de fosfolpidos que constituye la base estructural de la membrana y la separacin entre ambos lados, una molcula o ion requieren de la presencia de un sistema de transporte, o acarreador, o un poro especifico, capaz de permitirle el paso de un lado a otro de la membrana Estos sistemas de transporte, para permitir el paso de la sustancia en cuestin, primero deben reconocerla entre lo que puede ser un sinnmero de otras molculas que se encuentran en los lquidos que baan a las clulas.

El transporte puede tener dos variantes. En un caso se trata de una sustancia que haya de pasar de una mayor concentracin a una menor, es decir, a favor del de su tendencia natural, como sucede cuando las molculas de una gota de tinta en agua se mueven de donde hay ms hacia donde hay menos, para finalmente llegar a una concentracin igual en toda la solucin; en estos casos, dentro de la complejidad de las molculas de protenas, es de esperar que el acarreador sea una molcula relativamente simple, que lo nico que debe hacer es seleccionar las molculas que deben pasar y dejar que lo hagan segn su tendencia natural. Pero existe otro caso, que no es raro en las clulas y microorganismos, en el cual se captura una sustancia que se encuentra en el medio a una concentracin relativamente baja, y se le introduce a la clula, en la cual la concentracin es mucho mayor. El caso ms frecuente es quiz el del ion de potasio (K+), y el de otros materiales nutritivos que en muchas clulas se encuentran en concentraciones mayores que en el ambiente. En este caso, si el transporte se realiza en contra del gradiente de concentracin, los componentes de la membrana deben invertir energa para llevarlo a cabo. En numerosas ocasiones, el sistema de transporte mismo es capaz de utilizar directamente la energa de la hidrlisis del ATP (adenosn trifosfato) para realizar el transporte. Este es el llamado sistema de translocadores primarios. En la figura III.2 se presentan dos tipos de transporte directo.

Figura III.2. Un traslocador o acarreador simple slo reconoce a las molculas que ha de dejar pasar, y les permite el paso a travs de la membrana. Un traslocador activo necesita de una fuente de energa, que puede ser ATP o la derivada del transporte de los electrones. Otros acarreadores son verdaderos poros, que sin embargo, distinguen entre unas sustancias y otras.

Independientemente de la posibilidad de reconocer y transportar sustancias en un sentido y en otro, previo reconocimiento de las mismas, las membranas tienen tambin la posibilidad de reconocer otras sustancias con fines definidos, para establecer contacto con el exterior. El reconocimiento ms claro y conocido de este tipo es probablemente el de las hormonas; numerosas clulas pueden reconocer estmulos o seales del exterior, y no slo eso, pues como consecuencia de la interaccin con ellas producen respuestas bien definidas, que pueden ser cambios fisiolgicos o metablicos discretos en un principio, pero que llegan a tener efectos profundos en un individuo. Un solo ejemplo de stos es el de la insulina, hormona producida por el pncreas, que aumenta la velocidad con que la glucosa entra a las clulas, principalmente las musculares y las adiposas, con la participacin de receptores especficos en la membrana celular. Siendo ste un mecanismo normal para modular el comportamiento metablico de las clulas, cuando falta en forma total o disminuye la produccin de la hormona aparecen los trastornos, que se traducen en el padecimiento llamado diabetes.

En algunas membranas se localizan funciones ms especializadas, como la movilidad de las amibas y otros protozoarios con movimiento amiboide; las mismas clulas musculares deben establecer contactos entre los materiales contrctiles del interior y la membrana, para producir efectivamente la contraccin o acortamiento de la fibra. En otras clulas, la membrana elimina al exterior o toma de l sustancias, mediante la formacin de vesculas que se producen al englobaras. La fagocitosis y la exocitosis son ejemplos de este fenmeno; en la primera, la membrana envuelve a una partcula o grupo de ellas, se cierra luego a su derredor, y forma finalmente una vescula que se desprende de la membrana y pasa al citoplasma, convirtindose en una vacuola digestiva mediante la interaccin de esa vescula con un lisosoma (figura III.3). Es lgico suponer que funciones como las descritas implican la participacin de grandes nmeros de componentes, que hacen de la membrana celular una estructura ms complicada todava.

Figura III.3. La fagocitosis. La clula engulle alguna partcula y luego la digiere en el interior de las vesculas digestivas que se forman.

En las bacterias, que no poseen organelos en su interior, la membrana externa los sustituye y se encarga de un buen nmero de funciones que en otras clulas y organismos estn asignadas a ellos. Como se ver ms adelante, la fosforilacin oxidativa y la fotosntesis son funciones realizadas en las mitocondrias y en los cloroplastos, respectivamente. Estas funciones requieren de una estructura membranosa cerrada, pero como las bacterias no cuentan ms que con la membrana externa, es ah donde se realizan. La semejanza que hay entre la membrana externa de las bacterias y la membrana interna de las mitocondrias ha dado lugar a que se considere, con cierto grado de certeza, que las mitocondrias y los cloroplastos resultaron de la inclusin de bacterias en el interior de las clulas.

LOS ORGANELOS CELULARES

Dentro de esta denominacin se incluye una serie de grandes formaciones intracelulares, como las mitocondrias, el retculo endoplsmico, o hasta el ncleo mismo; casi todos ellos representan de alguna forma estructuras en las que, o bien una membrana es la base, o al menos es componente principal de ellas.

Algunos han definido con claridad su papel funcional dentro de la clula, mientras que otros apenas empiezan a conocer su significado fisiolgico. De cualquier manera, el conocimiento actual de cada una de estas formaciones celulares es suficiente para tener una idea de la organizacin funcional que existe dentro de las clulas.

EL RETCULO ENDOPLSMICO

Esta formacin se encuentra en todas las clulas. Consiste en un conjunto de tbulos dispuestos en forma de red, conectados unos con otros, que se distribuyen por toda la clula. Es posible distinguir dos tipos en esta estructura, el retculo endoplsmico liso y el rugoso, que se diferencian por su aspecto. Ambos presentan en la microscopa electrnica la misma imagen tubular, pero en el liso los contornos son suaves y continuos, mientras que en la variedad rugosa, como su nombre lo indica, existen partculas ms o menos abundantes a todo lo largo del contorno, que no son otra cosa que ribosomas, estructuras supramacromoleculares que ya se describieron.

Debido a que en esta estructura se encuentran los ribosomas, y a que la variedad rugosa es ms abundante en los tejidos en los que hay una actividad importante de sntesis de protenas sumados a muchos otros datos experimentales, uno de los cuales ha sido el aislamiento de los ribosomas y su estudio se le ha asignado como su actividad primordial la sntesis de las protenas. En las clulas hepticas, por ejemplo, hay un equilibrio entre

las dos variedades de retculo endoplsmico. En la figura III.4 se presenta una micrografa electrnica de una zona de franco predominio de la variedad rugosa; en el figura III.4b se muestra la variedad lisa. Salvo por la ausencia de granulaciones, el retculo endoplsmico liso tiene la misma apariencia que el rugoso; esta estructura, en el hgado, se vuelve ms abundante cuando se administra a los animales algunas sustancias txicas o medicamentos, y se aumenta su capacidad para activarlas o inactivarlas; por ello se le ha relacionado con la capacidad de "destoxificar" algunas sustancias ingeridas, dentro de las cuales se encuentran ciertos medicamentos. La abundancia de este sistema en algunos tejidos, como por ejemplo en parte de la glndula suprarrenal y del testculo, que se encargan de producir constantemente hormonas de las llamadas esteroideas, ha hecho suponer que tiene que ver con este proceso. En este sistema membranoso parece residir tambin una va de sntesis para los cidos grasos, principales componentes de la mayora de los lpidos, as como de los fosfolpidos.

Figura III.4. El retculo endoplsmico y sus dos variedades; a) el rugoso, que toma este aspecto porque tiene dos ribosomas, y b) el liso. Ambos, sin embargo, tienen otras funciones.

En el msculo, el retculo endoplsmico tiene una funcin especial, pues requiere de una disposicin regular en relacin con las miofibrillas; esto, aunado al hecho de que posee una gran capacidad para transportar calcio, as como una gran cantidad de evidencias experimentales de otro tipo, permite asegurar que participa en la regulacin de la contraccin muscular. La regulacin del proceso se hace mediante el secuestro o la liberacin del ion calcio al citosol, en donde se encuentran las miofibrillas, que lo requieren para contraerse. En la figura III.5 se presenta una micrografa electrnica que muestra la regularidad del retculo endoplsmico liso. Es necesario sealar, adems, que las caractersticas funcionales de esta estructura varan segn el tipo celular que se utilice.

Figura III.5. El retculo endoplsmico y su disposicin en el msculo.

Una de las razones que ha hecho posible estudiar distintos tipos de retculo endoplsmico es la posibilidad que hay de aislarlo. De acuerdo con el esquema de la figura III.6, se le puede separar de otros componentes celulares, centrifugando a 105 000 veces la fuerza de la gravedad durante una hora. Con este procedimiento se obtienen vesculas que provienen del retculo endoplsmico y del aparato de Golgi, que a su vez se pueden separar entre s mediante procedimientos ms finos de ultracentrifugacin, debido a que tienen diferencias ligeras en su densidad.

Figura III.6. Esquema que muestra el procedimiento para separar el retculo endoplsmico y otros componentes celulares.

EL APARATO DE GOLGI

La figura III.7 muestra una micrografa electrnica de una clula en la que se puede observar una estructura membranosa polisacular (de muchos sacos pequeos) que parece provenir o estar relacionada con el retculo endoplsmico, es decir, en la que varias estructuras vesiculares se apilan unas junto a otras, generalmente cerca del ncleo celular; esta disposicin tambin aparece en las clulas que tienen funciones secretoras. Esta estructura recibe el nombre de aparato de Golgi, y a partir de las vesculas grandes cercanas al ncleo, forma, con los productos de su secrecin, vesculas ms pequeas que viajan luego hasta la superficie de la clula, se funden con la membrana externa y vacan su contenido al exterior. Esta estructura tiene tambin que ver con la produccin de enzimas digestivas, y se observa con mucha claridad por ejemplo en el pncreas, en las clulas de la pared intestinal y en otras glndulas.

Figura III.7. El aparato de Golgi y su funcin secretora. En l se forman pequeas vesculas que son exportadas hacia fuera de la clula o a otros organelos.

Se ha estudiado ahora este sistema con ms detalle, y se descubri que las vesculas que forma pueden llevar protenas, no slo al exterior de la clula, sino tambin algunas que se insertan slo en la membrana plasmtica y en otros organelos. As, el papel del aparato de Golgi se vuelve una especie de correo o sistema de distribucin de las protenas de las clulas a los sitios donde deben cumplir su funcin. No slo eso, tambin en algunas ocasiones, las protenas pueden regresar de la membrana al aparato de Golgi, en una especie de ciclo, que puede regular ciertas funciones, al modificar la cantidad de enzimas o receptores que se encuentran en una membrana.

El aparato de Golgi tambin se encarga de producir y distribuir las protenas que sintetiza a todos los organelos celulares. Una vez sintetizadas, las procesa e incluye en vesculas que se dirigen a los distintos organelos de las clulas, a los que se incorporan para realizar funciones especiales.

LAS MITOCONDRIAS Y LA ENERGA CELULAR

Las mitocondrias se pueden aislar puras; de hecho, fueron estos organelos los primeros en ser separados en grandes cantidades para su estudio, a partir de clulas del hgado. El mecanismo de la transformacin de la energa que lleva a la sntesis del ATP, y que se conoce como fosforilacin oxidativa, se inici y se ha realizado principalmente en estos organelos, que se han obtenido bsicamente de dos fuentes: el hgado de rata y el corazn de res.

La figura III.8 muestra una micrografa electrnica de una mitocondria, as como un esquema de su estructura. Se trata de un doble saco cerrado, es decir, que tiene una doble membrana, la externa y la interna; entre ambas queda