Biologia molecular

La biología molecular es la disciplina científica que tiene como objetivo el estudio de los procesos que se desarrollan en los seres vivos desde un punto de vista molecular.

En su sentido moderno, la biología molecular pretende explicar los fenómenos de la vida a partir de sus propiedades macromoleculares. Dos macromoléculas en particular son su objeto de estudio:

1. Los ácidos nucleicos, entre los cuales el más famoso es el ácido desoxirribonucleico (ADN), el componente de genes.
2. Las proteínas, que son los agentes activos de los organismos vivos.

Dentro del Proyecto Genoma Humano puede encontrarse la siguiente definición sobre la biología molecular: El estudio de la estructura, función y composición de las moléculas biológicamente importantes.¹

Biología molecular y otras ciencias

Esta área está relacionada con otros campos de la biología y la química, particularmente ingeniería genética y bioquímica. La biología molecular concierne principalmente al entendimiento de las interacciones de los diferentes sistemas de la célula, lo que incluye muchísimas relaciones, entre ellas las del ADN con el ARN, la síntesis de proteínas, el metabolismo, y el cómo todas esas interacciones son reguladas para conseguir un correcto funcionamiento de la célula.

La diferencia entre la química orgánica y la biología molecular o química biológica es que en la química biológica las moléculas de ADN tienen una historia y, por ende, en su estructura nos hablan de su historia, del pasado en el que se han constituido, mientras que una molécula orgánica, creada hoy, es sólo testigo de su presente, sin pasado y sin evolución histórica.²

Características

Al estudiar el comportamiento biológico de las moléculas que componen las células vivas, la Biología molecular roza otras ciencias que abordan temas similares: así, por ejemplo, juntamente con la Genética se interesa por la estructura y funcionamiento de los genes y por la regulación (inducción y represión) de la síntesis intracelular de enzimas y de otras proteínas. Con la Citología, se ocupa de la estructura de los corpúsculos subcelulares (núcleo, nucléolo, mitocondrias, ribosomas, lisosomas, etc.) y sus funciones dentro de la célula. Con la Bioquímica estudia la composición y cinética de las enzimas, interesándose por los tipos de catálisis enzimática, activaciones, inhibiciones competitivas o alostéricas, etc. También colabora con la Filogenética al estudiar la composición detallada de determinadas moléculas en las distintas especies de seres vivos, aportando valiosos datos para el conocimiento de la evolución.

Sin embargo, difiere de todas estas ciencias enumeradas tanto en los objetivos concretos como en los métodos utilizados para lograrlos. Así como la Bioquímica investiga detalladamente los ciclos metabólicos y la integración y desintegración de las moléculas que componen los seres vivos, la Biología molecular pretende fijarse con preferencia en el comportamiento biológico de las macromoléculas (ADN, ARN, enzimas, hormonas, etc.) dentro de la célula y explicar las funciones biológicas del ser vivo por estas propiedades a nivel molecular.

Endocitosis

La endocitosis ( del griego ἐνδο- gr. 'dentro', kyto- κύτος gr. cient. 'célula' y -ō-sis gr. 'proceso') es un mecanismo clave por el cual las células introducen moléculas grandes, partículas extracelulares e inclusive pequeñas células, englobándolas en una invaginación de la membrana citoplasmática, formando una vesícula que termina por desprenderse de la membrana para incorporarse al citosol.Se presenta como un caso contrario a los acontecimientos de la exocitosis.^{1 2 3 4 5}

Los mecanismos de endocitosis tienen como fin regular la composición de lípidos y proteínas de la membrana plasmática, realizan una regulación de cómo las células interactúan con su entorno y por ende es un apoyo fundamental para la fisiología celular y la homeostasis.^3 4

El término de "endocitosis" fue utilizado por Christian deDuve en 1963 como concepto para incluir en un mismo término a la ingestión de partículas grandes y la absorción de fluidos o macromoléculas en pequeñas vesículas⁶ .

Tipos de Endocitosis

Diferentes formas de endocitosis(Fagocitosis,Pinocitosis,Endocitosis mediada por receptores)

Existen tres tipos de endocitosis:

• Fagocitosis
• Pinocitosis
• Endocitosis Mediada por receptores

Cuando la endocitosis da lugar a la captura de partículas se denomina fagocitosis ("la célula come"), y cuando son solamente porciones de líquido las capturadas, se denomina pinocitosis ("la célula bebe")² . La pinocitosis atrapa sustancias de forma indiscriminada, mientras que la endocitosis mediada por receptores sólo incluye al receptor y a aquellas moléculas que se unen a dicho receptor, es decir, es un tipo de endocitosis muy selectivo. En los tres casos la membrana plasmática se pliega hacia adentro formando una especie de bolsillo que dará lugar a una vesícula para la posterior migración de su contenido al interior de la célula.¹

Proceso de fagocitosis.

Fagocitosis

El mecanismo de endocitosis más común es la fagocitosis, este consiste en la introducción de un sólido al medio intracelular. Estos pueden ser: una molécula de gran tamaño, una partícula o un microorganismo, como por ejemplo; bacterias, polvo atmosférico, células o restos celulares.⁷

Primero la partícula se apoya en una zona de la membrana celular produciéndose una invaginación, al ingresar a la célula, que se estrangula, quedando lo ingresado envuelto en la membrana plasmática, constituyendo una vesícula denominada fagosoma, ésta es creada por medio del citoesqueleto. El fagosoma se fusiona con los lisosomas, formando un fagolisosoma, los orgánulos encargados de realizar la digestión celular. Generalmente es una función de defensa cuando se presentan agresiones del exterior o de renovación de tejidos orgánicos.^7 8

Es importante saber que la unión de la partícula a los receptores en la superficie de la célula fagocítica desencadena la extensión de los pseudópodos, un movimiento basado en actina de la superficie celular; los pseudópodos rodean la partícula y sus membranas se fusionan para formar una gran vesícula intracelular (> 0,25 μm de diámetro) llamado fagosoma, estos se fusionan con los lisosomas, generando a los fagolisosomas, en los mismos donde el material ingerido es digerido por la acción de las hidrolasas ácido lisosómicas; durante la maduración del fagolisosoma, algunas de las proteínas de membrana internalizadas se reciclan a la membrana plasmática.⁶

Muchas amebas usan fagocitosis para capturar partículas de alimentos, como bacterias u otros protozoos; mientras tanto en animales multicelulares, las principales funciones de la fagocitosis consisten en proporcionar una defensa contra microorganismos invasores y eliminar células envejecidas o dañadas del cuerpo, específicamente en los mamíferos, la fagocitosis es la función de dos tipos de glóbulos blancos, macrófagos y neutrófilos, a los que frecuentemente se los llama como "fagocitos profesionales", poseen papeles sumamente importantes para los sistemas de defensa del cuerpo al eliminar los microorganismos de los tejidos infectados, además, los macrófagos, eliminan las células viejas o muertas de los tejidos en todo el cuerpo, son responsables de la eliminación de más de 1011 células sanguíneas envejecidas sobre una base diaria.⁶

Endosomas

Se encuentran dentro de la célula, son compartimientos intermedios, tienen la función de destruir materiales que han sufrido endocitosis, fagocitosis o autofagocitosis y para la formación de los lisosomas.⁹

Pinocitosis

Proceso de pinocitosis

Las células que llevan a cabo la pinocitosis presentan una región en la membrana plasmática que está recubierta por una proteína (la clatrina) en su cara citosólica, de forma que cuando la molécula se deposita sobre esa región de membrana se forma un caparazón revestido que la rodea, posteriormente perderá ese revestimiento para poder ser digerida por los lisosomas. En este proceso la célula incorpora líquidos en los cuales pueden estar disueltas proteínas.⁷

La parte endocítica del ciclo usualmente empieza en fosas recubiertas de clatrina, las mismas que generalmente ocupan alrededor del 2% del área total de la membrana plasmática, el tiempo de vida de estas fosas es corto (alrededor de un minuto después de ser formado), se invagina dentro de la célula y se aprieta para formar una vesícula revestida con clatrina; se estima que unas 2500 vesículas revestidas con clatrina abandonan la membrana plasmática de un fibroblasto cultivado cada minuto, estas vesículas son aún más transitorias que las cavidades revestidas, cuyo tiempo de vida es de unos los pocos segundos después de su formación, por lo que desprenden su capa y son capaces de fundirse con los endosomas tempranos; debido a que el fluido extracelular está atrapado en fosas recubiertas de clatrina, a medida que se invaginan para formar vesículas recubiertas, cualquier sustancia disuelta en el fluido extracelular se internaliza, proceso denominado endocitosis en fase fluida.¹⁰

La velocidad a la que la membrana plasmática realiza este proceso varía entre los tipos de células, pero suele ser increíblemente grande; por ejemplo un macrófago, ingiere el 25% de su propio volumen de líquido cada hora. ¹⁰

Es importante conocer que existen otros mecanismos menos conocidos por los cuales las células pueden formar vesículas pinocíticas sin formar cavidades y vesículas revestidas con clatrina; una de estas vías se inicia en caveolae (vocablo latín que significa "pequeñas cavidades"), la misma que es reconocida por su capacidad para transportar moléculas a través de las células endoteliales que forman el revestimiento interno de los vasos sanguíneos, los caveolae están presentes en la membrana plasmática de la mayoría de los tipos de células, y en algunos de ellos se ven como frascos profundamente invaginados en el microscopio electrónico, se cree que se forman a partir de balsas lipídicas, parches de la membrana plasmática que son especialmente ricos en colesterol, glicoesfingolípidos y proteínas de membrana ancladas en GPI, su principal proteína estructural es la caveolina, proteína de membrana integral multipaso que es miembro de una familia heterogénea de proteínas.¹⁰

Se cree que las caveolae invaginan y recogen proteínas de carga en virtud de la composición lipídica de la membrana calveolar, en lugar del ensamblaje de un revestimiento proteico citosólico, se separan de la membrana plasmática y pueden entregar su contenido a compartimentos parecidos a endosomas o (en un proceso llamado transcitocis) a la membrana plasmática en el lado opuesto de una célula polarizada, algunos virus que atacan a animales entran en las células en vesículas derivadas de caveolae,¹⁰produciéndose un ciclo infeccioso.¹⁰

Proteina de la menbrana

Las son de dos tipos:
Proteínas integrales: son aquellas que cruzan la membrana y aparecen a ambos lados de la capa de fosfolípidos. La mayor parte de estas proteínas son glicoproteinas, proteínas que tiene unidos uno varios monosacáridos. La parte de carbohidrato de la molécula está siempre de cada al exterior de la célula
Proteínas periféricas: están no se extienden a lo ancho de la bicapa sino que están unidas a las superficies interna o externa de la misma y se separan fácilmente de la misma


La naturaleza de las proteínas de membrana determina su función:


Canales: proteínas integrales (generalmente glicoproteínas) que actúan como poros por los que determinadas sustancias pueden entrar o salir de la célula

Transportadoras: son proteínas que cambian de forma para dar paso a determinados productos (véase "Transporte de materiales a través de la membrana")

Receptores: Son proteínas integrales que reconocen determinadas moléculas a las que se unen o fijan. Estas proteínas pueden identificar una hormona, un neurotransmisor o un nutriente que sea importante para la función celular. La molécula que se une al receptor se llama ligando.

Enzimas: pueden ser integrales o periféricas y sirven para catalizar reacciones a en la superficie de la membrana

Anclajes del citolesqueleto: son proteínas periféricas que se encuentran en la parte del citosol de la membrana y que sirven para fijar los filamentos del citoesqueleto.

Marcadores de la identidad de la célula: son glicoproteínas y glicolípidos características de cada individuo y que permiten identificar las células provenientes de otro organismo. Por ejemplo, las células sanguíneas tienen unos marcadores ABO que hacen que en una transfusión sólo sean compatibles sangres del mismo tipo. Al estar hacia el exterior las cadenas de carbohidratos de glicoproteínas y glicolípidos forma una especie de cubierta denominada glicocalix
FISIOLOGIA DE LA MEMBRANA

La función de la membrana es la de proteger el interior de la célula frente al líquido extracelular que tiene una composición diferente y de permitir la entrada de nutrientes, iones o otros materiales específicos. También se intercomunica con otras células a través de las hormonas, neurotransmisores, enzimas, anticuerpos, etc.



GRADIENTE ELECTROQUIMICOEl gradiente electroquímico es debido a que el número de iones (partículas cargadas) del líquido extracelular es muy diferente del del citosol. En el líquido extracelular los iones más importantes son el Na+ y el Cl-, mientras que en el interior de la célula predomina el K+ y fosfatos orgánicos aniónicos. Como resultado de esto, existe una diferencia de potencial eléctrico a través de la membrama (potencial de membrana) que se mide en voltios. El voltage en las células vivas es de -20 a -200 mV (milivoltios), representando el signo negativo que el interior es más negativo que el exterior. En algunas condiciones especiales, algunas células pueden tener un potencial de membrana positivo



PERMEABILIDAD SELECTIVALa membrana plasmática regula la entrada y salida de materiales, permitiendo la entrada de unos y restingiendo el paso de otros. Esta propiedad se llama permeabilidad selectiva

La membrana es permeable cuando permite el paso, más o menos fácil, de una sustancia. La permeabilidad de la membrana depende de varios factores relacionados con las propiedades físico-químicas de la sustancia:
Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos (moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la membrana dado que esta está compuesta en su mayor parte por fosfolípidos.
Tamaño: la mayor parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a través de la membrana. Sólo un pequeño número de moleculas no polares de pequeño tamaño pueden atravesar la capa de fosfolípidos
Carga: Las moleculas cargadas y los iones no pueden pasar, en condiciones normales, a través de la membrana. Sin embargo, algunas sustancias cargadas pueden pasar por los canales proteícos o con la ayuda de una proteína transportadora.También depende la permeabilidad de una membrana de la naturaleza de las proteínas de membrana existentes:
Canales: algunas proteínas forman canales llenos de agua por donde pueden pasar sustancias polares o cargadas eléctricamente que no atraviesan la capa de fosfolípidos.
Transportadoras: otras proteínas se unen a la sustancia de un lado de la membrana y la llevan del otro lado donde la liberan.En general, estos canales y proteínas transportadoras muy altamente selectivas permitiendo el paso a un única sustancia.

Bicapa lipídica

Esta sección transversal de la bicapa lipídica líquida está hecha totalmente por fosfatidilcolina.

Las tres principales estructuras de fosfolípidos formados en solución; el liposoma (una bicapa cerrada), el micelio y la bicapa.

La bicapa lipídica es una delgada membrana polar formada por dos capas de moléculas de lípidos. Estas membranas son láminas planas que forman una barrera continua alrededor de las células y de distintas estructuras celulares. Las membranas celulares de casi todos los organismos vivos y muchos virus están compuestas por una bicapa lipídica, así como lo son las membranas que rodean el núcleo de la célula y otras estructuras subcelulares. La bicapa lipídica es la barrera que mantiene a iones, proteínas y otras moléculas donde se necesitan y las previene de dispersarse en áreas en donde no deberían estar. Las bicapas lipídicas son ideales para este papel porque, aunque tienen sólo unos pocos nanómetros de espesor,¹ son impermeables a la mayoría de las moléculas solubles en agua (moléculas hidrofílicas). Las bicapas son especialmente impermeables a los iones, lo que permite a las células regular las concentraciones de sal y pH mediante el transporte de iones a través de sus membranas mediante el uso de proteínas llamadas bombas iónicas o canales iónicos.

Las bicapas biológicas generalmente están compuestas por fosfolípidos anfifílicos que tienen una cabeza fosfato hidrofílica y una cola hidrofóbica que consiste en dos cadenas de ácidos grasos. Los fosfolípidos con ciertos grupos en su cabeza pueden alterar la superficie química de una bicapa y pueden, por ejemplo, servir como señales así como "anclas" para otras moléculas en las membranas celulares.²

Así como las cabezas, las colas de los lípidos también pueden afectar las propiedades de la membrana, por ejemplo, determinan la fase de la bicapa. La bicapa puede adoptar un estado de fase de gel sólido a temperaturas más bajas, pero someterse a una transición de fase a un estado fluido a temperaturas más altas, y las propiedades químicas de las colas de los lípidos influencian a qué temperatura ocurre esto. El empaquetamiento de los lípidos dentro de la bicapa también afecta a sus propiedades mecánicas, incluyendo su resistencia al estiramiento y flexión. Muchas de estas propiedades han sido estudiadas con el uso de bicapas artificiales "modelo" producidas en un laboratorio. Las vesículas hechas por bicapas modelo también se han utilizado clínicamente para suministrar fármacos.

Las membranas biológicas incluyen típicamente varios tipos de moléculas distintas de fosfolípidos. Un ejemplo particularmente importante en las células animales es el colesterol, que ayuda a fortalecer la bicapa y disminuir su permeabilidad. El colesterol también ayuda a regular la actividad de ciertas proteínas integrales de membrana. Proteínas integrales de membrana funcionan cuando se incorporan en una bicapa lipídica, y están sujetas fuertemente a la bicapa lipídica con la ayuda de una cáscara de lípidos anular. Debido a que las bicapas definen los límites de la célula y sus compartimentos, estas proteínas de membrana están involucradas en muchos procesos de señalización intra e inter celulares. Ciertos tipos de proteínas de membrana están involucrados en el proceso de fusión de dos bicapas. Esta fusión permite la unión de dos estructuras distintas como en la fertilización de un óvulo por el espermatozoide o la entrada de un virus en una célula. Debido a que las bicapas lipídicas son bastante frágiles e invisibles en un microscopio tradicional, es un reto estudiarlas. Los experimentos en bicapas a menudo requieren técnicas avanzadas como la microscopía electrónica y microscopía de fuerza atómica.

Celula Eucariota y Procariota

Célula eucariota

Se llama células eucariotas —del griego eu,'verdadero', y karyon, ‘nuez’ o ‘núcleo’¹ — a las que tienen un citoplasma, compartimentado por membranas, destacando la existencia de un núcleo celular organizado, limitado por una envoltura nuclear, en el cual está contenido el material hereditario, que incluye al ADN y es la base de la herencia; se distinguen así de las células procariotas que carecen de núcleo definido, por lo que el material genético se encuentra disperso en su citoplasma. A los organismos formados por células eucariotas se los denomina eucariontes.

El paso de procariotas a eucariotas significó el gran salto en complejidad de la vida y uno de los más importantes de su evolución.^{nota 1} Sin este paso, sin la complejidad que adquirieron las células eucariotas no habrían sido posibles ulteriores pasos como la aparición de los seres pluricelulares; la vida, probablemente, se habría limitado a constituirse en un conglomerado de bacterias. De hecho, a excepción de procariotas, los cuatro reinos restantes (animales, plantas, hongos y protistas) proceden de ese salto cualitativo. El éxito de estas células eucariotas posibilitó las posteriores radiaciones adaptativas de la vida que han desembocado en la gran variedad de especies que existe en la actualidad.

Célula procariota

Estructura celular de una bacteria, típica célula procariota.

Además, el término procariota hace referencia a los organismos pertenecientes al imperio Prokaryota, cuyo concepto coincide con el reino Monera de las clasificaciones de Herbert Copeland o Robert Whittaker que, aunque anteriores, continúan siendo aún populares.Se llama procariota o procarionte a las células sin núcleo celular definido, es decir, cuyo material genético se encuentra disperso en el citoplasma, reunido en una zona denominada nucleoide.¹ Por el contrario, las células que sí tienen un núcleo diferenciado del citoplasma, se llaman eucariotas, es decir aquellas cuyo ADN se encuentra dentro de un compartimento separado del resto de la célula.

Casi sin excepción los organismos basados en células procariotas son unicelulares (organismos consistentes en una sola célula).

Se cree que todos los organismos que existen actualmente derivan de una forma unicelular procariota (LUCA). Existe una teoría, la endosimbiosis seriada, que considera que a lo largo de un lento proceso evolutivo, hace unos 1500 millones de años, los procariontes derivaron en seres más complejos por asociación simbiótica: los eucariontes.

Célula madre

Las células madre son células que se encuentran en todos los organismos pluricelulares¹ y que tienen la capacidad de dividirse (a través de la mitosis) y diferenciarse en diversos tipos de células especializadas, además de autorrenovarse para producir más células madre. En los mamíferos, existen diversos tipos de células madre que se pueden clasificar teniendo en cuenta su potencia,² es decir, el número de diferentes tipos celulares en los que puede diferenciarse.³ En los organismos adultos, las células madre y las células progenitoras actúan en la regeneración o reparación de los tejidos del organismo.

Generalidades

Las células madre –en inglés stem cells (donde stem significa tronco, traduciéndose a menudo como «células troncales»)– tienen la capacidad de dividirse asimétricamente dando lugar a dos células hijas, una de las cuales tiene las mismas propiedades que la célula madre original (autorrenovación) y la otra adquiere la capacidad de poder diferenciarse si las condiciones ambientales son adecuadas.⁵

La mayoría de los tejidos de un organismo adulto, poseen una población residente de células madre adultas que permiten su renovación periódica o su regeneración cuando se produce algún daño tisular.⁶ Algunas células madre adultas son capaces de diferenciarse en más de un tipo celular como las células madre mesenquimales y las células madre hematopoyéticas, mientras que otras son precursoras directas de las células del tejido en el que se encuentran, como por ejemplo las células madre de la piel, músculointestino o las células madre gonadales (células madre germinales).

Las células madre embrionarias son aquellas que forman parte de la masa celular interna de un embrión de 4-5 días de edad. Estas son pluripotentes lo cual significa que pueden dar origen a las tres capas germinales: ectodermo, mesodermo y endodermo. Una característica fundamental de las células madre embrionarias es que pueden mantenerse (en el embrión o en determinadas condiciones de cultivo) de forma indefinida, formando al dividirse una célula idéntica a ellas mismas, y manteniendo una población estable de células madre. Existen técnicas experimentales donde se pueden obtener células madre embrionarias sin que esto implique la destrucción del embrión.