Molecular Biology of the Cell

1. Las células comparten características universales: ADN, ARN, proteínas y energía

Todas las células vivas en la Tierra almacenan su información hereditaria en forma de moléculas de ADN de doble cadena: largas cadenas poliméricas emparejadas, siempre formadas por los mismos cuatro tipos de monómeros.

Unidad fundamental. A pesar de la enorme diversidad de la vida, todas las células comparten un conjunto común de características que subrayan la unidad esencial de la vida en la Tierra. Entre ellas destacan:

• El ADN como portador universal de la información genética
• El ARN como intermediario en la expresión génica
• Las proteínas como motores celulares, catalizando reacciones y proporcionando estructura
• La necesidad de energía libre para mantener el orden y conducir los procesos celulares

El papel central del ADN. El ADN, con sus cuatro bases nucleotídicas (A, T, C, G), funciona como el plano maestro de toda la vida. Esta molécula de doble cadena se replica mediante polimerización templada, asegurando la transmisión precisa de la información hereditaria. El ARN, transcrito a partir del ADN, actúa como mensajero, llevando las instrucciones genéticas a la maquinaria de síntesis proteica.

Las proteínas como catalizadores. Las proteínas, formadas por aminoácidos, son los principales catalizadores y componentes estructurales de las células. Desempeñan una amplia variedad de funciones, desde reacciones enzimáticas hasta transporte molecular. Todas las células requieren un aporte constante de energía libre, obtenida de los alimentos o la luz solar, para mantener su compleja organización y llevar a cabo procesos bioquímicos esenciales.

2. La diversidad de la vida surge de variaciones genómicas e historia evolutiva

Algunos genes evolucionan rápidamente; otros se conservan altamente.

Los tres dominios de la vida. El árbol de la vida se ramifica en tres dominios principales: Bacterias, Arqueas y Eucariotas. Aunque las células procariotas (Bacterias y Arqueas) suelen ser más pequeñas y simples, exhiben una mayor diversidad bioquímica que las células eucariotas.

Tamaño del genoma y evolución. Los genomas eucariotas son significativamente más grandes y complejos que los procariotas, conteniendo más ADN regulador y secuencias no codificantes. Los nuevos genes surgen a partir de otros preexistentes mediante mutación, duplicación génica, reordenamiento de segmentos de ADN y transferencia horizontal de genes.

Reloj molecular. Comparando secuencias de ADN, los científicos pueden construir árboles filogenéticos que trazan las relaciones entre todos los organismos. La tasa de cambio en las secuencias de ADN actúa como un reloj molecular, ofreciendo pistas sobre el momento de los eventos evolutivos.

3. Células eucariotas: una sinfonía de compartimentos y complejidad genética

Las células eucariotas podrían haberse originado como depredadoras.

Orgánulos y complejidad. Las células eucariotas se distinguen por sus orgánulos encerrados en membranas, incluyendo el núcleo, retículo endoplásmico, aparato de Golgi, mitocondrias y lisosomas. Estos compartimentos crean ambientes especializados para diversos procesos celulares.

Teoría endosimbiótica. Se cree que las mitocondrias y cloroplastos se originaron a partir de bacterias simbióticas engullidas por células eucariotas ancestrales. Esta teoría está respaldada por la presencia de sus propios genomas y ribosomas similares a los bacterianos.

Genomas eucariotas. Los genomas eucariotas son más grandes y complejos que los procariotas, con mayor cantidad de ADN regulador y secuencias no codificantes. Esta complejidad permite un control más sofisticado de la expresión génica y el desarrollo de organismos multicelulares.

4. Las proteínas: arquitectos de la forma y función celular

La forma de una proteína está determinada por su secuencia de aminoácidos.

Secuencia de aminoácidos. Las proteínas son largas cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, que se pliegan en estructuras tridimensionales únicas determinadas por su secuencia. Estas estructuras se estabilizan mediante enlaces no covalentes e interacciones hidrofóbicas.

Patrones comunes de plegamiento. La hélice α y la lámina β son patrones comunes de plegamiento en proteínas, originados por enlaces de hidrógeno entre la columna vertebral del polipéptido. Los dominios proteicos son unidades modulares a partir de las cuales se construyen proteínas más grandes, a menudo asociadas a funciones específicas.

Familias de proteínas. Las proteínas pueden clasificarse en familias según similitudes en secuencia y estructura, reflejando sus relaciones evolutivas. El genoma humano codifica un conjunto complejo de proteínas, lo que revela que aún queda mucho por descubrir sobre su función.

5. Enzimas: los catalizadores de la naturaleza que orquestan la química de la vida

Las enzimas aceleran las reacciones estabilizando selectivamente los estados de transición.

Enzimas y metabolismo. Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran las reacciones químicas en las células, organizando el metabolismo celular en vías específicas. Reducen las barreras de energía de activación que impiden las reacciones químicas, permitiendo que ocurran a temperaturas fisiológicas.

Mecanismos enzimáticos. Las enzimas se unen a los sustratos formando complejos enzima-sustrato y estabilizan selectivamente los estados de transición. Pueden utilizar catálisis ácida y básica simultáneamente para acelerar las reacciones.

Regulación de la actividad enzimática. Las células regulan la actividad enzimática mediante regulación alostérica, fosforilación y formación de complejos proteicos. Estos mecanismos permiten a las células responder a condiciones cambiantes y mantener el equilibrio metabólico.

6. Control génico: orquestando la sinfonía de la vida

Los diferentes tipos celulares de un organismo multicelular contienen el mismo ADN.

Control de la expresión génica. La expresión génica puede regularse en múltiples etapas, desde el ADN hasta el ARN y la proteína. Los reguladores de la transcripción, que se unen a secuencias específicas de ADN, juegan un papel central en el control de la expresión génica.

Regulación de la transcripción. Los reguladores de la transcripción pueden activar o desactivar genes, trabajando en conjunto para controlar la transcripción génica en eucariotas. El control génico combinatorio crea una gran variedad de tipos celulares.

Mecanismos epigenéticos. Los mecanismos epigenéticos, como la metilación del ADN y las modificaciones de la cromatina, refuerzan la memoria celular en plantas y animales, asegurando que patrones estables de expresión génica se transmitan a las células hijas.

7. Analizando células: un conjunto de herramientas para revelar los secretos de la vida

Las células pueden aislarse de los tejidos.

Aislamiento y cultivo celular. Las células pueden aislarse de tejidos y cultivarse, proporcionando sistemas accesibles para estudiar sus funciones. Las líneas celulares eucariotas son una fuente ampliamente utilizada de células homogéneas.

Purificación de proteínas. Las proteínas pueden separarse mediante cromatografía, inmunoprecipitación y etiquetas genéticamente diseñadas. Los sistemas purificados libres de células son necesarios para el análisis preciso de funciones moleculares.

Análisis de ADN. Las nucleasas de restricción cortan grandes moléculas de ADN en fragmentos específicos, que pueden separarse por electroforesis en gel. Los genes pueden clonarse usando bacterias o PCR.

8. Visualizando células: iluminando el mundo microscópico

El microscopio óptico puede resolver detalles separados por 0,2 μm.

Microscopía óptica. El microscopio óptico permite visualizar células y sus componentes principales con una resolución de 0,2 μm. La microscopía de contraste de fase y de interferencia diferencial mejora la visibilidad de células vivas.

Microscopía de fluorescencia. Moléculas específicas pueden localizarse en células mediante microscopía de fluorescencia, usando anticuerpos o proteínas marcadas con fluoróforos. El microscopio confocal produce secciones ópticas excluyendo la luz fuera de foco.

Microscopía electrónica. El microscopio electrónico resuelve la estructura fina de la célula, requiriendo técnicas especiales de preparación. Moléculas específicas pueden localizarse mediante microscopía electrónica con inmuno-oro.

9. Estructura de la membrana: una base dinámica para la vida celular

Los fosfoglicéridos, esfingolípidos y esteroles son los lípidos principales en las membranas celulares.

Bicapas lipídicas. Las membranas celulares están compuestas por una bicapa lipídica, formada principalmente por fosfolípidos, esfingolípidos y esteroles. Los fosfolípidos forman espontáneamente bicapas, creando una estructura fluida bidimensional.

Proteínas de membrana. Las proteínas de membrana pueden asociarse a la bicapa lipídica de diversas formas, incluyendo hélices α transmembrana y anclas lipídicas. Muchas proteínas de membrana se difunden en el plano de la membrana, y las células pueden confinar proteínas y lípidos a dominios específicos.

Asimetría. La asimetría de la bicapa lipídica es funcionalmente importante, con glicolípidos presentes en la superficie de todas las membranas plasmáticas eucariotas. El citoesqueleto cortical proporciona resistencia mecánica a las membranas y restringe la difusión de proteínas.

10. Transporte a través de la membrana: guardianes de la célula

Las bicapas lipídicas sin proteínas son impermeables a los iones.

Principios del transporte membranal. Las bicapas lipídicas sin proteínas no permiten el paso de iones. Existen dos clases principales de proteínas de transporte: transportadores y canales.

Transportadores y transporte activo. El transporte activo es mediado por transportadores acoplados a una fuente de energía. Los transportadores en la membrana plasmática regulan el pH citosólico.

Canales y propiedades eléctricas. Los canales son selectivos para iones y alternan entre estados abiertos y cerrados. El potencial de membrana en células animales depende principalmente de canales de fuga de K+ y del gradiente de K+ a través de la membrana plasmática.

11. Señalización celular: comunicación y coordinación

Las señales extracelulares pueden actuar a distancias cortas o largas.

Principios de la señalización celular. Las señales extracelulares pueden actuar a distancias cortas o largas. Las moléculas señalizadoras se unen a receptores específicos.

Receptores acoplados a proteínas G (GPCR). Las proteínas G triméricas transmiten señales desde los GPCR. Algunas proteínas G regulan la producción de AMP cíclico.

Receptores acoplados a enzimas. Las tirosina quinasas receptoras (RTK) activadas se autofosforilan. La GTPasa Ras media la señalización de la mayoría de los RTK.

12. El citoesqueleto: estructura, movimiento y organización

Los filamentos del citoesqueleto se adaptan para formar estructuras dinámicas o estables.

Función y origen del citoesqueleto. Los filamentos del citoesqueleto se adaptan para formar estructuras dinámicas o estables. El citoesqueleto determina la organización y polaridad celular.

Actina y proteínas asociadas. Las subunidades de actina se ensamblan cabeza a cola para crear filamentos flexibles y polares. Las proteínas que se unen a la actina influyen en la dinámica y organización de los filamentos.

Microtúbulos. Los microtúbulos son tubos huecos formados por protofilamentos. Los microtúbulos experimentan inestabilidad dinámica.

13. Las células en su contexto social: uniones, matriz y cáncer

Las cadherinas forman una familia diversa de moléculas de adhesión.

Uniones célula-célula. Las cadherinas constituyen una familia diversa de moléculas de adhesión. Las uniones estrechas forman un sello entre células y una barrera entre dominios de la membrana plasmática.

Matriz extracelular. La matriz extracelular es producida y orientada por las células que la rodean. Las cadenas de glicosaminoglicanos (GAG) ocupan gran espacio y forman geles hidratados.

Uniones célula-matriz. Las integrinas son heterodímeros transmembrana que conectan la matriz extracelular con el citoesqueleto. Las uniones a la matriz extracelular actúan a través de integrinas para controlar la proliferación y supervivencia celular.

Última actualización: April 17, 2025