Capitulo 2 del libro la Célula de Cooper PDF

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Resumen del capitulo 2 de la cellula de cooper ...

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Capítulo 2 LAS CÉLULAS SON ESTRUCTURAS INCREÍBLEMENTE COMPLEJAS Y VARIADAS capaces no sólo de autorreplicarse —la propia esencia de la vida— sino también de realizar una amplia gama de tareas especializadas en organismos pluricelulares. Sin embargo, las células siguen las mismas leyes de la química y la física que determinan el comportamiento de los sistemas inertes.

Moléculas de las células Las células están compuestas de agua, iones inorgánicos y moléculas que contienen carbono (orgánicas). El agua es la molécula más abundante en las células, representando el 70% o más de la masa celular total. Debido a su naturaleza polar, las moléculas de agua pueden formar enlaces o puentes de hidrógeno entre sí o con otras moléculas polares, así como interaccionar con iones cargados positiva o negativamente. Como resultado de estas interacciones, los iones y las La propiedad crítica del agua al respecto es que es una molécula polar, donde los átomos de hidrógeno poseen una carga ligeramente positiva y el oxígeno posee una carga ligeramente negativa. Las moléculas no polares tienden a minimizar su contacto con el agua relacionándose estrechamente entre sí. Las interacciones de moléculas polares y no polares con el agua y entre sí desempeñan papeles cruciales en la formación de estructuras biológicas como las membranas celulares. Los iones inorgánicos de la célula, incluyendo el sodio, potasio, magnesio, calcio, fosfato, cloro y bicarbonato, constituyen un 1% o menos de la masa celular total. Estos iones están implicados en numerosos aspectos del metabolismo celular, y de este modo, desempeñan importantes papeles en la función celular.

Carbohidratos Los carbohidratos incluyen a los azúcares simples y a los polisacáridos. Estos azúcares simples, como la glucosa, son los nutrientes principales de las células.

Los polisacáridos comunes glucógeno y almidón son las formas de depósito en las células animales y plantas respectivamente. Tanto el glucógeno como el almidón están compuestos completamente

Su degradación proporciona no solo la fuente de energía celular si no el material inicial para la síntesis de otros componentes celulares. Los polisacáridos son formas de reserva de los azúcares y constituyen componentes estructurales de la célula. Además, los polisacáridos y polímeros más cortos de azúcares actúan como marcadores para una variedad de procesos de reconocimiento celular, incluyendo la adhesión entre células y el transporte de proteínas a los destinos intercelular es apropiados. La estructura de los azúcares simples (monosacáridos) más representativa. El azúcar de seis átomos de carbono ( n = 6), la glucosa,(C6H12O6 ) importante en las células, proporciona la principal fuente de energía celular. Los azúcares que contienen cinco o más átomos de carbono pueden ciclarse para formar estructuras anulares, que constituyen las formas predominantes de estas moléculas dentro de las células.

El glucógeno como una forma de almidón (amilopectina) contienen enlaces ocasionales, en los que el carbono 1 de una glucosa se une al carbono 6 de una segunda glucosa. Estos enlaces conllevan a la formación de ramificaciones que resultan de Los monosacáridos pueden unirse la unión de dos cadenas entre sí mediante reacciones de independientes de enlaces 2. deshidratación, donde se extrae Estas ramificaciones están H2O y se unen los azúcares presentes en el glucógeno y la mediante un enlace glicosídico o amilopectina. aunque otra glucosídico entre dos de sus átomos forma de almidón (amilosa) es de carbono, el polímero resultante una molécula sin se denomina oligosacárido. Si se ramificaciones. De este modo. implican un número elevado de las estructuras del glucógeno y

del almidón son similares básicamente, como lo es su función: almacenar glucosa. La celulosa, en contraste tiene una función bien definida como principal componente estructural de la pared de las células de las plantas. La celulosa también se compone enteramente de moléculas de glucosa. Los residuos de glucosa de la celulosa, sin embargo, presentan una configuración fi en vez de 7. y la celulosa es un polisacárido no ramificado. La unión de los residuos de glucosa por medio de enlaces beta (1 .4) en lugar de alfa(1 •4). Además de sus papeles en el almacenamiento de energía y en la estructura celular, los oligosacáridos y los polisacáridos son importantes en una variedad de procesos de señalización celular. Los oligosacáridos y los polisacáridos también funcionan como marcadores en la superficie celular, desempeñando importantes papeles en el reconocimiento celular y en las interacciones entre células en los tejidos de los organismos pluricelulares.

Lípidos Los lípidos desempeñan tres funciones básicas en las células. Los lípidos más simples son los ácidos grasos, consistentes en largas cadenas hidrocarbonadas. que con mayor frecuencia contienen 16 o 18.

Los ácidos grasos Los ácidos grasos no saturados contienen uno o más dobles enlaces entre átomos de carbono En los ácidos grasos saturados todos los átomos de carbono están enlazados al máximo número de átomos de hidrogeno posible. Las cadenas hidrocarbonadas largas de ácidos grasos contienen sólo enlaces CH no polares. que son incapaces de interaccionar con el agua.

1. Proporcionan una importante fuente de energía. 2. Los lípidos son el componente principal de las membranas celulares. 3. Los lípidos desempeñan importantes papeles en la señalización celular, bien corno hormonas esteroideas, o como mensajeros moleculares que trasladan señales

Los ácidos grasos se almacenan en forma de triglicéridos, o grasas, que consisten en tres ácidos grasos ligados a una molécula de glicerol. Los triglicéridos son insolubles en agua y por lo tanto se acumulan como gotas de grasa en el citoplasma. Cuando es necesario pueden ser degradados para su utilización como moléculas procuradoras de energía. Es de destacar que los ácidos grasos son una forma de almacenamiento de energía más eficaz que los carbohidratos. produciendo más del doble de energía por peso de material degradado. Las grasas, por lo tanto, permiten que se almacene energía en menos de la mitad del peso corporal que se requerirla para almacenar la misma cantidad de energía en carbohidratos una consideración particularmente importante para los animales debido a su movilidad.

Los fosfolípidos Los fosfolípidos, los principales componentes de las membranas celulares se componen de dos ácidos grasos unidos a un grupo polar de cabeza. En los fosfoglicéridos los dos ácidos grasos están ligados a átomos de carbono del glicerol como en los triglicéridos. El tercer carbono del glicerol, sin embargo, está ligado a un grupo fosfato: que a su vez está frecuentemente unido a otra molécula polar pequeña, como la colina, la serina, el inositol o la etanolamina. La esfingomielina el único fosfolípido no glicérico de las membranas celulares contiene dos cadenas hidrocarbonadas unidas a un grupo polar de cabeza formado por serina en vez de glicerol. Todos los fosfolípidos tienen colas hidrófobas, consistentes en las dos cadenas hidrocarbonadas, y grupos hidrófilos de cabeza, consistentes en el grupo fosfato y sus uniones polares. Los fosfolípidos son moléculas anfipáticas, en parte solubles en agua y en parte insolubles. Esta propiedad de los fosfolípidos es la base para la formación de membranas biológicas. Además de los fosfolípidos. muchas membranas celulares contienen glicolipidos y colesterol. Los glicolipidos se componen de dos cadenas hidrocarbonadas ligadas a grupos polares de cabeza que contienen carbohidratos.

El colesterol, por el contrario. consta de cuatro anillos hidrocarbonados en vez de cadenas lineales hidrocarbonadas.

Los anillos hidrocarbonados son intensamente hidrófobos. pero el grupo hidroxilo (OH) unido a un extremo del colesterol es débilmente hidrófilo. así que el colesterol también es antipático. Los lípidos funcionan como moléculas de señalización, tanto dentro como fuera de las células. Las hormonas esteroideas (como los estrógenos y la testosterona) son derivados del colesterol. Las hormonas son un grupo variado de

mensajeros químicos, todos ellos contienen cuatro anillos hidrocarbonados a los que se unen grupos funcionales específicos. Los derivados de los fosfolípidos también funcionan como mensajeros celulares dentro de las células. actuando para transmitir señales desde los receptores de la superficie celular hasta sus dianas intracelulares.

Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos —ADN y ARN— son las principales moléculas de información de la célula. El ADN desempeña un papel único como material genético, que en las células eucariotas se encuentra en el núcleo. El ADN y el ARN son polímeros de nucleótidos, que consisten en bases de purina y pirimidina ligadas a azúcares tosforilados. El ADN contiene dos purinas (adenina y guanina) y dos pirimidinas (citosina y timina). Adema guanina y citosina también están presentes en el ARN, pero el ARN contiene uracilo en lugar de timina. Las bases están ligadas a azúcares (2 - desoxirrlbosa en el ADN. o ribosa en el ARN) para formar nucleósidos. Los nucleótidos además contienen uno o más grupos fosfato ligados al carbono 5 de los azúcares de los nucleósidos. La polimerización de nucleótidos para formar ácidos nucleicos implica la formación de enlaces fosfodiéster entre el 5' fosfato de un nucleótido y el 3 hidroxilo de otro. Los oligonucleótidos son pequeños polímeros que contienen sólo unos pocos nucleótidos: los polinucleótidos mayores que componen el ARN y ADN celular pueden contener miles o millones de nucleótidos respectivamente. Una cadena polinucleotidica tiene un sentido. con un extremo de la cadena terminando en un grupo 5 fosfato y el otro en un grupo 3' hidroxilo. Los polinucleótidos siempre se sintetizan en la dirección 5' a 3', añadiéndose un nucleótido libre al Distintos tipos de ácido grupo 3 OH de la cadena en ribonucléico (ARN) participan en formación. Por convención, la distintas actividades celulares. El secuencia de bases en el ADN o ARN ARN mensajero (ARNm) también se escribe en la dirección 5' transporta información desde el a 3'. La información del ADN y del ADN a los ribosomas, donde sirve ARN se transmite por el orden de las como molde para la síntesis de bases en la cadena polinucleotidica. proteínas. Otros dos tipos de ARN El ADN es una molécula de doble (ARN ribosómico y ARN de hebra que consiste en dos cadenas transferencia) están implicados en

de polinucleótidos que discurren en direcciones opuestas. Las bases se encuentran en la parte interna de la molécula, y las dos cadenas están unidas por enlaces de hidrógeno entre pares de bases complementarias. La adenina se aparea con la firma y la guanina con la citosina. La principal consecuencia de este emparejamiento complementario es que una hebra de ADN (o de ARN) puede actuar como molde para dirigir la síntesis de una cadena complementaria. Los ácidos nucleicos son por lo tanto excepcionalmente capaces de dirigir su propia autorreplicación permitiéndoles funcionar como las moléculas de información fundamentales de la célula. La información transportada por el ADN y el ARN dirige la síntesis de proteínas específicas que controlan la mayoría de la actividad celular. Los nucleótidos no sólo son importantes como los ladrillos de construcción de los ácidos nucleicos: también desempeñan papeles vitales en otros procesos celulares. Quizás el ejemplo más destacado es el adenosin 5' trifosfato (ATP), que es la principal forma de energía química dentro de las células. Algunos nucleótidos (p. ej., AMP cíclico) son importantes moléculas de señalización dentro de las células.

Proteínas Mientras que los ácidos nucleicos transportan la información genética de la célula, la responsabilidad básica de las proteínas es ejecutar las tareas dirigidas por esa información. Cada célula contiene varios miles de proteínas diferentes. Los papeles de las proteínas incluyen servir como componentes estructurales de células y tejidos, actuar en el transporte y almacenamiento de pequeñas moléculas transmitir información entre células, y proporcionar una defensa frente a la infección. La propiedad fundamental de las proteínas es su capacidad para actuar como enzimas, catalizan casi todas las reacciones químicas en los sistemas biológicos. Las proteínas dirigen virtualmente todas las actividades de la célula. La importancia central de las proteínas en la química biológica viene determinada por su nombre. derivado de la palabra griega proteicos que significa -de primer rango». Las proteínas son polimeros de 20 aminoácidos distintos. Cada aminoácido consiste en un átomo de carbono ligado a un grupo carboxilo, un grupo amino (NH;), un átomo de hidrógeno, y una cadena lateral característica. Las propiedades químicas específicas de las diferentes cadenas laterales de los aminoácidos determinan los papeles de cada aminoácido en la estructura y función proteica. Los aminoácidos pueden agruparse en cuatro amplias categorías dependiendo de las propiedades de sus cadenas laterales. Diez

aminoácidos tienen cadenas laterales no polares que no interaccionan con el agua. La glicina es el aminoácido más simple, con una cadena lateral consistente en un sólo átomo de hidrógeno. La alanina, valina, leucina e isoleucina tienen cadenas laterales hidrocarbonadas compuestas por hasta cuatro átomos de carbono. Las cadenas laterales de estos aminoácidos son hidrófobas y de ahí que tiendan a localizarse en el interior de las proteínas, donde no se encuentran en contacto con el agua.  

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La prolina tiene una cadena lateral hidrocarbonada, pero es la única que en su cadena lateral está ligada al nitrógeno del grupo amino, así como al carbono formando una estructura cíclica. Las cadenas laterales de dos aminoácidos cisteina y metionina, contienen átomos de azufre. La metionina es bastante hidrófoba. pero la cisteina lo es menos debido a su grupo sulfhidrilo (SH). Como se trata más adelante, el grupo sulfhidrilo de la cisteina desempeña un importante papel en la estructura proteica porque se pueden formar enlaces disulfuro entre las cadenas laterales de distintos residuos de cisteina. Finalmente, dos aminoácidos no polares fenilalanina y triptófano, tienen cadenas laterales que contienen anillos aromáticos muy hidrófobos. Cinco aminoácidos tienen cadenas laterales sin carga pero polares. Estos incluyen la serina, la treonina y la tirosina, que tienen grupos hidroxilo en sus cadenas laterales, así como la asparragina y la glutamina. que tiene grupos anida (O C NH2) polares.

Debido a que las cadenas laterales de estos aminoácidos pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua, estos aminoácidos son hidrófobos y tienden a localizarse en la parte externa de las proteínas. 

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Los aminoácidos lisina, arginina e histidina tienen cadenas laterales con grupos básicos cargados. La lisina y la arginina son aminoácidos muy básicos, y sus cadenas laterales están cargadas positivamente dentro de la célula. Por lo tanto, son muy hidrófilos y se encuentran en contacto con el agua en la superficie de las proteínas. La histidina puede estar sin carga o cargada positivamente a pH fisiológico, así que con frecuencia desempeña un papel activo en reacciones enzimáticas que implican el intercambio de iones hidrógeno, como se muestra en el ejemplo de catálisis enzimática tratado en la siguiente sección. El ácido aspártico y el ácido glutámico. tienen cadenas laterales ácidas que terminan en grupos carboxilo. Estos aminoácidos están cargados negativamente dentro de la célula y por lo tanto a menudo se denominan aspartato y glutamato. Estos son muy

hidrófilos y habitualmente se localizan en la superficie de las proteínas. Los aminoácidos están unidos por enlaces peptídicos entre el grupo 2 amino de un aminoácido y el grupo X carboxilo del siguiente. Los polipéptidos son cadenas lineales de aminoácidos, habitualmente de cientos o miles de aminoácidos de longitud. Cada cadena polipeptidica tiene dos extremos distintivos uno terminando en un grupo amino y el otro en un grupo 2 carboxilo. Los polipéptidos se sintetizan desde el extremo amino al carboxilo terminal, y la secuencia de aminoácidos en un polipéptido se escribe en el mismo orden. La característica definitoria de las proteínas es que son polipéptidos con secuencias de aminoácidos específicas. En 1953, Frederick Sanger fue el primero en determinar la secuencia completa de aminoácidos de una proteína, la hormona insulina. Se encontró que la insulina estaba constituida por dos cadenas polipeptidicas, unidas por enlaces disulfuro entre residuos de cisteína. Lo que era más importante, el experimento de Sanger reveló que cada proteína consiste en una secuencia especifica de aminoácidos. Se conoce la secuencia completa de aminoácidos de más de 100.000 proteínas. Las proteínas adoptan configuraciones tridimensionales características que son cruciales para su función. Estas configuraciones tridimensionales de las proteínas son el resultado de las interacciones entre sus aminoácidos constituyentes así que la forma de las proteínas viene determinada por su secuencia de aminoácidos. Esto fue demostrado por primera vez por los experimentos de Christian Anfinsen en los que alteró la estructura tridimensional de las proteínas mediante tratamientos tales como el calentamiento, que rompen los enlaces no covalentes —un proceso denominado desnaturalización —. Dichas proteínas desnaturalizadas con frecuencia regresan espontáneamente a sus configuraciones nativas, indicando que estas configuraciones están determinadas directamente por la secuencia de aminoácidos. La estructura tridimensional de las proteínas se analiza con mayor frecuencia por cristalografia de rayos X, una técnica de alta resolución que puede determinar el ordenamiento de átomos individuales dentro de una molécula. Se dirige un haz de rayos X a los cristales de la proteína que se desea analizar, y el patrón de rayos X que pasan a través del cristal proteinico se detecta en una película de rayos X. A medida que los rayos X chocan contra el cristal, son dispersados en patrones característicos determinados por el orde-namiento de los átomos en la molécula. La estructura de la molécula puede por tanto ser deducida a partir del patrón de rayos X dispersados (el patrón de difracción).

En 1958, John Kendrew fue el primero en determinar la estructura tridimensional de una proteina. la mioglobina —una proteína relativamente simple de 153 aminoácidos. La mayoría. como la mioglobina. son proteínas globulares con cadenas polipeptidicas plegadas en estructuras compactas, aunque algunas son largas moléculas fibrosas. El análisis de la estructura tridimensional de estas proteinas ha revelado varios principios básicos que gobiernan el plegamiento proteínico, aunque la estructura proteica es tan compleja que predecir la estructura tridimensional de una proteína directamente a partir de su secuencia de aminoácidos es imposible. La estructura proteica generalmente se describe en cuatro niveles. La estructura primaria de una proteína es la secuencia de aminoácidos de su cadena polipeptídica La estructura secundaria es el ordenamiento regular de aminoácidos dentro de regiones localizadas del polipéptido. Dos tipos de estructura secundaria, que fueron propuestos por primera vez por Linus Pauling y Ro-ben Corey en 1951, son particularmente comunes: la hélice alfa y la hoja beta. Ambas estructuras secundarias se mantienen por enlaces de hidrógeno entre los grupos CO y NH de los enlaces peptidicos. La hélice alfa se forma cuando una región de una cadena polipeptidica se enrolla sobre sí misma, con el grupo CO de un enlace peptidico formando un enlace de hidrógeno con el grupo NH de un enlace peptídico situado cuatro residuos más abajo de la cadena lineal polipeptidica.

La hoja beta se forma cuando dos partes de una cadena polipeptidica se encuentran una jun-to a otra con enlaces de hidrógeno entre ellas, pueden formarse entre varias hebras polipeptídicas que pueden estar orientadas bien paralela o antiparalelamente entre si.

La estructura terciaria es el plegamiento d...