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Carlos von der Becke - Biolog�a 50
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MODULO III UNIDAD 1 CAPITULO 3
3. ESTRUCTURAS Y FUNCIONES MOLECULARES EN CELULAS
Primera parte
La biolog�a como ciencia es el resultado de muchas nuevas t�cnicas descubiertas e ingeniosamente aplicadas.
El problema m�s entretenido de la biolog�a molecular es el de reconocer,
con esas t�cnicas, la estructura de las biomacromol�culas, la detallada
funci�n que cumplen y, a�n m�s, las relaciones entre estructura
y funci�n que surgen durante el an�lisis. Aqu� estructura se refiere
a la forma, a la distribuci�n de los �tomos en el espacio: buscamos
mirar a la biomol�cula en x,y,z, las tres dimensiones del espacio
fig.biomol�cula
en x,y,z y en x,y,z,t fig.los movimientos de las prote�nas
Para justificar la unificaci�n de la biolog�a, introducimos tambi�n t, el tiempo, con lo cual la historia de la evoluci�n biol�gica va se�alando lo que fue pasando como historia de las biomol�culas. Quisieramos entender la estructura en x,y,z,t. O sea por qu� esa biomol�cula fue la elegida y no otra, por qu� tiene los grupos qu�micos que tiene y no otros, por qu� se pliega como se pliega o adquiere los puentes de hidr�geno y otras ligaduras en lugar de tener cualquier forma al azar, cambiable libremente. Las herramientas principales son los estudios de difracci�n de rayos X y los relacionados con resonancia magn�tico nuclear. Los rayos X tienen una longitud de onda muy cercana a las de las ligaduras de los �tomos en las mol�culas. Esas ligaduras son fisicamente ya sea campos el�ctricos, ya sea electrones o part�culas ondas. Si son electrones, resulta que dos ondas interfieren entre s�, como se puede ver en una ba�adera con agua sujeta a golpes bruscos con una tabla hechos a la superficie inicialmente quieta. Los electrones interfieren con los rayos X y las sombras resultantes permiten saber la ubicaci�n de los �tomos en las mol�culas. El hidr�geno de las mol�culas biol�gicas queda especialmente marcado por la espectroscop�a magn�tico-nuclear. El asunto es que sabemos c�mo es hoy la estructura de las mol�culas que fue seleccionando la vida durante muchos millones de a�os. La energ�rtica y la reactividad son consecuencias directas de esa estructura y en su momento pudieron haber sido la causa para elegirlas por selecci�n. En el tiempo pasado las cosas eran distintas, por ejemplo, sus carbonos asim�tricos, que hoy la vida usa de determinada manera, no tienen por qu� coincidir con los racematos existentes en mezclas formadas por el sol, por las descargas el�ctricas y por los gases volc�nicos emergiendo al comienzo de la vida.
Estas t�cnicas llegaron a permitir la descripci�n de la doble h�lice
del DNA y las macromol�culas proteicas. Ambas son estructuras bien
complicadas. Como est�n relacionadas unas con otras de una manera
exacta y podemos ya leer e interpretar
*la secuenciaci�n del DNA (t�cnica de Southern),
*la del RNA (t�cnica de Northern) y
*la de la prote�na asociada (t�cnica de Western), las
especulaciones pasan a ser realidades verificables y concretas.
Est� aclarado ya c�mo la gigantesca enzima modifica a la peque�a mol�cula espec�fica para la cual est� acondicionada como cerradura y llave. Debido a la distribuci�n de los grupos qu�micos cargados el�ctricamente, a los campos el�ctricos que provocan puentes de hidr�geno, a los movimientos t�rmicos en toda la estructura de la prote�na, se producen activaciones sobre el sustrato en estado excitado (no en su estado base que no ofrece buenas perspectivas de cambio) que finalmente modifican la estructura de dicho sustrato y la vuelven a liberar ya modificada, para reiniciar su ciclo. La aclaraci�n es un ejemplo de que la funci�n de la prote�na (activar a una reacci�n) se puede explicar a trav�s de la complementaridad entre la enzima con movimientos t�rmicos y el sustrato en estado excitado.
Adem�s de los estudios de difracci�n de rayos X y de RMN, existen otras t�cnicas de espectroscop�a del ultravioleta y del infrarrojo, as� como la microscop�a electr�nica. Ahora entendemos mucho m�s del mecanismo de c�mo funciona una enzima que lo que cabe en un tomo entero.
Segunda parte
Un organismo es un conjunto de c�lulas, algunas fijas y otras m�viles, que forman a veces comUNIDADes (si son fijas) y a veces no las forman (si son m�viles, con lo cual son parte de soluciones acuosas generalmente en movimiento). Las comUNIDADes se llaman tejidos, que forman �rganos, que a su vez forman sistemas de �rganos. La base f�sica de todo ser vivo es ese conjunto de todo tipo de c�lulas, que miradas individualmente al microscopio son a su vez un conjunto de organelos. "Protoplasma" es una palabra gen�rica y en desuso (el t�rmino moderno es citoplasma), que agrupa todo lo viviente que hay fuera de la membran nuclear y dentro de la membrana celular externa. Nos podemos preguntar c�mo est� constitu�do. En el cuadro 1 vemos la respuesta para tres tipos de c�lula.
COMPOSICION APROXIMADA DE ALGUNOS CITOPLASMAS
COMPONENTES (en porcientos)
CITOPLASMAS Agua Prote�nas L�pidos Acidos
nucleicos Gl�cidos Minerales Otros
Hongo del barro 82 7 2,5
0,5 3,5 1 4
H�gado 73 5.1 2 1,5 3
Cerebro (mat.gris) 83 8 5 0,2 3 1,5 2
AGUA
Excepto en el caso de c�lulas durmientes (esporas, granos) todo
citoplasma tiene entre 73 y 85 % de agua. A�n m�s en la manzana, la
sand�a, el coco. Es previsible que cualquier alimento natural tenga
esa proporci�n. Si sabemos las propiedades del agua (por ejemplo
su capacidad calor�fica), es f�cil deducir aproximadamente su capacidad
calor�fica real, que es posible ajustar todav�a m�s con f�rmulas emp�ricas. Esto
es una gran ayuda para nuestra profesi�n. Si supi�ramos las propiedades
del agua avanzar�amos un largo paso en el conocimiento de los alimentos.
Nuestra profesi�n nos ense�a que no debemos fijarnos demasiado en
porcientos de agua ("contenido porcentual de agua", mo ) sino
en "actividad de agua", aw o tambien Aw , concepto
fisicoqu�mico que mide cu�nta agua le puede extraer a un alimento
el microorganismo que cae sobre �l para su "sed", o por lo contrario,
cu�nta agua le va a extraer el alimento al microorganismo que cay�
sobre su superficie y que, con tal motivo, empieza a secarse. Si
el alimento tiene un aw bajo o intermedio, le extrae agua
al microorganismo (caso de las semillas y nueces) mientras que si
tiene un aw alto (caso de una fruta turgente, no una fl�ccida)
el microorganismo le extrae agua. En los casos citados coincide aw con
mo (los dos son bajos en las semillas, nueces y frutas fl�ccidas
y secas y los dos son altos en las frutas turgentes) pero como se
ver� en otras materias, hay ejemplos mucho m�s matizados. Fl�ccido:
perdi� agua. Turgente: gan� agua. El t�cnico en alimentos usa el
bajo aw como t�cnica preservante, que ya fue utilizada por
la evoluci�n al aparecer el invento de la semilla, cuya composici�n
es autopreservada frente al ataque de la mayor�a de los microorganismos.
El ejemplo de las semillas ilustra que la vida necesita superar un
valor umbral alto para el agua presente para que el citoplasma muestre
vitalidad. Las c�lulas vegetales en general tienen mayor mo pero
es simplemente porque tienen en su interior grandes vacuolas gaseosas
que son m�s bien inclusiones y no protoplasma vivo. El agua presente
le da muchas veces la forma al tejido, que puede ser fl�ccido o turgente
seg�n su contenido en agua. Cada c�lula estar� en esas condiciones
y su membrana estar�, respectivamente, floja o tirante. El agua se
junta a las macromol�culas del protoplasma y entre ambas, macromol�cula
y su agua adherida, muestran su estructura final mixta.
PROTEINA Cuantitativamente las prote�nas son las macromol�culas m�s
abundantes del citoplasma, proporci�n que mantienen en todos los organelos
de la c�lula. No debemos confundir las propiedades nutritivas de las
prote�nas (propiedades que son b�sicas para definir qu� tipo de nutrici�n
se est� recibiendo y que se centran en determinar las proporciones
de los amino-�cidos esenciales como la lisina) con las propiedades
vitales de las prote�nas celulares (donde la condici�n irreemplazable
es su acci�n catal�tica y estructural y su inhibici�n por contacto
de c�lulas). Las prote�nas, entre muchas otras contribuciones, forman
la sustancia b�sica de los citoplasmas.
MINERALES
Los iones de ciertos minerales son absolutamente esenciales
para la vida. Potasio, calcio, magnesio, f�sforo, hierro, cobre, zinc,
manganeso y cobalto son componentes infaltables de un citoplasma.
El i�n sodio, rodeado de muchas mol�culas de agua, no cumple papel
importante alguno en las c�lulas vegetales, por lo cual no est� en
la lista. Sin embargo es de alta significaci�n en las de origen animal.
El i�n potasio resulta ser el m�s m�vil de todos y se lo encuentra
por todo el citoplasma. No forma complejos con otras mol�culas, pero
satisface una funci�n cr�tica en muchas reacciones metab�licas. El
i�n fosfato tambi�n interviene en muchas reacciones y se incorpora
a biomacromol�culas tan importantes como el AMP c�clico, el ADP, el
ATP, los fosfol�pidos para construir membranas, los fosfoaz�cares,
el DNA y el RNA, de los cuales es el 10 % en peso. La m�s caracter�stica
de todas es el ATP, abreviatura del adenosintrifosfato, la moneda
de la energ�a. Los papeles que el hierro cumple en la respiraci�n
y que el magnesio cumple en la fotos�ntesis han sido ya muy investigados
y se tiene una idea clara de su importancia. Otros minerales se ligan
a biomol�culas importantes, como el cobalto a la cianocobalamina o
vitamina B12 .
LECTURA 48 Biolog�a del hierro Resumen de Scrimshaw, Nevin S., Iron deficiency, Scientific American, oct 1991, vol 265, No. 4, p 24, con comentarios de David Francis Mettrick.
LECTURA 49
- Mecanismo de regulaci�n del ciclo de crecimiento y duplicaci�n de una c�lula.
Resumen basado en MURRAY , A. Y KIRSCHNER, M.-What controls the cell cycle, Scientific American, march 1991, p. 34