Los Bloques Fundamentales de Biología

La célula es la unidad básica de la vida. Todos los organismos están compuestos de una o más células. Como discutiremos después, los seres humanos están compuestos por muchos millones de células. Para comprender lo que occure en el cáncer, es importante comprender cómo trabajan las células normales. La primera fase es discutir la estructura y funciones básicas de las células.

Primero vamos a introducir los bloques fundamentales de las células. Todas las células, independientemente de su function o localización en el cuerpo, comparten cualidades y procesos comunes. Increíblemente, las células están compuestos casi totalmente de cuatro tipos de moléculas. A continuación se muestra una célula rodeada por ejemplos de estas moléculas fundamentales.

Cell Building Blocks

Como están presentes en organismos vivos, estos bloques fundamentales se llaman biomoléculas. Las siguientes secciones describen las estructuras y funciones de cada uno de estos bloques fundamentales.


Carbohidratos

La primera clase de biomoléculas que vamos a discutir son los carbohidratos. Estas moléculas están compuestas por los elementos carbono (C), hidrógeno (H), y oxígeno (O). Comúnmente, estas moléculas son conocidas como azúcares. Los carbohidratos pueden variar en tamaño desde muy pequeños hasta muy grandes. Como todas las otras biomoléculas, las cadenas largas de carbohidratos son frecuentemente formadas enlazando pequeñas unidades. Esto funciona de la misma manera que cuando se añaden cuentas a un brazalete para hacerlo más largo. El término general para una sola unidad o cuenta es el monómero. El término para una cadena larga de monómeros es polímero.

Ejemplos de carbohidratos incluyen los azúcares encontrados en la leche (lactosa) y en el azúcar de mesa (sacarosa). A continuación se muestra la estructura del monómero glucosa, una fuente de energía principal para nuestro cuerpo.

Glucose

Los carbohidratos tienen varias funciones en las células. Ellos son una excelente fuente de energía para las distintas actividades que ocurren en nuestras células. Algunos carbohidratos pueden tener una función estructural. Por ejemplo, el material que mantiene a las plantas de pie y da a la madera sus propiedades resistentes es una forma del polímero de glucosa conocida como la celulosa. Otros tipos de polímeros de azúcar forman parte de las formas de energía almacenada conocidas como almidón y glucógeno. El almidón se encuentra en productos vegetales como las papas, y el glucógenose encuentra en animales. A continuación se muestra una molécula corta de glucógeno.

Glycogen

Los carbohidratos son esenciales para que las células se comuniquen entre ellas. Estas moléculas también ayudan a las células a adherirse la una a la otra, así como al material que rodea a éstas en el cuerpo. La capacidad del cuerpo para defenderse contra la invasión de microbios y la eliminación del material extraño al cuerpo (como la captura del polvo y el polen por el tejido mocoso en nuestra nariz y garganta) es también dependiente de las propiedades de los carbohidratos.

Aprender más sobre cómo Dr. Michael Pierce está usando carbohidratos para investigar el cáncer.

Proteínas

Como los carbohidratos, las proteínas están compuestas de unidades más pequeñas. Los monómeros que construyen a las proteínas se conocen como aminoácidos. Existen alrededor de veinte aminoácidos diferentes. La estructura de un tipo de aminoácido llamado glutamina está ilustrada a continuación.

Las proteínas tienen varias funciones en los seres vivos, tales como:
  • Las proteínas ayudan a formar muchos de los rasgos estructurales del cuerpo incluyendo el pelo, las uñas, y los músculos. Las proteínas son el mayor componente estructural de las células y las membranas celulares.
  • Ellas ayudan en el transporte de materiales a través de las membranas celulares. Un ejemplo sería la absorción de la glucosa desde el flujo sanguíneo a las células. Regresaremos a discutir sobre esta habilidad importante cuando hablemos sobre la resistencia de las células cancerosas hacia los agentes quimoterapeúticos.
  • Ellas actúan como catalizadores biológicos. Un gran grupo de proteínas, conocidas como enzimas, son capaces de acelerar procesos químicos necesarios para que las células funcionen correctamente. Por ejemplo, existen enzimas que están involucradas en digerir nuestra comida y hacer que los nutrientes de éstas estén disponibles.
  • Las interacciones entre las células son muy importantes para mantener  la organización y función de las células y los órganos. Las proteínas frecuentemente son responsables de mantener el contacto entre células vecinas y entre las células y su ambiente local. Un buen ejemplo serían las interacciones intercelulares que mantienen a nuestra piel junta. Estas interacciones dependen de las proteínas que unen a las células vecinas. Como veremos, cambios en estas interacciones son parte de la causa del desarrollo metastático del cáncer.
  • Las proteínas también funcionan para controlar la actividad celular, incluyendo las decisiones tomadas acerca de la división celular. Todas las células cancerosas tienen defectos en este tipo de proteínas. Regresaremos a hablar en detalle sobre este tipo de proteínas cuando estudiemos la regulación de la división celular.
  • Varias hormonas, que son señales que viajan por el cuerpo para cambiar la actividad de las células y los órganos, están compuestas de proteínas. La ilustración debajo es la insulina, una hormona pequeña que regula la absorción de la glucosa del flujo sanguíneo.

Insulin


 

Lipidos

El término lípido se refiere a una amplia variedad de biomoléculas, incluyendo las grasas, los aceites, las ceras, y los esteroides. Todos los lípidos, independientemente de su estructura, localidad, o función en el cuerpo, comparten características comunes que permiten identificarlos como un grupo.

  • No se disuelven en agua; son hidrofóbicos.
  • Como los carbohidratos, están compuestos principalmente de carbón, hidrógeno, y oxígeno.

La naturaleza hidrofóbica de los lípidos dicta muchos de sus usos en los sistemas biológicos. Las grasas son una buena fuente de energía almacenada, mientras que los aceites y las ceras son usados para formar capas protectoras sobre nuestra piel, previniendo infecciones. Las hormonas esteroideas, un tipo de lípidos, son reguladores importantes de la actividad celular. Revisaremos esto de nuevo durante nuestra discusión del flujo de información en las células. Las actividades de hormonas esteroideas, como el estrógeno, han sido implicadas en los cánceres del sistema reproductivo femenino. Los tratamientos basados en este hecho serán discutidos a detalle en el capítulo sobre los tratamientos.

Triacylglycerol

Representado arriba, se encuentra un ejemplo de un triacilglicerol, o simplemente conocido como grasa. Las tres cadenas largas están compuestas únicamente de carbono e hidrógeno, lo cual le da a la molécula sus propiedades hidrofóbicas. Cuando usted lee sobre el contenido de las grasas saturadas e insaturadas en una etiqueta de alimentos, ésto se refiere a diferencias en estas cadenas largas de hidrocarbono.

 

Una función principal de los lípidos es la formación de las membranas biológicas. Las células están rodeadas por una capa fina de lípidos. Esta capa está formada por un tipo especial de lípido que tiene tanto propiedades hidrofóbicas como hidrofílicas. Las puntas hidrofílicas de estas moléculas se enfrentan al espacio dentro y fuera de las células, el cual es acuoso. La región hidrofóbica existe entre las dos capas. La membrana que rodea las células contiene muchas proteínas y otros lípidos como el colesterol.

 

Cell Membrane

 

La doble capa lípida es impermeable a la mayoría de las sustancias que se encuentran en el medio ambiente celular. El agua y otras moléculas pequeñas pueden pasar libremente por la membrana, mientras que otras moléculas deben ser transportadas activamente por medio de los canales de proteína encajados en la membrana. Las membranas también contienen combinaciones de las biomoléculas que han sido descritos hasta ahora. Como se puede ver arriba, las proteínas pueden acoplarse con carbohidratos para formar glicoproteínas. Las glicoproteínas son importantes en las interacciones intercelulares mencionadas anteriormente, y cambios en la cantidad o en los tipos de estas proteínas son vistos frecuentemente en el cáncer. De manera similar, una combinación de lípidos y carbohidratos llevan a la formación de los glicolípidos.

Ácido nucléico

Toda la información necesaria para controlar y construir las células está almacenada en estas moléculas.

Existen dos tipos principales de ácidos nucleicos, el ácido deoxiribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Ambas moléculas son polímeros. Están compuestos de unidades monómeras, como los carbohidratos y las proteínas descritas anteriormente. Los monómeros usados para construir ácidos nucleicos son llamados nucleótidos. A menudo, abreviaciones de una sola letra son usadas para referirse a los distintos nucleótidos: A, C, G, T y U. Como todos los monómeros descritos hasta ahora, los monómeros utilizados para construír el ADN son similares entre sí pero no son exactamente iguales. Una de las diferencias entre el ADN y el ARN es el conjunto de los nucleótidos usados para construir sus polímeros. El ADN contiene A, C, G y T, mientras que el ARN contiene A, C, G y U.

Acido deoxiribonucleico (ADN)

El ADN está compuesto por dos cadenas largas (polímeros) de nucleótidos entrelazadas para formar la estructura espiral o helicoidal mostrada debajo. Estas moléculas se unen de una manera muy particular, siempre con un nucleótido emparejado a otro específicamente. El nucleótido de la adenina (A) siempre se empareja con el nucleótido de la timina (T). De la misma manera, la guanina (G) siempre se une con la citosina(C). Si se fija en la gráfica debajo, se pueden ver las interacciones entre los pares de nucleótidos que actúan en medio de la hélice. Los polímeros que forman el ADN pueden ser sumamente largos, alcanzando millones de nucleótidos por una sola molécula de ADN. La ilustración debajo representa un hilo corto de la doble hélice del ADN. 1

DNA

El ADN se encuentra localizado en el núcleo de las células, una estructura que será descrita en el próximo capítulo. Todas las células nucleadas en el cuerpo humano, independientemente de su función, tienen el mismo contenido de ADN. La diferencia está en qué partes del ADN son usadas en cada célula. Por ejemplo, las células que forman el hígado contienen el mismo ADN que las células que forman los músculos. Las actividades dramáticamente distintas entre estos dos tipos de células dependen de las partes del ADN que se encuentran activas en cada una. El ADN es la forma de almacenaje de la información genética y actúa como un anteproyecto (plano o prototipo) de las células. Como veremos, los cambios en la secuencia del ADN pueden resultar en alteraciones en el comportamiento de las células. El crecimiento descontrolado, así como muchos otros cambios que se ven en el cáncer, son el resultado de mutaciones, cambios en la estructura del ADN

Combinaciones

Ya hemos sido introducidos a las clases principales de biomoléculas.

  • Carbohidratos
  • Lípidos
  • Proteínas
  • Ácidos nucleicos

Estas biomoléculas trabajan juntas para llevar a cabo funciones específicas, así como para construir estructuras clave que son importantes para las células. Por ejemplo, en la sección sobre los lípidos vimos el diagrama de la membrana presentado abajo.

 

Además de la bicapa lipídica, compuesta de un tipo especial de lípido, la membrana también contiene numerosas proteínas y azúcares. Como es mostrado, las proteínas y los azúcares se combinan para formar las glicoproteínas. Los azúcares también pueden ser agregados a los lípidos para formar glicolípidos.

Varias de las proteínas que son importantes en el desarrollo y/o detección del cáncer son glicoproteínas. Por ejemplo, exámenes de diagnóstico para el cáncer de próstata involucran exámenes de sangre para detectar la presencia de una glicoproteína llamada PSA, o antígeno específico de la próstata (prostate specific antigen en inglés). El cáncer de los ovarios también puede ser monitoreado con la producción de otra glicoproteína conocida como CA-125. CA significa "asociado con el cáncer" (cancer associated en inglés).

Más sobre el examen del CA-125

Muchas veces en las células, varias proteínas y otras biomoléculas se juntan para formar estructuras funcionales. Pronto hablaremos sobre algunas de estas estructuras más complejas, llamadas organelos.

Resumen de Sección: Los Bloques Fundamentales

Todos los seres vivos, incluyendo las células que forman un cuerpo humano, están compuestos por un pequeño subconjunto de distintas biomoléculas. Hay cuatro grandes tipos, descritos a continuación:

  1. Carbohidratos
    • Los carbohidratos están compuestos por moléculas de carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O).
    • Los azúcares son carbohidratos comunes.
    • Los carbohidratos tienen distintas funciones dentro de las células:
      • Fuente de energía primaria
      • Proveer estructura
      • Comunicación
      • Adhesión celular
      • Defensa en contra y eliminación de materiales extraños
  2. Proteínas
    • Las proteínas están compuestas por amino ácidos.
    • Las proteínas tienen distintas funciones dentro de los seres vivos:
    • Estructura del pelo, músculo, uñas, componentes celulares y membranas celulares
      • Estructura del pelo, músculo, uñas, componentes celulares y membranas celulares
      • Transporte celular
      • Catalizadores biológicos o enzimas
      • Mantener contacto celular
      • Controlar actividad celular
      • Mandar señales a través de hormonas
  3. Lípidos
    • Una amplia variedad de biomoléculas incluyendo grasas, aceites, ceras y hormonas esteroides.
    • Los lípidos no se disuelven en agua (son hidrofóbicos) y están compuestos principalmente por carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O).
    • Los lípidos tienen distintas funciones en los seres vivos:
      • Forman membranas biológicas
      • Las grasas pueden ser almacenadas como fuente de energía
      • Los aceites y las ceras brindan protección cubriendo áreas que podrían ser invadidas por microbios (por ejemplo la piel o las orejas)
      • Las hormonas esteroides regulan la actividad celular alterando la expresión de los genes.
  4. Ácidos Nucléicos
    • Toda la información necesitada para controlar y construir las células está almacenada en estas moléculas.
    • Los ácidos nucléicos están compuestos por nucleótidos abreviados como A,C,G, T y U.
    • Hay dos grupos principales de ácidos nucléicos, ácido desoxirribonucléico (ADN) y ácido ribonucléico (ARN):
      • ADN
        • El ADN tiene una estructura de doble hélice compuesta por los nucleótidos A,C,G y T.
        • El ADN está localizado en el núcleo de la célula.
        • El ADN es la forma de almacenamiento de la información genética.
      • ARN
        • La estructura del ARN es típicamente de una hebra formada por nucleótidos A,G,C y U.
        • El ARN es copiado del ADN y es la forma de trabajo de la información.
        • El ARN es formado en el núcleo y el ARNm es exportado al citosol.

Biomoléculas adicionales pueden formarse combinando estos cuatro tipos. Como ejemplo, muchas proteínas son modificadas por la adición de cadenas de carbohidratos. El producto es llamado glicoproteína.

Si encuetras nuestro material útil, considera poner un enlace a nuestro sitio.

  • 1. Kuszewski J,Schwieters C, Clore G.M. "Improving the accuracy of NMR structures of DNA by means of a database potential of mean force describing base-base positional interactions." Journal of the American Chemical Society (2001) 123:3903 [PUBMED]