TEMAS SELECTOSDE BIOLOGÍA I

Rosalino Vázquez CondeRosalino Vázquez López

PRIMERA EDICIÓN EBOOKMÉXICO, 2014

GRUPO EDITORIAL PATRIA

Dirección editorial: Javier Enrique CallejasCoordinación editorial: Alma Sámano CastilloDiagramación: Perla Alejandra López RomoDiseño de portada: Juan Bernardo Rosado SolísIlustraciones:José Luis Mendoza Monroy, Perla Alejandra López Romo, Rosalino Vázquez Conde y Rosalino Vázquez LópezImágenes: Jupiter Images Unlimited, Perla Alejandra López Romo

Agradecimiento especial a la Dra. Lilia Robert Guerrero y a la Q.F.B. y M. en C. Sandra Solano Gálvez de la Facultad de Medicina de la UNAM por su apoyo al proporcionarnos imagenes de laboratorio. Agradecimiento al C. Dentista Fernando Carbajal Ezquivel por las imágenes de espécimes acuáticos proporcionadas.

Hacemos un reconocimiento especial a las siguientes personas e instituciones por el permiso de reproducción de imágenes: Michael Peres, Biomedical Photographic Communications; Cecilia Koenig, Universidad Católica de Chile; Mark Bear, Professor of Neuroscience;University of UTA Hospital.

Revisión Técnica:Laura Lauría Baca

Temas selectos de biología IDerechos reservados:©2014, Rosalino Vázquez Conde y Rosalino Vázquez López©2014, GRUPO EDITORIAL PATRIA, S.A. de C.V.Renacimiento 180, Col. San Juan Tlihuaca,Delegación Azcapotzalco, Código Postal. 02400, México, D.F.

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial MexicanaRegistro núm. 43

ISBN ebook: 978-607-744-019-2

Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor.

Impreso en MéxicoPrinted in Mexico

Primera edición ebook: 2014

info editorialpatria.com.mx

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PRESENTACIÓN ................................................................................. 1

LA INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA .................................................. 2

INTRODUCCIÓN ................................................................................ 41.1 LA BIOLOGÍA ACTUAL EN EL MUNDO Y EN MÉXICO ............. 41.2 LA TECNOLOGÍA AL SERVICIO DE LA CIENCIA ..................... 101.3 EL DISEÑO DE UNA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA ................ 20

1.3.1 Avances tecnológicos de la región ..................................... 22

PROCESOS CELULARES ..................................................................... 32

INTRODUCCIÓN................................................................................. 342.1 PROCESOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA ... 34

2.1.1 Modelo del mosaico fluido ................................................. 342.1.2 Transporte pasivo .............................................................. 362.1.3 Transporte activo ............................................................... 402.1.4 Exo y endocitosis ............................................................... 43

2.2 PROCESOS DE COMUNICACIÓN CELULAR .............................. 452.2.1 Transmisión del impulso nervioso ..................................... 48

2.3 PROCESO DE DIFERENCIACIÓN CELULAR ............................... 652.3.1 Capas germinales de animales ........................................... 652.3.2 Células madre y su aplicación ........................................... 712.3.3 Desarrollo de tejidos animales ........................................... 712.3.4 Tejidos vegetales: meristemático, epidérmico,

vascular y fundamental...................................................... 762.3.5 Cultivo de tejidos y sus aplicaciones ................................. 78

BIOLOGÍA MOLECULAR .................................................................... 88

3.1 RESPUESTA INMUNE Y OTRAS DEFENSAS ................................ 903.1.1 Barreras primarias ............................................................. 903.1.2 Respuesta inflamatoria....................................................... 1003.1.3 Respuesta inmune humoral y celular ................................. 1063.1.4 Antígenos y anticuerpos .................................................... 1103.1.5 Grupos sanguíneos ............................................................ 115

III

3.1.6 Vacunas .............................................................................. 1173.1.7 Trasplantes......................................................................... 120

3.2 ENZIMAS ....................................................................................... 1233.2.1 Sitio activo y sustratos ....................................................... 1243.2.2 Enzimas alostéricas ............................................................ 1293.2.3 Factores que afectan la rapidez de las reacciones

enzimáticas......................................................................... 1293.2.4 Desnaturalización de enzimas .......................................... 1293.2.5 Importancia de las enzimas en los procesos biológicos ..... 131

3.3 ÁCIDOS NUCLEICOS ................................................................... 1353.3.1 El ADN. Estructura y función en células procariotes

y eucariotes....................................................................... 1353.3.2 El ARN. Proceso de síntesis de proteína ............................. 1493.3.3 Procesos de control de la expresión génica ........................ 156

3.4 BIOTECNOLOGÍA ......................................................................... 1703.4.1 Procesos microbiológicos ................................................... 1733.4.2 Técnicas de ingeniería de genética: PCR, técnicas de ADN

recombinante..................................................................... 1793.4.3 Productos obtenidos: transgénicos, vacunas, enzimas ....... 1873.4.4 Terapia génica: tratamiento del cáncer y otras

enfermedades..................................................................... 1893.4.5 Bioética .............................................................................. 190

IV

T E M A S S E L E C T O S D E B I O L O G Í A I

En la presente obra —Temas Selectos de Biología I— los autores buscamos exponer de forma clara, accesible y actualizada tópicos de alta relevancia en el mundo de las Cien-cias Biológicas, con el fin de que el alumno de bachillerato refuerce sus conocimientos básicos de esta ciencia y los amplíe con nuevos temas para que se vaya adentrando a la antesala del terreno profesional.

Los temas son abordados de una manera analíticamente sencilla partiendo desde lo más elemental hasta llevar al alumno a un nivel de profundización más alto. Dichos temas coinciden totalmente con el programa de la DGB para esta materia y las unidades que componen esta obra son las siguientes:

Unidad 1. Investigación en Biología. Uno de los planteamientos que surgen al estudiar la serie de avances tecnológicos y científicos que ha tenido la humanidad es, ¿de qué forma han influido la ciencia y la tecnología en nuestro que hacer cotidiano? Es por ello que en esta unidad se abordan los diversos avances, preponderantemente en el área de las Ciencias Biológicas a nivel mundial, nacional y regional, para así propiciar el terreno de la discusión y el análisis en clase.

Unidad 2. Procesos celulares. Partiendo del estudio de los procesos membranales de transporte se puede llegar a comprender más acerca del mecanismo de transmisión del impulso nervioso y el estudio de la neurona, así como la diferenciación y la especializa-ción celulares.

Unidad 3. Biología molecular. Existen grandes áreas científicas que han tomado gran importancia en los últimos años y que representarán un gran nicho de inversión por parte de la industria farmacéutica, de universidades y del gobierno, y por consecuencia una oportunidad de desarrollo profesional a futuro para el alumno. Dentro de éstas se encuentran el desarrollo de nuevas vacunas, la investigación en enzimas, la Ciencias Genómicas y la Biotecnología, entre otras. Por tal motivo, la presente unidad abarca temas relacionados con la respuesta inmune, vacunas, trasplantes, la estructura de las enzimas, su función y los diferentes tipos de ellas, la estructura del ADN y ARN, los sistemas de control de expresión y su empleo en la Biotecnología.

Al término del semestre, el alumno tendrá una visión más amplia de los procesos celulares y moleculares de mayor relevancia para poder así entender más la realidad de la investigación en Ciencias Biológicas y con ello sus áreas de oportunidad para el desarrollo profesional.

Los autores deseamos que la presente obra se torne un aliado del profesor en un su noble labor durante el proceso de enseñanza-aprendizaje, para ello cuenta con diversas seccio-nes que contribuyen a ampliar el panorama del alumno con respecto a la investigación científica en el área biológica que acontece en su país, así como también cuestionarios y otros recursos evaluativos y de formación práctica.

1

La investigación en biología

Contenido

Objetivo

El estudiante desarrollará un proyecto de investigación en biología, a partir de la consulta sobre los avances recientes que se han logrado en este campo, recuperando la importancia del uso de la tecnología, distinguiendo el papel del microscopio y las computadoras como medios de apoyo para desarrollar planes de investigación que le aporten referentes para aplicar los pasos del método científico, mostrando una actitud participativa y de colaboración.

Tema 1.1

LA BIOLOGÍA ACTUAL EN EL MUNDO Y EN MÉXICO

Tema 1.2

LA TECNOLOGÍA AL SERVICIO DE LA CIENCA

Tema 1.3

EL DISEÑO DE UNA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA

Unidad 1

Describe en forma breve el descubrimiento que le dio mayor impulso a la biología en la segunda mitad del siglo XX.

¿Cuáles son las instituciones de investigación biológica en nuestro país?

¿Qué importancia tiene el microscopio compuesto (como el que usas en el laboratorio) para el estudio de la biología?

¿Cuáles son las propuestas de la teoría celular y qué importancia tuvieron para el desarrollo de la biología?

¿Qué diferencias hay entre una preparación fija y una temporal?

Menciona el nombre de los instrumentos de mayor uso en tu laboratorio de biología y especifica su uso.

¿Qué utilidad le has hallado a la computadora para tus estudios biológicos?

Describe algún avance biotecnológico que hayas observado en tu región.

INTRODUCCIÓN Se afirma que la ciencia —entendida ésta como la manera de organizar e informarse res-pecto del medio natural— es tan antigua como la especie humana que fue su creadora. Las observaciones que nuestros lejanos antepasados hicieron del comportamiento de los animales que cazaban, de los ciclos estacionales de las plantas de las que obtenían los frutos que comían y de las primeras alteraciones que hicieron de su medio natural para asegurar su subsistencia, posiblemente les hayan reportado los primeros conocimientos para comprender su ambiente natural, los cuales pueden ser considerados como antece-dentes de los conocimientos científicos.

El concepto y los objetivos de la biología se han ido modificando a través de las distintas etapas sociales. En un periodo inicial tuvo un nivel descriptivo, en el cual se fueron descubriendo la estructura y la función de los sistemas que se estudiaban, con lo que se fue presentando una acumulación en los conocimientos, siendo sustituida después por nuevas aportaciones. Un segundo nivel ha sido el experimental, en el que el científico trata de confirmar su hipótesis por medio de la observación y la experimentación, de cuyo método han derivado los conocimientos para establecer principios o leyes. En un tercer nivel se ubica hoy la tecnología, que de manera interdisciplinaria y por técnicas so-fisticadas logra obtener de los conocimientos científicos beneficios para la humanidad.

Es innegable el importante papel que desempeñan los conocimientos científicos en el desarrollo de los pueblos, su apoyo radica esencialmente en la ciencia, la tecnología y la información, las cuales se logran a través de la educación. En nuestro país, las insti-tuciones oficiales de educación superior representan una buena opción para un mayor número de nuestros jóvenes, quienes quieren realizar una carrera científica.

1.1 LA BIOLOGÍA ACTUAL EN EL MUNDO Y EN MÉXICODurante el siglo XX, la biología tuvo un extraordinario desarrollo, gran parte de ello se debió al enfoque interdisciplinario e integrador que adquirió esta ciencia al auxiliarse de otras disciplinas como la fisiología, la genética, las matemáticas y en especial de la química y la física, de cuyo apoyo resultaría la biología molecular, que tuvo un impresionante avance durante este periodo.

Las principales aportaciones científicas de la biología en el siglo XX fueron:

En 1900, el holandés Hugo de Vries, el alemán Carl Correns y el austriaco Erich Tschermak, redescubrieron en forma independiente el artículo olvidado de Gregor Mendel, sobre los mecanismos de la heren-cia (experimentada con plantas de chícharo), publicado en 1865 y que coincidía con los descubrimientos que habían obtenido (fig. 1.1).

En los primeros años del siglo XX, el fisiólogo ruso Ivan Pavlov realizó importantes estudios sobre aprendizaje asociativo a través de sus ex-perimentos de condicionamiento clásico, con los cuales descubrió que

Figura 1.1

Gregor Mendel estableció las leyes fundamentales de la herencia.

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al alimentar a un perro al mismo tiempo que hacía sonar una campana, éste producía saliva con sólo escuchar el sonido, ya que llegó a relacionar el alimento con la campana (fig. 1.2).

En 1902, Walter S. Sutton señaló la relación que había entre la segregación de los factores hereditarios, propuesta por Mendel, con la separación de los cromosomas homólogos de la meiosis.

En 1905, Edmund B. Wilson y Nettie M. Stevens identificaron en insectos los cromo-somas X y Y.

En 1910, Thomas Hunt Morgan, al experimentar con la mosca Drosophila melanogaster, descubrió que algunos caracteres ligados al sexo se heredan, y concluyó que la informa-ción hereditaria se localiza en los cromosomas al demostrar que los caracteres ligados al sexo se encuentran en el mismo cromosoma. En 1933 recibió el premio Nobel de fisiología por demostrar que la información hereditaria se transporta en los cromosomas (fig. 1.3).

En 1924, el bioquímico ruso Alexander I. Oparin propuso su teoría sobre el origen abiótico de la vida, a partir de la materia orgánica del medio acuático sintetizada de los compuestos de la atmósfera secundaria de la Tierra.

En 1928, el bacteriólogo escocés Alexander Fleming descubrió, en forma accidental, la penicilina. Cierto día de ese año Fleming encontró que su cultivo de bacterias estafilococos (Staphylococcus aureus) se había contaminado con hongo Penicillium notatum. Observó que las bacterias no habían crecido alrededor del hongo, lo que le hizo suponer que posi-blemente el hongo liberaba alguna sustancia que inhibía el crecimiento de las bacterias.

Figura 1.3

Thomas Hunt Morgan realizó experimentos con la mosca de la fruta o Drosophila melanogaster y comprobó que la información hereditaria se encuentra en los cromosomas.

Figura 1.2

Experimento de Pavlov por el cual condicionó al perro a asociar el alimento con el sonido de una campana.

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Después comprobó su hipótesis y del extracto que se obtuvo de este hongo se fabricó la penicilina, antibiótico que se emplea para combatir infecciones de origen bacteriano.

En 1928, el bacteriólogo inglés Frederick Griffith descubrió el principio transformante por el cual las cepas no virulentas de Streptococus pneumoniae pueden cambiar a cepas virulentas, lo que en 1944 quedó demostrado con la identificación del ADN (ácido desoxirribonuclei-co) como la molécula que transmite la información hereditaria por medio de los análisis químicos realizados por Oswald T. Avery, Colin M. MacLeod y Maclyn McCarty.

En 1937, Hans Adolf Krebs descubrió el ciclo del ácido cítrico, por medio del cual los grupos acetilo se degradan a bióxido de carbono y agua durante la respiración celular aerobia, con liberación de energía que puede ser utilizada para producir ATP (adenosín trifosfato). En su honor se conoce al ciclo como Krebs.

En 1941, George W. Beadle y Edward L. Tatum encontraron que un gen particular daba instrucciones para la producción de una determinada enzima. En su trabajo emplearon el moho rojo del pan Neurospora crassa y comprobaron que las cepas que no podían crecer en un medio de cultivo simple eran mutantes nutricionales, con un gen defectuoso que les impedía tener una vía metabólica para producir un aminoácido. Con base en los resultados que obtuvieron elaboraron su hipótesis un gen una enzima. La hipótesis de estos genetistas estadounidenses no sólo ha sido aceptada, sino ampliada, ya que trabajos experimentales posteriores demostraron que el gen no sólo sintetiza enzimas, sino otros tipos de proteínas, que se forman de dos o más cadenas de polipéptidos, cada una de éstas la especifica un gen. Además, algunos genes determinan también la síntesis de moléculas de ácidos ribonucleicos (ARN). Por sus trabajos Beadle y Tatum recibieron el premio Nobel de fisiología en 1958.

En 1950, Erwin Chargaff descubrió que en el ADN de los organismos de una especie la cantidad de adenina es igual a la cantidad de timina, y la cantidad de guanina es igual a

la de citosina. Esto se explica porque en las dos cadenas de nucleótidos del ADN, la adenina va unida siempre a la timina y la guanina a la citosina. En aquella época, aún se desconocía la estructura del ADN.

En 1952, Alfred Day Hershey y Martha Chase experimentaron con virus que infectan las bacterias (bacteriófagos), para demostrar que era el ADN del virus el que permitía la reproducción de nuevos virus dentro de las bacterias infectadas. Esto indica que el ADN es el sopote de la herencia.

Plenamente convencidos de que era el ADN la molécula portadora de la herencia biológica, los investigadores se dieron a la tarea de aclarar su estructura tridimensional. En ésta participaron Linus C. Pauling y sus colaboradores, quienes en 1951 habían diseñado la estructura tridimensional de hélice alfa de algunas proteínas, en la que las cadenas de aminoácidos se hallan dispuestas en forma de hélice, sostenidas por puentes de hidrógeno entre los giros de la hélice. Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, en el King’s College de Londres, aplicaron en 1951 la técnica de difracción de rayos X en la investigación de la estructura del ADN. La imagen obtenida reflejaba que la molécula tenía giros de una gigantesca hélice (fig. 1.4).

Figura 1.4

Difracción de rayos X del ADN obtenida por Franklin y Wilkins.

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En 1953, con la información que ya se tenía, James D. Watson y Francis C. Crick dedujeron el modelo tridimensional del ADN. Se trata de una doble cadena de nucleótidos en forma de hélice. Su aspecto se asemeja a una escalera de caracol, en la cual los pasa-manos están formados por moléculas de desoxirribosa y fósforo, y los peldaños por bases nitrogenadas. Las bases de una cadena se sostienen por enlaces de hidrógeno con las bases de la cadena opuesta (fig. 1.5).

En las dos cadenas de polinucleótidos enfrentadas, las bases quedan hacia el interior y la cadena de azúcar (desoxirribosa) y fosfato hacia el exterior. Ambas cadenas son complementarias, de tal manera que la adenina se une a la timina por dos enlaces de hidrógeno, en tanto que la guanina se empareja con la citosi-na por tres enlaces de hidrógeno. La doble hélice da una vuelta completa en el espacio cada 34 ángstrom (Å) (3.4 nanómetros), en esa vuelta caben 10 pares de bases. En la hélice la distancia entre un nucleótido y otro es de 3.4 Å (0.34 nm). Las dos cadenas son antiparalelas, porque mientras una se orienta en dirección 5’ 3’, la complementaria lo hace en dirección 3 5’. Watson, Crick y Wilkins compartieron el premio Nobel de fisiología en 1962 (fig. 1.6).

La química de los ácidos nucleicos conocida como dogma central de la biología molecular se interpretó en esa época de la siguiente manera:

El a) ADN conserva la información genética por medio de su misma replicación.

El b) ADN transmite la información genética por transcripción al ARN.

El c) ARN realiza la síntesis de proteínas por medio de la traduc-ción del mensaje.

En 1955, Arthur Kornberg aisló y purificó la enzima ADN poli-merasa de la bacteria Escherichia coli. Esta enzima es la encargada de sintetizar la molécula de ADN, es decir, la que hace posible su replicación.

A principios de la década de 1960, Howard M. Temin detectó la existencia de la transcripción inversa en ciertos virus. En 1970, Howard M. Temin y David Baltimore, en forma separada, aislaron la enzima transcriptasa inversa que, contrariamente a como se realiza de manera cotidiana, hace posible la síntesis de ADN di-rigida por ARN en los retrovirus como el VIH del sida. Por este descubrimiento en 1975 compartieron con Renato Dulbecco el premio Nobel de fisiología.

Figura 1.5

Doble cadena de nucleótidos del ADN.

Figura 1.6

El modelo de ADN de Watson y Crick, construido con alambre y hojalata.

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En 1966, Har Gobind Khorana, Marshall Warren Nirenberg y Heinrich Matthaei des-cifraron el lenguaje del código genético, al descubrir que los veinte aminoácidos eran codificados por el ADN por medio de tripletes de bases llamados codones.

En 1970, Kent Wilcox y Hamilton Smith descubrieron en la bacteria Haemophilus in-fluenzae, la primera enzima de restricción que corta el ADN en sitios específicos.

En 1972, Paul Berg, al emplear una enzima de restricción, cortó el ADN y, al utilizar la ADN ligasa, enzima que suelda las moléculas del ácido nucleico, unió dos segmentos de ADN de especies distintas en un plásmido (pequeña molécula circular de ADN de las bacterias). Con ello se produjo la primera molécula de ADN recombinante y se iniciaron trabajos de la ingeniería genética que ha permitido aislar y manipular el material heredi-tario. Después, los modelos experimentales se han empleado en la industria para obtener productos que benefician a la humanidad, lo que impulsa la biotecnología moderna. Por ejemplo, en 1978 los investigadores de Genentech y The City of Hope National Medical Center utilizaron bacterias para producir insulina humana mediante la tecnología del ADN recombinante. En 1985, Kary B. Mullis y sus colaboradores de la compañía Cetus dieron a conocer la técnica de la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés), la cual permite amplificar (sacar muchas copias) un segmento de ADN en poco tiempo.

A mediados de la década de 1980, un grupo de científicos iniciaron el Proyecto Genoma Humano (PGH), con el propósito de identificar todos los genes del ser humano. Obje-tivo logrado en febrero de 2001, cuando fueron publicadas con un alto porcentaje de confiabilidad, las secuencias definitivas del genoma humano.

En 1996, en el Instituto Roslin, cerca de Edimburgo, nació Dolly, la primera oveja clo-nada a partir de una célula somática (de glándula mamaria).

La clonación de mamíferos ha abierto nuevas perspectivas a la biotecnoloía, a tal grado que se asevera que el siglo XXI será la era de los clones, ya que existen las posibilidades de diseñar y desarrollar los organismos con nuevas características y con propósitos de interés social o económico.

Por una parte, a través del Proyecto Genoma Humano se ha podido precisar la ubicación de los genes, también ha revelado algunos polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs) que nos da individualidad genética al definir los caracteres físicos de cada individuo y su susceptibilidad a determinadas enfermedades, lo que permitirá tomar las medidas preventivas para que éstas no se desarrollen.

Avances de la biología en el siglo XX en México

En los primeros años del siglo XX, la educación superior se circunscribía sólo a un reducido grupo social, que tenía un mayor poder económico. La escolaridad de los que tenían acceso a la educación elemental no superaba los cuatro años.

Fue durante 1920 y 1930 cuando se establecieron las condiciones necesarias para el desarrollo científico y tecnológico, especialmente en la Universidad Nacional Autó-noma de México (UNAM) y en el Instituto Politécnico Nacional (IPN). Por aquellos años ya se cursaban los estudios de ciencias biológicas en la UNAM, que ya contaba

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con su Instituto de Biología. En el IPN la carrera de biólogo que se imparte en la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas fue creada en 1940.

La inmigración española de 1939 y 1940 fue una importante contri-bución al desarrollo de la ciencia en México. Llegaron a nuestro país muchos científicos que no sólo participaron en la investigación, sino también en la formación de profesionales de la biología.

Otro hecho importante que contribuyó al avance de esta ciencia en México fue la creación en 1970 del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), el cual impulsa y fortalece el desarrollo cientí-fico mediante la formación y sostenimiento de investigadores y temas afines.

En la segunda mitad del siglo XX se incrementó el número de uni-versidades y escuelas de educación superior en el país, en las que se cursa la carrera de biología. A finales del siglo ya funcionaban alrededor de cien instituciones que trabajaban sobre distintas líneas de investigación relacionadas con la biotecnología, así como en la formación de investigadores. Por ejemplo, los diferentes centros de investigación de la UNAM, el Centro de Investigación y Estudios Avanzados (Cinvestav) del IPN, la Universidad Autónoma Metropoli-tana, los Institutos Tecnológicos Regionales y las Universidades de los estados de la República.

A pesar del reducido presupuesto que el gobierno federal le destina a la investigación científica, destacados investigadores mexicanos han logrado poner muy en alto el nombre de nuestro país en el contexto internacional de la investigación científica, como lo demuestran los doctores Francisco Bolívar Zapata y Luis Herrera Estrella, quienes contribuyeron a la construcción de plantas trans-génicas.

En México se realizan enormes esfuerzos por participar en el desarro-llo de la nueva ciencia genómica (referente al estudio de la totalidad de información genética de una célula o de un organismo). Por ejem-plo, en el Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno (CIFN) de la UNAM, se obtiene y analiza la secuencia genómica de la bacteria Rhizobium etli, de acción muy importante en la agricultura, por la fijación que hace del nitrógeno cuando se aloja en los nódulos de la raíz de las leguminosas, mediante una relación simbiótica que establece con estas plantas y por la cual las leguminosas aseguran su suministro de nitrógeno, elemento indispensable en la síntesis de los ácidos nucleicos y de las proteínas.

Otro importante proyecto de investigación es el que se realiza en el Cinvestav del IPN en Irapuato, Guanajuato, donde se lleva a cabo la secuenciación del genoma del maíz, cuyo objetivo es identificar genes de interesante acción en la agricultura.

En el campo biomédico destaca el banco de cerebros para la investigación de Alzhei-mer y enfermedades neurodegenerativas fundado por el doctor Raúl Mena López en el Cinvestav de la Ciudad de México. Además de ser el primero en su género en América Latina ha permitido desarrollar un modelo para experimentar curas para el Alzheimer a través de la proteína TAU.

Evaluación formativa

Analiza los diferentes 1. descubrimientos biológicos que se realizaron durante el siglo XX, describe cuáles han sido sus aportaciones y cómo en la actualidad se siguen viendo o manifestando sus beneficios. Menciona al menos cinco ejemplos de la vida cotidiana que se relacionen con el tema y que sean de la vida cotidiana.

Investiga los recientes 2. avances de la biología en México y en el mundo; compara los alcances que se han tenido en cada caso. Elabora un reporte en el que cites las principales características de cada uno, mencionando en ejemplos reales las mejoras que se han dado en la vida del ser humano a raíz de dichos avances.

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1.2 LA TECNOLOGÍA AL SERVICIO DE LA CIENCIA

Con el desarrollo de la biología molecular, a partir de 1950 se des-cubrió la estructura tridimensional de la molécula del ADN (ácido desoxirribonucleico) y los mecanismos por los cuales su informa-ción genética se traduce en proteínas. Investigaciones posteriores hicieron posible, a partir de la década de 1970, aislar y manipular el ADN, así como el diseño de las técnicas del ADN recombinante, lo que dió origen a la ingeniería genética, que facilita la creación de organismos transgénicos, en cuyas células se ha incorporado el ADN de otra especie con algún fin específico. Los conocimientos acerca del ADN, los mecanismos para su expresión en proteínas y la tec-nología para aislarlo y manipularlo, han superado la biotecnología tradicional que se dedicaba a procesos de producción de bebidas y alimentos, o a la de variedades de plantas y animales por selección artificial, para entrar a la etapa de la biotecnología moderna que impulsa un desarrollo biológico multidisciplinario, es decir, con la participación de otras disciplinas científicas.

El microscopio, tipos y alcances

El microscopio es el instrumento que se emplea para el estudio de objetos muy pequeños que no pueden ser observados a simple vista. El avance de la microscopía ha contribuido al desarrollo de las inves-tigaciones biológicas.

A mediados del siglo XVII, Robert Hooke, empleando un micros-copio que posiblemente él había fabricado, observó minúsculas cavidades geométricas de cortes delgados de corcho, las que llamó células (fig. 1.7). Saber que el contenido de esas diminutas cavi-dades era la parte más importante de la estructura se logró mucho tiempo después.

A finales de 1600, Anton van Leeuwenhoek, un tendero danés, con una lupa de muy buena calidad óptica (cercana a 300 aumentos) que él pulió, pudo observar bacterias, protistas y espermatozoides (fig. 1.8).

Durante los siglos XVII y XVIII el microscopio se fue perfeccionando y fue hasta principios del siglo XIX cuando se dispuso de buenos microscopios ópticos que facilitaron a los biólogos el estudio de la célula, iniciándose así la biología celular.

El microscopio óptico

Este tipo de microscopio (fig. 1.9), que es el más usual en las escue-las, está formado esencialmente de un tubo que dispone de lentes

Figura 1.7

Robert Hooke y su microscopio compuesto.

Figura 1.8

Leeuwenhoek fue el primero que observó seres microscopicos vivos a través de una lupa fabricada por él.

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de aumento en ambos extremos (por esta característica de contener varios lentes, con mucha frecuencia también se le llama microscopio compuesto). Su parte óptica la forman el sistema de lentes llamado objetivo, que queda más cerca del objeto de observación, y el sistema de lentes denominado ocular, situado más cerca del ojo del observa-dor. El aumento total de lo que se observa se determina por el pro-ducto que resulta de multiplicar el aumento de la lente del objetivo por la del ocular.

El microscopio óptico emplea luz visible que, proyectada a través de la lente objetivo, llega al espécimen observado y lo atraviesa (luz trasmitida), aumentando su imagen, ésta se proyecta dentro del ojo o de la cámara fotográfica integrada al microscopio, cuando se desea tomar una micrografía.

El aumento y el poder de resolución

El aumento o la amplificación es la proporción del tamaño de la ima-gen que se observa con el microscopio en relación con el tamaño real del espécimen. En los mejores microscopios ópticos, generalmente esa amplificación no supera 1 000 veces el tamaño del espécimen. En cambio, el poder de resolución determina la calidad óptica real de la imagen, en la cual es posible distinguir detalles finos muy cercanos entre sí. El poder de resolución se define como la distancia mínima que separa dos puntos, en la que ambos pueden distinguirse en forma separada y no como uno solo.

El ojo humano tiene un poder de resolución aproximado de 0.1 milímetros o 100 micrómetros (μm). Por eso si se intentara ver dos puntos que se localizan a menos de 100 μm cada uno, se verían como uno solo. En cambio, si esos dos puntos se encontraran separados 120 μm entre sí, se podrían distinguir ambos (fig. 1.10).

El límite de resolución del microscopio óptico lo determina la longi-tud de onda de la luz visible, comprendida entre 0.4 μm o 400 nanó-metros: nm (luz violeta) a 0.7 μm o 700 nm (luz roja), situación que limita su resolución a detalles no menores a su longitud de onda.

Los microscopios ópticos actuales tienen un poder de resolución de 0.2 μm o 200 nm, lo que ha facilitado observar estructuras grandes de las células eucariotas y las células bacterianas individuales, no así las estructuras finas de las eucarióticas e internas de las procariotas, que no se pueden distinguir.

El microscopio estereoscópico o de disección

Este tipo de microscopio se emplea para observar cuerpos opacos, en los que no se requiere mucho aumento; es muy útil en trabajos de

Figura 1.9

Microscopio óptico.

Figura 1.10

Poder de resolución. Se señala el tamaño de las células, virus y algunas moléculas, así como el intervalo de resolución del ojo humano de los microscopios ópticos y electrónicos.

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disección. En éste es posible observar objetos completos de mayor tamaño y que con el microscopio óptico difícilmente se lograrían. Dispone de dos objetivos y dos oculares. Al iluminar el espécimen se logra observar por la luz reflejada y no transmitida como sucede en el microscopio óptico.

Otros tipos de microscopios ópticos que se han creado en años recientes han sido los de contraste de fases y los de interferencia diferencial, los cuales emplean la interferen-cia entre las ondas de luz para observar las estructuras internas de las células vivas, sin necesidad de colorantes.

Se dice que las ondas de luz se encuentran en fase cuando los picos y los valles coinciden. Situación que refuerza las ondas y éstas forman su mayor amplitud y luminosidad (aumento en el brillo). En cambio, cuando las ondas se encuentran fuera de fase, hay interferencias, se reduce la amplitud de las ondas y el brillo (fig. 1.11).

Figura 1.11

La intensidad de la luz es determinada por su amplitud de onda. (a) Ondas luminosas en fase con mayor amplitud y luminosidad, (b) Ondas fuera de fase, con interferencias entre sí, con reducción de amplitud de ondas y brillo.

Al atravesar la célula, la luz varía su fase de onda de acuerdo con el índice de refracción de ésta; la luz que pasa en zonas gruesas, como el núcleo, se retrasa y su fase se desplaza en relación con la luz que atraviesa una región menos densa como el citoplasma. Estos microscopios emplean los efectos que produce la combinación de ambos grupos de ondas, para formar imágenes que permiten observar los constantes cambios de forma y ubicación de las estructuras internas de las células vivas.

a)b)

T E M A S S E L E C T O S D E B I O L O G Í A I

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Microscopio de campo oscuro

En este tipo de microscopio la luz que ilumina el espé-cimen llega desde el costado y se refleja. Los sistemas de lentes logran formar con la luz reflejada una imagen brillante con un fondo oscuro, lo que permite observar las características de las células, sin aplicación de colo-rantes.

Microscopio electrónico

El uso de este tipo de microscopio se extendió a partir de 1950, lo que permitió a los investigadores estudiar las ultraestructuras (detalles muy finos) de las células.

Los principios en que se basa este aparato son semejan-tes a los del microscopio fotónico (de luz), sólo que en lugar de luz usa como fuente un haz electrónico de alta velocidad que tiene una longitud de onda menor, que va de 0.1 a 0.2 nm y son de lentes electromagnéticas y no ópticas. Generalmente tienen un poder de resolución de 1 000 veces más que el microscopio óptico (fig. 1.12).

La imagen que se forma no se puede observar en forma directa, los electroimanes dirigen el haz de electrones que amplía y enfoca la imagen, la cual es proyectada sobre una pantalla o una película fotográfica.

El microscopio electrónico de transmisión se emplea para observar cortes delgados de muestras fijas y teñi-das, que permiten visualizar estructuras internas de la célula.

El microscopio electrónico de barrido se usa para ob-servar los detalles de la superficie de la muestra que no son detectados con el microscopio de transmisión, porque en éstos los electrones atraviesan la muestra.

Con el microscopio electrónico no es posible observar organismos vivos, como con el óptico. Sin embargo, las observaciones logradas con este aparato han permitido un enorme avance en el estudio de las estructuras finas de la célula (fig. 1.13).

La teoría celular

Con las correcciones que se hicieron en la construcción de los microscopios ópticos en 1827, por las que fue-ron suprimidas las aberraciones cromáticas, se facilitó

Figura 1.13

Microscopio electrónico.

Figura 1.12

Las trayectorias del haz de luz y de los electrones en el microscopio fotónico y el microscopio electrónico.

L A I N V E S T I G A C I Ó N E N B I O L O G Í A

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la realización de nuevas observaciones que condujeron a la formulación de la teoría celular, surgida de los trabajos de los siguientes científicos y cuyas propuestas aún son válidas:

En 1838, el botánico Matthias Schleiden y el zoólogo Theodor Schwann, en 1839, señalaron que las plantas y los animales están constituidos de células, que es la unidad fundamental, estructural y funcional de los seres vivos (fig. 1.14). Posteriormente, el médico Rudolf L.K. Virchow observó la división de las células para dar origen a otras nuevas, lo que fundamentaría su propuesta en 1855, en la que señalaba que las nuevas células solamente se forman por la división de las que ya existen. Con esto contradecía la teoría de la generación espontánea, que sostenía que las células podían originarse a partir de material sin vida, creencia que perduró por mucho tiempo.

Elaboración de preparaciones microscópicas

Estudios en vivo

Esta técnica se emplea para analizar al microscopio sin ningún proceso, trozos de tejidos, células aisladas como bacterias, hongos unicelulares, protozoarios y algas microscópi-cas, así como células sanguíneas. Con los microscopios de contraste de fases o de campo oscuro se obtienen buenos resultados. Sin embargo, dado que las células tienen un breve periodo de vida, requieren que la observación se efectúe en medios de montaje apropiados que aseguren un mayor tiempo de sobrevivencia: un adecuado contenido de nutrientes, temperatura, oxigenación y pH, por ejemplo. Para ello se emplean las cámaras húmedas o cámaras de supervivencia, que consisten en portaobjetos gruesos con una excavación circular en el centro, en la que se coloca el material vivo a observar, inmerso en el líquido que le proporciona todo lo necesario para prolongar su vida. Dicho líquido puede ser natural o artificial, dependiendo si proviene del medio donde la célula vive o es preparado para imitar el líquido natural.

Coloraciones vitales

Como su nombre lo indica, esta técnica se emplea para estudiar las estructuras de la célula viva. Los colorantes hacen visibles algunas de estas estructuras al acumularse en diferentes partes de la célula. A continuación se mencionan algunos de estos colorantes:

El violeta dalia y el violeta cristal, que colorean el núcleo.

El verde janus B y el azul nitro de tetrazolio que se fijan a las mitocondrias.

El rojo neutro que colorea a las vacuolas de protistas, hongos y plantas.

Figura 1.14

De acuerdo con la teoría celular todos los organismos vivos están constituidos por células.

T E M A S S E L E C T O S D E B I O L O G Í A I

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OBSERVACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS DE LA CÉLULA VIVA

Objetivo

Ex• amen en fresco y en tinción vital de algunas estructuras de la célula eucariótica.

Consideraciones teóricas

En las preparaciones celulares en fresco y en coloración vital son míni-mas las alteraciones físicas y químicas que se presentan en el tejido que se desea observar.

Material

Cebolla• Microscopio compuesto• Porta y cubreobjetos• Agua de disección• Goteros•

Solución de lugol• Solución de azul de metileno• Papel absorbente• Pinzas•

Procedimiento

De la superficie cóncava de una capa de cebolla desprende la epider-1. mis y colócala en el centro de un portaobjetos con una gota de agua destilada. Con la aguja de disección extiéndela y pon sobre ella un cubreobjetos. Con el papel absorbente seca el agua que pudiera salir fuera del cubreobjetos y, con el microscopio, examina la preparación a menor aumento. Dibuja las células observadas. Después observa tu preparación a mayor aumento.

De la misma forma elabora otra preparación de epidermis de cebolla, 2. pero en lugar de una gota de agua, agrégale una gota de solución de lugol. Observa la preparación primero a menor aumento y después a mayor. Dibuja las células observadas y explica la diferencia entre la primera y segunda muestra.

Finalmente colorea otra epidermis de cebolla con azul de metileno. 3. Observa tu preparación, dibuja las células que observas y señala las estructuras que hayas identificado.

Elabora un reporte de tu actividad experimental.4.

L A I N V E S T I G A C I Ó N E N B I O L O G Í A

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Técnica de coloración post mórtem

Para elaborar las preparaciones microscópicas permanentes, en las cuales se hace el montaje de los tejidos que podemos visualizar al microscopio, es necesario realizar una serie de operaciones. A continuación se explica en forma simplificada el proceso de operación:

Fijación. Primero se tratan las células con un fijador, sustancia que las inmoviliza, las mata y las preserva. Inicialmente un método muy común era sumergir en forma breve la muestra en ácido o alcoholes. Hoy en día se prefiere em-plear formaldehído y glutaraldehído, que al formar enlaces covalentes con los grupos amino libres de las proteínas establecen puentes cruzados entre grupos amino de proteínas adyacentes, lo que hace que éstas se estabilicen en su posición inicial. Después, la muestra se enjuaga con agua para desechar el fijador.

Deshidratación. Por medio de una serie de lavados con alcohol progresiva-mente de mayor concentración (al 70, 80, 90 y 100%) se elimina el agua de la muestra.

Cortes de la muestra. Después de la fijación se hacen cortes finos del tejido (de 2 a 10 μm de grosor). Para ello se puede utilizar una navaja o un microtomo. De este último existen varios tipos, el más sencillo es el microtomo de mano que se usa con una navaja de rasurar. El microtomo de deslizamiento dispone de una cuchilla metálica y un sistema mecánico para hacer cortes seriados que se extienden sobre la superficie de un portaobjetos. A veces, cuando la muestra es muy frágil, es necesario incluirla primero en un medio de soporte que puede ser la parafina o la resina, la que al penetrar y rodear al tejido lo endurece, permitiendo así su corte con mayor facilidad. Otra alternativa ha sido congelar la muestra sin fijarla previamente, para después hacerle los cortes, esto evita la desnaturalización de las proteínas por acción de los fijadores.

Tinción. Consiste en colorear las distintas partes de la célula, ya que aunque se encuentren fijadas y cortadas, las muestras no son muy visibles al microscopio. Para teñirlas se emplean diferentes colorantes orgánicos con cierto grado de espe-cificidad, los cuales tuvieron su origen en la tinción de productos textiles. Entre los colorantes disponibles actualmente se mencionan los siguientes: la hematoxilina se fija a los aminoácidos lisina y arginina de muchas proteínas, y a las moléculas de ADN y ARN, y la eosina que colorea el citoplasma.

A continuación se detallan los pasos del protocolo para la fijación, inclusión y tinción de muestra de tejido animal.

T E M A S S E L E C T O S D E B I O L O G Í A I

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PROTOCOLO PARA LA FIJACIÓN, INCLUSIÓN Y TINCIÓN DE UNA MUESTRA DE PREPARACIÓN FIJA DE TEJIDO ANIMAL

Objetivo

Observar e identificar las estructuras de la célula animal en una preparación fija.

Material

Microscopio óptico•

Estufa •

Microtomo •

Racks de acero inoxidable (contenedor de portaobjetos)•

Pinzas •

Pincel •

Porta y cubreobjetos •

Vasos Couplin (para el xileno)•

Campana de extracción •

Probeta de 100 ml •

Pipetas de Pasteur •

Bulbos de caucho (se adaptan a la pipeta de Pasteur)•

Pipetas graduadas de 5 ml•

Propipetas (para adaptar a la pipeta graduada de 5 ml)•

Vasos de precipitados de 100 ml•

Fijador: formaldehído al 10%•

Serie de alcoholes (70, 80, 90 y 100%)•

Xileno absoluto•

Hematoxilina •

Eosina •

Alcoholácido: alcohol al 70% por 100 ml, agregar un ml de ácido clorhídrico (CHl) • concentrado

Agua amoniacal: un ml de hidróxido de amonio (NH• 4OH) a 400 ml de agua

Solución de montaje base xileno o tolueno•

Parafina•

(Tanto el hidróxido de amonio como el ácido clorhídrico deben manejarse en campana de extracción, ya que emiten vapores tóxicos.)

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