Mapas Animados de Procesos Celulares

Después de conocer los conceptos básicos de la biología en la Unidad I, ahora nos introduciremos en el interior del Metabolismo Celular.

En esta unidad se va a tratar las funciones realizadas por cada organelo celular y sus interrelaciones.

Un innovador del mundo milagroso funcional celular es el Dr. Nicholson.

Donald Nicholson nació en 1916 y se graduó en Química en 1936, obtuvo el doctorado de la Universidad de Londres en 1940. Pasó los años de la guerra como químico en una empresa farmacéutica donde desarrolló la producción de los primeros fármacos antibacterianos sintéticos, sulfonamidas. En 1946 se fue al Departamento de Bacteriología de la Facultad de Medicina de Leeds como becario de investigación ICI en quimioterapia. Allí se vio involucrado en la enseñanza del metabolismo bacteriano en el momento histórico en que las bacterias eran utilizadas para determinar la naturaleza química de la genética y de la vida misma. A medida que más vías del metabolismo eran descubiertas, se dio cuenta de la importancia de su integración al poner las piezas juntas para completar el rompecabezas.

A la edad de 80 años, compró una computadora y creo el primer “Minimaps”. Estos mapas, muestran las rutas metabólicas, la regulación y compartamentalización celular. El Dr. Nicholson está trabajando en lo que él considera el acontecimiento más emocionante de toda su obra-“Animaps”. Estos muestran los movimientos de las moléculas en sus posiciones exactas para alinearse con los sitios activos de las enzimas antes de la reacción. El animaps también muestra los movimientos detallados de los electrones que son una característica de las reacciones químicas. En reconocimiento a su trabajo, Donald Nicholson ha sido galardonado con un doctorado “Honor is causa” en Ciencias y es uno de los miembros especiales de la vida académica de la International Union of Biochemestry & Molecular Biology (IUBMB).

Al igual que el Dr. Donald considero que la manera más viable de entender el metabolismo celular es a través de las imágenes, siguiendo el viejo adagio que una imagen dice más que mil palabras, mostraremos las rutas metabólicas en imágenes.

Origen y evolución del ser humano

Ana Barahona

La biología precede, la cultura trasciende.

Francisco J. Ayala

La especie humana ha evolucionado de otras especies que no eran humanas. Para entender nuestra naturaleza, debemos conocer sus orígenes y su historia biológica. Esta historia ha sido reconstruida con la ayuda de muchas disciplinas científicas: la paleontología, la biogeografía, el estudio comparativo de los organismos vivos, la antropología y en épocas recientes, la biología molecular.

Los seres humanos, las ballenas, las jirafas, los perros, los murciélagos y los monos, entre otros, integramos la clase de los mamíferos, cuyas características distintivas son el tener pelo y alimentar a las crías con leche materna a través de órganos especializados llamados mamas o glándulas mamarias. Dentro de esta clasificación, los seres humanos formamos parte del grupo de los primates, que incluye algunas especies como los gorilas, los orangutanes y los chimpancés. Compartimos con ellos varias características que no tienen otros mamíferos, como uñas planas en los dedos en lugar de garras, manos, el dedo pulgar oponible a los demás y, en el caso de los machos, un pene que cuelga libre, en lugar de estar adherido al abdomen.

Sin embargo, y a pesar de grandes semejanzas, los seres humanos tenemos características biológicas distintivas como el cerebro más grande y la postura erecta que nos permite caminar en dos extremidades; además, la cara plana debido a la reducción de los maxilares, el dedo pulgar oponible más largo (lo que permite mayores habilidades de manipulación como la escritura, el manejo de herramientas, etc.), reducción del vello y cambios en las glándulas de la piel, ovulación críptica (que pasa desapercibida), desarrollo lento, inteligencia (pensamiento abstracto, categorización y razonamiento) y habilidad para hablar más desarrolladas, así como el uso, control y modificación del entorno.

Somos los únicos vertebrados que caminan en dos extremidades, erectos, aunque existen otras especies como las aves que tienen dos patas pero no una postura erecta, debido a que su columna vertebral es horizontal y no vertical, es decir, su cuerpo está inclinado hacia adelante. El tamaño del cerebro es generalmente proporcional al tamaño del cuerpo, con lo cual la especie humana tiene el cerebro más grande y complejo en relación a su masa corporal. Los evolucionistas han discutido mucho si la marcha bípeda (en dos extremidades) posibilitó el tener un cerebro más grande o si fue a la inversa. Con los recientes hallazgos fósiles y el desarrollo de nuevas técnicas moleculares esta discusión se ha resuelto. De hecho ahora se sabe que la marcha bípeda es la adaptación que define a los homínidos, ya que andar en dos patas implicó un cambio en la reorganización de la cadera, piernas, pies y columna vertebral, y provocó el cambio de cientos de músculos y diferencias en el comportamiento. También se sabe que el aumento continuo en la capacidad craneana en el linaje de los homínidos no fue, necesariamente, un efecto directo del cambio en la posición bípeda, pero si una característica adaptativa, es decir, fue seleccionada debido a que le confería a sus portadores mayor control sobre el medio.

Estudiar estas semejanzas y diferencias ha permitido a los científicos contar con una explicación de nuestra evolución. Esta reconstrucción histórica se ha basado principalmente en los fósiles encontrados en África, Asia y Europa, complementados con los recientes estudios moleculares del genoma humano.

La historia

Como ya dijimos, nuestra especie, Homo sapiens, pertenece al grupo de los primates, que han estado asociados con las selvas de tipo tropical casi desde su origen en el Cretácico, hace más de 65 millones de años, donde aparecieron algunos pequeños mamíferos que vivían en los árboles. A los humanos se nos clasifica entre los hominoideos, donde se incluyen los llamados simios antropomorfos (de forma humana) como los chimpancés, los gorilas, los orangutanes y los gibones. De éstos, nuestros parientes más cercanos son los chimpancés, luego los gorilas, y mucho más alejados los orangutanes y gibones. Los hominoideos florecieron en el Mioceno, entre 25 y 5 millones de años atrás. Nuestro antepasado más antiguo, que fue descubierto apenas en 1994, Australopithecus ramidus,apareció entre cinco y siete millones de años atrás en África, y marca la separación de nuestro linaje del de los chimpancés.

Los individuos de esta especie vivían en las selvas y llevaban un tipo de vida parecido al de los chimpancés, no es completamente seguro que caminaran erguidos y su estatura era de aproximadamente 1.20 m. Los dientes de los bebés de esta especie son más parecidos a los dientes de un chimpancé adulto que a los de la especie humana. Posteriormente, hace 4.4 millones de años aproximadamente, aparecieron los individuos pertenecientes a la especie conocida como Australopithecus anamensis, descrita en 1995 a partir de restos fósiles encontrados en Kenia. A. anamensis presenta una mezcla entre un cráneo primitivo y características avanzadas en el cuerpo. Por ejemplo, los dientes y las mandíbulas son similares a los de otros monos. Sin embargo, la forma de la tibia sugiere la bipedalidad, y el húmero es muy parecido al del ser humano.

La raíz originaria

De A. anamensis se separa Australopithecus afarensis, que es una especie muy conocida gracias al descubrimiento de los restos fósiles de una hembra en el desierto de Afar en Etiopía, que vivió entre 3.9 y 3.5 millones de años atrás, a la que bautizaron con el nombre de Lucy en 1978. De los estudios de los restos fósiles ahora sabemos que estos individuos medían cerca de 1.5 m de estatura, tenían marcha bípeda, brazos largos, pómulos salientes y grandes mandíbulas debido a su especialización en alimentos duros, cejas bajas y un cerebro pequeño, aunque mayor que el de sus ancestros, con una capacidad de entre 375 y 550 centímetros cúbicos (cc). El cráneo es muy similar al de un chimpancé, excepto por los dientes que parecen más humanos. Los caninos son más pequeños que los de los monos, pero más grandes y puntiagudos que los de los humanos. Sin embargo, la pelvis y los huesos de las piernas se parecen más a los del hombre moderno, adaptados a la caminata más que al trote. Este hallazgo causó conmoción en 1978, durante su presentación en el bicentenario de la muerte de Carolus Linnaeus —gran científico sueco que en 1758 estableció el sistema de clasificación y denominación sistemática de todos los organismos vivos—. Hasta ese momento se pensaba que los restos fósiles de Homo habilis, descubiertos por Louis Leakey en 1964 y datados en 2.4 millones de años, eran los más antiguos en nuestra genealogía, sin embargo, el hallazgo de Lucy hizo pensar en un origen mucho más remoto y en palabras de Johanson, su descubridor, "Lucy era la antecesora de todos los homínidos posteriores, la raíz originaria de todos los seres humanos".

A. afarensis, con el tiempo dio lugar a otras dos ramificaciones, por un lado Australopithecus africanus, que se extinguió, y por el otro a Homo habilis, que se calcula apareció entre 2.4 y 1.5 millones de años atrás, cuyos restos sólo han sido encontrados en África y asociados con herramientas de piedra. Éste es el primer representante del género al que pertenece elHomo sapiens. Los individuos de H. habilis eran muy similares a los australopitecinos, aunque con una capacidad craneana mayor, que varía entre 500 y 800 cc. Se presume que su estatura pudiera haber sido de 1.27 m y su peso de unos 45 kg.

la biología evolutiva

Las investigaciones en torno a la evolución de las especies en el tiempo han permitido entender mejor nuestra presencia como especie biológica y el papel que hemos desempeñado como depredadores de la naturaleza y el de la cultura como motor de nuestro desarrollo.
La biología evolutiva contemporánea es una disciplina unificadora y central en el conocimiento biológico, pues da sentido a todas las ramas de esta ciencia y a la información que generan. Los orígenes de esta disciplina pueden trazarse hacia 1859, cuando se publicó El origen de las especies de Charles Darwin. En este libro Darwin propuso la evolución de las especies por selección natural, es decir, a través de cambios lentos y graduales en las poblaciones a lo largo de grandes períodos de tiempo como consecuencia de la adaptación de los seres vivos a su ambiente. Dentro del esquema darwiniano, concebida desde su origen pero publicada hasta 1871 bajo el nombre de El origen del hombre (The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex), la idea de la pertenencia de la especie humana al reino animal y emparentada con los primates o monos estaba ciertamente incluída. Este concepto fue responsable de muchos debates durante la segunda mitad del siglo XIX, pero sin lugar a dudas en la actualidad es casi universalmente aceptado.

La transición

A partir de estos homínidos apareció en África el Homo erectus, el cual rápidamente se extendió hacia otros continentes. Se han encontrado fósiles en África, Asia y Europa, con los cuales los científicos suponen que H. erectus vivió entre 1.8 millones y 300 mil años atrás y que probablemente usaba fuego y herramientas más sofisticadas que H. habilis. Al igual que sus ancestros, H. erectus presenta una cara con mandíbulas pronunciadas y grandes molares, con una capacidad craneana entre 750 y 1 225 cc. Los esqueletos son más robustos que el del hombre moderno, lo cual está relacionado con su gran fuerza. Representantes de esta especies son el Niño de Turkana y el Hombre de Pekín.

La transición entre H. erectus y H. sapiens ocurrió en algún momento hace 400 mil años. Se sabe que algunas poblaciones de H. erectus coexistieron con H. habilis en Asia, China y Java. También se sabe que algunos representantes de Homo neanderthalensis aparecieron en Europa hace 200 mil años y vivieron hasta hace 30 mil o 40 mil años. Los neandertales tenían, igual que los humanos modernos, grandes cerebros y hasta hace poco tiempo los científicos pensaban que eran nuestros ancestros. Sin embargo nuevas evidencias moleculares indican que los sapiens y los neanderthalensis nunca se cruzaron entre sí.

Además la evidencia fósil indica que los Homo sapiens aparecieron hace cerca de 100 mil años, mucho antes de la desaparición de los neandertales. H. Erectus y H. neanderthalensisdesaparecieron sin dejar rastro hace aproximadamente 30 mil años.

¿Nuevo pariente?

En el número correspondiente a marzo del 2001 de la prestigiosa revista Nature, se describen los restos fósiles de un nuevo género de homínido, el Kenyanthropus platyops, descubierto por Meave Leakey y sus colaboradores. Su nombre es un reconocimiento a la contribución de Kenia en la elucidación de la evolución humana, y de las raíces griegas platus, que significa plano, y opsis que significa cara. La antigüedad de los fósiles se ha calculado entre 3.5 y 3.2 millones de años. Sin embargo, su localización en el linaje de los homínidos es incierta debido a que comparte características con otras especies como A. anamensis y A. afarensis(cerebro pequeño del tamaño de un chimpancé, márgenes nasales planos, etc.), pero presenta características nuevas que lo distinguen de las demás especies (cara grande con dientes pequeños). La naturaleza de Kenyanthropus plantea algunas preguntas acerca de la evolución humana en general y del comportamiento de estas especies en particular. Se puede pensar que la evolución de los homínidos, como la de otros mamíferos, ocurrió por una serie de lo que en biología se conoce como radiaciones, donde muchas especies evolucionaron y se diversificaron rápidamente. Se puede pensar incluso que entre 3.5 y 2 millones de años atrás coexistieron muchas especies de homínidos, adaptadas a diferentes ambientes aunque aún no sepamos por qué. Las investigaciones continuarán y en los siguientes años podremos saber si Kenyanthropus pertenece o no al árbol familiar de los humanos.

Capaces de entender

Los seres humanos actuales somos descendientes de los primeros Homo sapiens, cuyo nombre significa "hombre inteligente" u "hombre capaz de entender". Se sabe que ya hace 40 mil años, el Hombre de Cro-Magnon (cuyo nombre se debe al lugar donde fueron encontrados sus restos en Francia) usaba armas y herramientas hechas de piedras, huesos y cuernos, contaba con una organización social y vivía de la caza. Cuidaba a sus heridos y enfermos y comúnmente enterraba a los muertos con comida, armas y en algunas ocasiones flores. También poseía un lenguaje para comunicarse y hacía grabados y pinturas en las paredes de las cuevas, los cuales aún se conservan en algunos lugares de Europa.

El ser humano moderno se estableció en toda Europa, parte de Asia y emigró hacia América del Norte hace aproximadamente 22 a 13 mil años, cuando se formó un puente de hielo que conectó Alaska con Siberia en el estrecho de Bering. Se calcula que hace 10 mil años cerca de cinco millones de seres humanos poblaban la Tierra, al mismo tiempo que surgía la agricultura. Con el desarrollo y diseño de nuevas herramientas, el aumento de las formas de comunicación y el establecimiento de nuevos poblados, los seres humanos colonizaron casi todos los lugares del planeta volviendo superfluas las diferencias físicas debido a su capacidad para fabricar ropa y viviendas para protegerse del calor o el frío.

La cultura

Hemos hablado de los pasos más importantes de la evolución biológica de los seres humanos. Sin embargo, hay que añadir que también nos distinguen de nuestros antepasados directos diferencias no biológicas a las que podemos llamar culturales, y que son típicamente humanas, como la fabricación de herramientas, el lenguaje simbólico, el saber que nos vamos a morir algún día, una organización social basada en la división del trabajo, el desarrollo de una capacidad moral y el establecimiento de relaciones afectivas más profundas y variadas. La cultura es una característica que incluye también a las instituciones políticas y sociales, al arte, la ciencia y la literatura, y en general todas las creaciones de la mente humana. Así, se habla de la evolución cultural, una manera superorgánica de evolución, y que en los últimos milenios ha devenido en el modo dominante de la evolución humana.

Para muchos científicos, la evolución cultural se debe tanto a los cambios culturales como a su herencia. Esta última es una característica especial del ser humano para adaptarse al medio y transmitir esos conocimientos a las generaciones siguientes. La herencia cultural se basa en la transmisión de la información a través de un proceso de enseñanza-aprendizaje (imitación, libros, periódicos, radio, televisión, etc.) que es independiente del parentesco biológico. Los científicos apuntan que en los últimos milenios los seres humanos han adaptado el ambiente a sus genes con más frecuencia que sus genes al ambiente. Es por esta razón, la aparición de la cultura como una forma superorgánica de adaptación, que los humanos se han convertido en la especie de mamíferos más extendida y más exitosa del planeta.

El fraude de Piltdown

Los hacedores de la ciencia, por el solo hecho de serlo, no escapan del lado oscuro de la naturaleza humana. Celos, envidias, odios, venganzas y resentimientos han manchado más de una página de su historia.
Una de ellas, relacionada con los orígenes del hombre, sucedió hace casi un siglo, cuando en 1908 el paleontólogo aficionado inglés Charles Dawson encontró fragmentos fósiles de un supuesto homínido en Piltdown, una región localizada en la parte este de Sussex, Inglaterra. Dawson comunicó el hallazgo a su amigo y colega, el paleontólogo Arthur Smith Woodward, director del departamento de geología del British Museum of Natural History, quien tenía una excelente reputación y era muy respetado en la comunidad científica.
Mientras paleontólogos europeos realizaban importantes hallazgos de restos fósiles de los ancestros del hombre en Europa y Asia, los ingleses habían encontrado sólo algunos instrumentos de piedra extremadamente rudimentarios. Woodward tenía la hipótesis de que quienes elaboraron esas herramientas debían ser homínidos inteligentes con una gran capacidad craneana, pero con características parecidas a las de los primates, si bien no tenía evidencia que la sustentara. Así, el hallazgo de Piltdown le cayó a Woodward como anillo al dedo.
Para 1912 Dawson, Woodward y un equipo de paleontólogos habían encontrado restos de un cráneo, la mayor parte de una mandíbula y algunos dientes en el yacimiento de Piltdown. Su reconstrucción indicaba que se trataba de un homínido nuevo, aún desconocido para la ciencia, que presentaba una mezcla de características de primate y de ser humano, exactamente como lo predijo Woodward.
El anuncio del hallazgo causó un gran revuelo en su época, tanto dentro de la comunidad científica como entre el público. Los periódicos locales hablaban del descubrimiento, para su fortuna localizado en territorio inglés, del "eslabón perdido" y éste sirvió para dar un gran empuje a la comunidad paleontológica británica.
Sin embargo, paleontólogos de otros países se mostraron escépticos. Algunos pensaban que podía tratarse del cráneo de un humano y la mandíbula de un primate, unidos accidentalmente en el mismo sitio. En todo caso, señalaron que era necesario encontrar más fósiles para poder tomarlos en cuenta.
La controversia continuó y en 1917, un año después de la muerte de Dawson, Woodward anunció que su colega había encontrado poco tiempo antes de morir otro cráneo en Piltdown. Este nuevo descubrimiento logró convencer a muchos opositores y una gran cantidad de trabajo se invirtió para tratar de entender la evolución humana basada en estos fragmentos.
Conforme pasó el tiempo y las piezas del rompecabezas de la evolución del ser humano se iban colocando en su sitio, los hallazgos de Piltdown no encajaban en ningún lado. Fue hasta 1953 cuando J. S. Weiner, un antropólogo físico de la Universidad de Oxford, decidió volver a estudiar el caso. Le llamó la atención la falta de información recabada en el yacimiento, un hecho muy extraño tratándose de paleontólogos de la talla de Woodward. Weiner examinó los restos fósiles originales y al analizar los dientes al microscopio descubrió que estaban pulidos con una lima. Decidió entonces, pulir dientes de chimpancé y el resultado fue idéntico. Los otros huesos habían sido cubiertos con una solución de hierro que les daba la apariencia de ser muy antiguos, pero por dentro eran blancos, lo que indicaba que eran de una época mucho más reciente. Después de varios estudios, se determinó que se trataba de huesos de un elefante y de un hipopótamo. A la fecha no se ha determinado con exactitud quién fue el culpable de este fraude.
Martha Duhne Backhauss

La doctora Ana Barahona trabaja en el Departamento de Biología Evolutiva de la Facultad de Ciencias de la UNAM y es coautora de más de 10 libros, entre los que destacan los libros de texto nacionales de primaria de ciencias naturales de la SEP.

El hombre decide su destino biológico

Arranca el debate sobre la modificación del genoma humano. Una nueva técnica simple y barata pone el gran tabú a tiro de cualquier laboratorio de genética

• GRÁFICO La evolución deja de depender del azar
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• La vida lleva 4.000 millones de años despuntando, medrando y bregando para resistir a la catástrofe, venciendo los lastres del pasado e imaginando los futuros posibles, aventurándose y sobreviviendo. Pero en toda la historia del planeta nunca había ocurrido esto: que una criatura de la evolución tome las riendas de su propio destino biológico. Parece increíble, pero los científicos creen que ya hemos alcanzado ese punto, y que por tanto no tenemos más remedio que ponernos a pensar –con toda la profundidad que esté a nuestro humilde alcance— en el abismo conceptual que se abre ante nosotros. Podemos considerarnos afortunados, al menos como testigos de la historia a escala cósmica.
  La gran novedad no puede tener una denominación más decepcionante: crisp, el nombre inglés de las patatas fritas de bolsa. En realidad son unas siglas –las entenderemos más abajo— que designan una nueva técnica para modificar los genomas, una técnica tan simple, barata y eficaz que pone por primera vez a nuestro alcance la posibilidad de reescribir el código genético humano: en las células enfermas del cuerpo, sí, pero también en los óvulos y espermatozoides que determinan el destino de nuestros hijos, de los hijos de nuestros hijos y de todo el linaje que emergerá de ellos. Un pasaporte al futuro.
  
  

  El fin de usar esta técnica sería curar enfermedades genéticas en la línea germinal, es decir, no ya en el propio enfermo, sino en sus hijos y el resto de su descendencia futura
  Los científicos más directamente implicados en este avance se reunieron el 24 de enero en el Foro IGI de Bioética, en Napa, California, organizado por la Innovative Genomics Initiative (IGI) de la Universidad de California (en sus sedes de Berkeley y San Francisco). Su objetivo no era tanto confirmar las inmensas posibilidades de la nueva tecnología de modificación genómica –todos ellos las tenían ya muy claras— como examinar con espíritu autocrítico sus riesgos y desarrollos imprevistos, en un intento de poder atajarlos ahora que están a tiempo. El premio Nobel David Baltimore y otra veintena de investigadores presentan enScience las conclusiones de la reunión.
  “La promesa de la llamada ‘medicina de precisión’ viene impulsada por la sinergia entre dos poderosas tecnologías”, explican Baltimore y sus colegas. La primera es bien conocida: el exponencial desarrollo y abaratamiento de la secuenciación (lectura) de ADN, que ha aportado ya la mayo parte de la información esencial sobre los cambios genéticos que estimulan el desarrollo de las enfermedades. La segunda es crisp.
  Crisp son las siglas de clustered regularly interspaced short palindromic repeats, cuya traducción no ayuda mucho: cortas repeticiones palindrómicas agrupadas y espaciadas regularmente. Se trata de una secuencia de ADN bacteriano muy especial, con tramos cortos que se repiten a intervalos regulares y que se leen igual aunque tengan la orientación invertida (es decir, palíndromos, comoreconocer o sometemos, pero en el lenguaje del ADN).
  Estas secuencias se comportan en la naturaleza como verdaderosnanoingenieros genéticos: son capaces de incorporar genes extraños, como los de un virus, y de someterles luego a una variedad de servidumbres, como activarlos, reprimirlos o introducirlos en otro lugar del genoma. Las bacterias utilizan crisp como un sistema de defensa contra virus: integran sus genes y los utilizan contra el propio agente invasor. Pero los genetistas han aprendido a usar crispcomo un vehículo para sustituir, corregir o modificar el genoma de cualquier animal.
  
  

  El método ha sido probado con éxito en ratones y monos, y por tanto los científicos creen que es hora de estudiar si tiene utilidad médica para los humanos
  El método crisp ha sido probado con éxito en ratones y monos, y por tanto los científicos creen que es hora de estudiar si tiene utilidad médica para los humanos. En concreto, para curar enfermedades genéticas en la línea germinal, es decir, no ya en el propio enfermo, sino en sus hijos y el resto de su descendencia futura. De momento, esto es ilegal en todos los países que han regulado la embriología humana, que son todos los que tienen la capacidad técnica necesaria. Baltimore y sus colegas creen que es hora de debatir los aspectos éticos y legales para promover las reformas legales pertinentes. O para no hacerlo, si se decide que los riesgos no compensan a los beneficios.
  El premio Nobel y los demás expertos son explícitos en sus recomendaciones: asegurar que los experimentos no se intenten en algún país con regulaciones demasiado laxas; discutir en foros científicos, bioéticos y gubernamentales las implicaciones sociales, éticas y ambientales; promover la transparencia del debate y la información pública “sobre esta nueva era de la biología humana”; acordar internacionalmente un grupo representativo de expertos en genética, industria, derecho y bioética.
  “La confianza pública en la ciencia”, aseguran Baltimore y sus colegas, “requiere transparencia en tiempo real y discusión abierta”. Que se siga ese consejo sería también una importante novedad.
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ATP ( adenosin trifosfato)

1. Concepto

Aunque son muy diversas las biomoléculas que contienen energía almacenada en sus enlaces, es el ATP (adenosín trifosfato) la molécula que interviene en todas las transacciones de energía que se llevan a cabo en las células; por ella se la califica como "moneda universal de energía".

El ATP está formado por adenina, ribosa y tres grupos fosfatos, contiene enlaces de alta energía entre los grupos fosfato; al romperse dichos enlaces se libera la energía almacenada.
En la mayoría de las reacciones celulares el ATP se hidroliza a ADP, rompiéndose un sólo enlace y quedando un grupo fosfato libre, que suele transferirse a otra molécula en lo que se conoce como fosforilación; sólo en algunos casos se rompen los dos enlaces resultando AMP + 2 grupos fosfato.
El sistema ATP <-> ADP es el sistema universal de intercambio de energía en las células.

 2. Hipótesis Quimiosmótica

Según la hipótesis quimiosmótica sostenida por el investigador P. Mitchell, que es la que goza de mayor prestigio, y puede además explicar la síntesis de ATP tanto en la mitocondria como en el cloroplasto. La energía liberada por el transporte de electrones se utiliza para bombear protones desde la matriz al espacio intermembrana (en mitocondrias); o desde el estroma al interior del tilacoide (en cloroplastos). El bombeo de protones se realiza a través de transportadores localizados en complejos enzimáticas existentes en la membrana (de las crestas mitocondriales o membrana tilacoidal, según el caso).

De esta manera se genera un gradiente electroquímico de protones que ejerce lo que se conoce como fuerza protonmotriz, ya que cuando los protones atraviesan de nuevo la membrana interna (mitacondrial o tilacoidal) a favor del gradiente, lo hacen a través del sistema ATP-sintetasa, que se encuentra en dichas membranas, donde la energía protonmotriz se transforma en energía de enlace en moléculas de ATP.

El proceso se podría comparar con este símil: El flujo de protones cumple el papel de transductor de energía, del mismo modo que el vapor que suministra una caldera puede utilizarse para generar energía eléctrica: el calor aplicado a la caldera (flujo de electrones) calienta el agua y forma vapor de agua (gradiente electroquímico de H+), cuya presión (fuerza protonmotriz) se puede acoplar a las turbinas de un generador eléctrico (ATP sintetasa) para producir electricidad (ATP).

3. ATP, Sustancia Clave en la Liberación de Energía:

La contracción muscular (esquelética) sólo es posible utilizando la energía que es liberada al descomponerse el ATP (Adenosintrifosfato) bajo la acción de una enzima (ATPasa). En presencia de la ATPasa el ATP se descompone en ADP (Adenosindifosfato) más P (Fósforo) más ENERGIA (de esta última, una parte se utiliza al realizar trabajo y otra parte variable en su magnitud se pierde en forma de calor).

Las reservas de ATP en los músculos, apenas alcanzan para unas cuantas contracciones. Estas reservas deben ser mantenidas por generación continua de ATP, fenómeno que ocurre gracias a la combustión de los alimentos en presencia de oxígeno. En trabajos un poco más prolongados el músculo dispone de otro fosfato rico en energía (Creatinfosfato), que al desdoblarse libera Energía y reconstituye el ADP en ATP.

Esa energía almacenada (como ATP y Creatinfosfato) puede compararse por analogía con la batería de un automóvil, ella alcanza para iniciar el trabajo muscular, pudiendo realizarse con esa energía almacenada trabajo durante 5 a 8 segundos. Esto puede ser suficiente para actividades deportivas como lanzamiento de disco, de martillo, salto alto, salto largo, etc., pero no para actividades musculares que duran más alla del tiempo mencionado, a menos de que este sistema (o reserva energética) sea nuevamente llenado.

La forma más efectiva para lograr este relleno energético es mediante la combustión de sustancias ricas en energía (el papel principal lo tiene la glucosa). Sin embargo, cuando esto no es suficiente; entonces se pone en marcha el mecanismo de disposición de energía por la vía anaeróbica acompañada de la formación de ácido láctico. Lo cual ocurre en tres condiciones:
a) Al inicio del trabajo muscular, el proceso de combustión requiere de un intervalo de tiempo para ponerse a plena marcha.
b) El lactato siempre se forma en cargas dinámicas altamente intensivas (carrera de 400 mts).
c) La forma típica de carga que acompaña a la liberación de energía con predominante formación de ácido láctico es la carga de fuerza (desarrollo y mantenimiento de fuerza). caso del trabajo estatico.

En este caso el músculo se contrae (desarrolla tensión sin acortamiento), lo cual eleva la presión en el tejido muscular, esto comprime los vasos sanguíneos que conducen la sangre arterializada (rica en oxígeno) hacia el músculo. Este tipo de trabajo muscular bloquea el suministro de oxígeno y por lo tanto la combustión de sustancias ricas en energía (glucosa) se torna imposible.

4. Estrés Oxidativo y Nutrición

Las reacciones de óxido reducción tienen una amplia distribución en la naturaleza, y las células de nuestro organismo no están ajenas a estos procesos; muy por el contrario la transformación de los alimentos en sustratos más simples, de los cuales es posible obtener energía, involucra reacciones químicas de óxido reducción. Durante el proceso de respiracióncelular se consume oxígeno, y se genera ATP (adenosin trifosfato), quedando como productos dióxido de carbono y agua. Sin embargo, durante esta normal transformación se producen también otras moléculas residuales, las especies reactivas del oxígeno o radicales libres.

Los radicales libres son átomos o moléculas inestables, altamente reactivas que atacan los enlaces de proteínas de los tejidos, los fosfolípidos poliinsaturados de las membranas celulares, carbohidratos, y los ácidos nucleicos de las células. Al actuar, se activa una reacción en cadena que podría incluso llevar a la muerte de la célula.

5. Las Metas para Controlar el Colesterol

Este año (2001) se produjo el tercer reporte del panel de expertos sobre detección, evaluación y tratamiento del colesterol sanguíneo elevado en adultos, llamado más comunmente ATP (por sus siglas en inglés).
Este reporte actualiza la guía clínica del Programa Nacional de Educación en Colesterol de los Estados Unidos de América, guía que tradicionalmente es una importante fuente de consulta para la mayoría de los médicos latinoamericanos.
El ATP hace énfasis en en el tratamiento estricto para controlar el colesterol que debe seguir el paciente con enfermedad cardiaca coronaria establecida (quien ha sufrido de un infarto cardíaco, por ejemplo) y propone un especial enfoque para aquellas personas con alto riesgo de sufrir de enfermedad cardiaca coronaria porque presentan múltiples factores de riesgo.

El reporte propone que a todo adulto mayor de 20 años se le mida las concentraciones de:

• Colesterol total
• Colesterol LDL (colesterol en lipoproteínas de baja densidad)
• Triglicéridos
• El colesterol HDL (colesterol en lipoproteínas de alta densidad) puede calcularse a partir de los anteriores datos

Debe realizarse en completo ayuno y repetirse una vez cada 5 años si el colesterol total es menor de 200 mg/dl. ó el colesterol HDL es mayor de 40 mg/dl. En caso contrario deberá hacerse un seguimiento de acuerdo a la importancia de cada caso en particular.

6. Como los Nutrientes se Relacionan con la Performance Atletica

La energía es el combustible utilizado para alimentar músculos, huesos, nervios, órganos y todas las actividades metabólicas del organismo. La energía se obtiene de tres fuentes primarias: carbohidratos, grasas y proteínas. Estos nutrientes proveen la energía química en forma de ATP (adenosintrifosfato), permitiendo la contracción de los músculos durante la actividad física.

En descanso y durante actividad de baja intensidad y larga duración (aeróbica) como "endurance" o "trekking" (la prueba completa es un ejercicio aeróbico con picos de anaeróbico) el metabolismo del músculo se alimenta de grasa como fuente principal de energía. En el ejercicio aeróbico, que requiere oxígeno el caballo quema grasa y gasta glucógeno mientras lleva a cabo un trabajo lento, de baja intensidad que puede durar largo tiempo.

El adenosintrifosfato(ATP) se produce en el metabolismo de las grasas, glucógeno y proteína, para proveer energía para la contracción muscular. A medida que crece la intensidad del ejercicio, aumenta la utilización de carbohidratos. En ejercicio de alta intensidad y poca duración (anaeróbico) como carreras de velocidad, carreras de tambores y "cutting" la fuente primordial de energía son los carbohidratos provenientes del glucógeno muscular y no se requiere oxígeno. El ejercicio anaeróbico tiene que ver con alta intensidad en períodos breves. Sin embargo, como se gastan las reservas de glucógeno del músculo en el ejercicio anaeróbico, la glucosa de la sangre será utilizada. La oxidación de la proteína se hace también importante. Sin embargo, la proteína no es el combustible más importante, ni el mas eficiente

7. La Evolución de las Proteínas

Proteína (protos) significa lo primero, lo inicial. Proteo, dios marino de la mitología griega, tenía la capacidad de cambiar de forma cuando quería. Las proteínas son macromoléculas orgánicas formadas por aminoácidos. Toda vida tiene su origen en este principio molecular primigenio y versátil. Desde hace 4 mil millones de años vivimos en la era de las proteínas. Prácticamente todas las funciones que los seres vivos realizan son llevadas a cabo por proteínas (enzimas, anticuerpos, algunas hormonas y toxinas, etcétera). Existen unas 3 mil proteínas distintas en una bacteria, y cerca de 40 mil en un ser humano.

El proceso evolutivo ha estado presente en todos los aspectos del universo: los simples átomos de hidrógeno se fusionaron para transmutarse en helio, carbón, hierro y los demás elementos químicos; las estrellas y las galaxias también evolucionan; los elementos se combinaron para formar desde moléculas simples hasta complejas macromoléculas; los seres vivos más sencillos dieron lugar a organismos complejos y las aldeas primitivas se convirtieron en megalópolis. Las proteínas también evolucionan.

La función de una proteína está determinada por su estructura estereo-química, es decir, por el arreglo de sus átomos en el espacio. En teoría podría haber infinidad de arreglos posibles, pero uno de los hallazgos recientes más importantes en bioquímica es que solo existen unas pocas estructuras estereo-químicas básicas. Se cree que estas estructuras básicas corresponden a proteínas ancestrales que dieron origen a todas las proteínas actuales. Sería difícil exagerar la importancia de este concepto que da las bases para entender la relación estructura-función de las proteínas, para el diseño de proteínas nuevas, y para estudiar la evolución molecular y biológica en tiempos tan remotos que ningún otro enfoque permitiría.

Como producto del proyecto de investigación doctoral de Katy Juárez López, realizado en el laboratorio del doctor Enrique Morett, del Instituto de Biotecnología de la UNAM, apareció en la revista Proceedings of The National Academy of Science (vol. 97, marzo 28) el artículo "Evolución recíproca de los dominios de un transactivador en un espacio de secuencia restringido".

En su compleja estructura, una proteína contemporánea cuenta con secciones específicas, llamadas dominios, que conjuntamente proveen la función global de la proteína. Algunos de estos dominios pueden acoplarse, cual engranes de una rueda dentada, a las secuencias de ADN activando sus genes; otros realizan funciones catalíticas o permiten la transferencia de energía, mediante el rompimiento de un enlace fuerte del ATP (adenosin trifosfato). Hasta ahora se daba como un hecho que el acoplamiento de un "switch" molecular como NifA con su ADN debía ser muy preciso para desencadenar reacciones de síntesis (activación), pero las investigaciones realizadas por Katy Juárez con el ADN demuestran la posibilidad de responder a una mutación que afecta la precisión de ensamble, aumentando su función activadora. Alternativamente, un enlace débil con el ADN pudo haber sido seleccionado en respuesta a una desfavorablemente elevada función de activación. Esto nos indica que ha habido procesos de diferenciación estructural y evolutiva de los dominios iniciales. Una proteína puede mantener su capacidad óptima balanceando dinámicamente las actividades de sus diferentes dominios. A este proceso se le denominó "evolución recíproca de dominios".

8. Sustancias de Interés Biológico

Las sustancias que constituyen los seres vivos presentan una enorme variedad, aunque en su gran mayoría son compuestos del carbono, con estructuras moleculares complejas. Sin embargo, esta variedad de moléculas orgánicas es consecuencia de las combinaciones de un número reducido de moléculas sencillas que se unen entre sí para dar origen a largas cadenas.
Los cuatro grupos principales de macromoléculas que constituyen los seres vivos son: proteínas, polisacáridos, lípidos y ácidos nucleicos. Cada uno de estos grupos cumple una función específica en todas las células.

1. Las proteínas son las macromoléculas más abundantes en el interior de las células, constituyendo el 50 % o más de su peso seco. Unas tienen funciones estructurales en las células y otras, actividades catalíticas específicas.
2. Los polisacáridos son almacén energético y cumplen funciones estructurales extracelulares.
3. Los lípidos también cumplen dos funciones principalmente: son constituyentes de membranas celulares y almacenes ricos en energía.
4. Los ácidos nucleicos actúan almacenando y transmitiendo la información genética.

Dentro de las funciones de los acidos nucleiros tenemos la secuencia de bases del ADN se guarda la información que permite la biosíntesis de las proteínas, determinando la secuencia de aminoácidos. Esta información se denomina código genético.

La estructura de doble hélice permite la duplicación del ADN al abrirse las cadenas y poderse copiar, a partir de cada una, otra con idéntica estructura. Esta propiedad del ADN es la base de la reproducción de los seres vivos.
El ARN participa en la síntesis de proteínas, siendo un intermediario que se crea a partir del ADN.
EL ADENOSINTRIFOSFATO (ATP) se conoce como la «moneda energética» de la célula, ya que los enlaces entre los fosfatos son muy ricos en energía. Cuando se rompen estos enlaces se desprende gran cantidad de energía. De la misma manera, si en un proceso metabólico (por ejemplo, en la glucólisis) se desprende energía, ésta es captada en forma de ATP para su posterior utilización.

Esquema de la Organización Mitocondrial:

El alimento que comemos se oxida para producir electrones de alta energía que se convierten en energía almacenada. Esta energía es almacenada en enlaces fosfato de alta energía, en una molécula llamada adenosin trifosfato o ATP. El ATP proviene de convertir el adenosin difosfato o ADP , mediante la adición de un grupo fosfato con un enlace alta energía. Varias reacciones en la célula pueden o utilizar la energía (en este caso el ATP se convierte en ADP liberando el enlace de alta energía), o producirla (en donde el ATP se produce a partir del ADP.

9. Pasos desde la Glicólisis a la cadena de transporte de electrones. ¿Por qué la Mitocondria es Importante?

Repasemos los pasos de tal manera que se pueda ver como el alimento se transforma en paquetes de energía de ATP y agua. El alimento que ingerimos debe convertirse en los metabolitos básicos que la célula puede utilizar. Por ejemplo el pan (que contiene carbohidratos), debe sufrir la acción de las enzimas digestivas (en el borde del intestino o en la luzintestina) para convertirse en unidades de carbohidratos simples que hemos llamado glucosa. La glucosa debe absorberse y luego debe entrar en la célula mediante moléculas especiales en la membrana celular, que hemos denominado "transportadores de glucosa".

Una vez dentro de la célula la glucosa es procesada (se hacen moléculas mas pequeñas) para hacer ATP por dos vías. La primera vía no requiere oxígeno y es llamado el metabolismo anaerobio. Esta vía es llamada glicólisis y se lleva a cabo el citoplasma, fuera de la mitocondria. Durante la glicólisis de la molécula original de glucosa (6 carbonos) se obtienen dos moléculas de piruvato ( 3 carbonos cada una) (gluco – dulce, lisis-cortar). Otros alimentos como las grasas pueden también ser degradados ("cortados") para ser utilizados como combustible. Cada reacción ha sido diseñada algunos iones de hidrógeno (electrones), que pueden utilizarse para hacer paquetes de energía (ATP). Sin embargo sólo 4 moléculas de ATPs pueden ser hechas a partir de glucosa mediante esta vía (glicólisis). Por esto la mitocondria y el oxígeno son tan importantes. Necesitamos continuar con el proceso de degradación con el ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos, dentro de la mitocondria, para sí conseguir suficiente ATP para que la célula pueda efectuar todas sus funciones.

Los eventos que ocurren dentro y fuera de la mitocondria son dibujados en el diagrama anterior. Piruvato es llevado dentro de la mitocondria, y allí convertido a Acetil Co-A, el cual entra al ciclo de Krebs. La primera reacción produce dióxido de carbono, CO2, puesto esta reacción involucra la remoción de un carbono del piruvato.

10. Cadena de Transporte de Electrones

La tercera bomba en la serie cataliza la transferencia de electrones al oxígeno para hacer agua. Este bombeo quemiosmótico crea un gradiente electroquímico de protones a través de la membrana, el cual es utilizado para potenciar "la maquina productora de energía", o sea a la Sintasa de ATP . .Esta moléculas se encuentra en la pequeñas "partículas elementales"que se proyectan desde la cresta. La ilustración de abajo muestra una partícula elemental

Como se mencionó arriba, este proceso requiere oxígeno, por lo cual se llama "metabolismo aeróbico". La ATP Sintasa utiliza la energía del gradiente de iones hidrógeno (también llamado protón), para hacer ATP a partir de ADP y fosfato. También se produce agua a partir del oxígeno e hidrógeno. Así cada compartimiento en las mitocondrias se especializa en una fase de estas reacciones.

Diagrama de la Sintasa del ATP: 
Revisemos el NAD y FAD remueven electrones que se donan durante algunos de los pasos del cilco del ácido cítrico o de Krebs. Luego ellos llevan los electrones a las bombas de transporte de electrones y donan los electrones a las bombas, así el NAD y el FAD se "oxidan" puesto que ellos pierden iónes hidrógeno que donan a las bombas. Luego las bombas transportan los iones hidrógeno al espacio entre las dos membranas donde alcanzan una concentración suficientemente alta como para servir de combustible a las bombas de ATP. Con suficiente combustible, las bombas "fosforilan"el ADP . Entonces así es como la oxidación"está acoplada con la "fosforilación".

Los hidrógenos que son bombeados nuevamente a la matrix mitocondrial por la bomba de ATP se combinan con el oxígeno para hacer agua. Y esto es muy importante, por que sin oxígeno, los iones de hidrógeno se acumularían, y el gradiente de concentración requerido para correr las bombas de ATP no seria posible. Y por lo tanto no podría trabajar la bomba de ATP.

Por qué Necesitamos a la Mitocondria:
La idea detrás del proceso es obtener el máximo posible de ATP de la glucosa (y de otros productos alimenticios). Si no tenemos oxígeno, por cada molécula de glucosa sólo obtendremos 4 moléculas de ATP – los paquetes de energía (en la glicólisis). Sin embargo, cuando tenemos oxígeno, podemos correr el ciclo de Krebs y producir muchos mas iones hidrógeno que pueden potenciar las bombas de ATP. Del ciclo de Krebs podemos obtener 24-28 moléculas de ATP. De la glicólisis obtenemos 4 moléculas) Entonces Ud. puede ver cuanta más energía podemos obtener de una molécula de glucosa cuando se encuentran trabajando las mitocondrias y tenemos oxígeno.

11. Estructura y Función de la Membrana Interna y de las Partículas Elementales

Ahora podemos apreciar la importancia de las crestas. Ellas no solamente contienen y organizan la cadena de transporte de electrones y las bombas de ATP, si no que también sirven para separar la matrix del espacio intermembrana, en donde se acumulan los iones hidrógenos que permitirán el gradiente necesario para potenciar las bombas de ATP. Cuando se discuta la manera en que las mitocondrias mueven las proteínas hacia la matrix, se verá otra razón por la que este gradiente de iones de hidrógeno (protones) es tan importante.

Ilustración de las Partículas Elementales: (carmelitas)
Con coloraciones apropiadas es posible ver unas proyecciones de la superficie de la membrana interna de la cresta que se han llamado partículas elementales. Estas son moléculas de Sintasa de ATP
Los diagramas anteriores mostraron al Citocromo C, situado justamente hacia fuera de la membrana interna. Es un proteína periférica, pegada sin mucha fuerza, localizada en el espacio contenido por la cresta.
De hecho si la membrana externa es removida, frecuentemente se pierde el Citocromo C, y debe ser remplazado para promover la función del mitoplasto.

Ganadores del Premio Nobel sobre Adenosin Trifosfato:
Boyer, Paul D. (Estados Unidos)
Por su comprensión del mecánismo enzimático subyacente a la síntesis del Adenosin Trifosfato (ATP).
Universidad de California. Los Angeles, CA, Estados Unidos
Skou, Jens C. (Dinamarca)
Por el primer descubrimiento de una enzima transportadora de iones Na+ y K+ en el ATP.
Universidad de Aarhus. Dinamarca
Walker, John E. (Gran Bretaña)
Por su comprensión del mecánismo enzimático subyacente a la síntesis del Adenosin Trifosfato (ATP).
Consejo de Investigación Médica del Laboratorio de Biología Molecular. Cambridge, Gran Bretaña

Autor:

Soto Ojeda Alvaro

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos14/adenosin/adenosin.shtml#ixzz3ZKTH5n76

Proteínas fluorescentes

ABRIL 2013
SEBBM DIVULGACIÓN
SEBBM DIVULGACIÓN
LA CIENCIA AL ALCANCE DE LA MANO
Las proteínas fluorescentes, nuevos colores para la biología celular
Lucía Sánchez Ruiloba

Servicio de Microscopía Óptica y Confocal del Instituto de Investigaciones Biomédicas “Alberto Sols”
Biografía
Licenciada en Bioquímica por la Universidad Autónoma de Madrid (2002). Doctora en Ciencias por la Universidad Autónoma de Madrid (2008), título del trabajo: “Localización y función de la proteína quinasa d y kidins220 en células neuronales”.
Durante su periodo de tesis realizó una estancia de 5 meses en la Universidad de Pensilvania (Philadelphia, EEUU). Tiene 8 publicaciones en revistas internacionales. Ha asistido a 4 congresos internacionales, así como a 2 nacionales. Durante algo más de un año trabajó en el laboratorio de microscopía confocal del Servicio Interdepartamental de Investigación de la Universidad Autónoma de Madrid. (octubre 2005-febrero 2007). Desde el 2010 es responsable del servicio de microscopía optica y confocal del Instituto de Investigaciones Biomédicas “Alberto Sols” del Consejo Superior de Investigaciones Científicas, que da soporte a numerosos grupos de investigación.
http://www.sebbm.es/
HEMEROTECA:
http://www.sebbm.es/ES/divulgacion-ciencia-para-todos_10/la-ciencia-al-alcance-de-la-mano-articulos-de-divulgacion_29
Resumen
El descubrimiento y desarrollo de las proteínas fluorescentes supuso una revolución en el campo de la biología celular. La fusión de proteínas fluorescentes con proteínas de interés permite monitorizar multitud de procesos biológicos en tiempo real en células y organismos vivos. Gracias a las proteínas fluorescentes se han desarrollo técnicas específicas para el estudio de la dinámica y movimiento de proteínas (FRAP) así como para el análisis de interacciones proteicas (FRET).
Summary
The discovery and development of fluorescent proteins have revolutionized cell biology. Fluorescent proteins can be incorporated into proteins of interest by genetic fusion. These chimeric proteins allow imaging of a wide range of biological events in living cells and full organisms. New technologies have been developed using fluorescent proteins. These technologies have greatly advanced our understanding of proteins dynamics (FRAP) and protein interactions (FRET).
El descubrimiento de la proteína verde fluorescente por el doctor Osamu Shimomura en 1968 se produjo cuando estudiaba la capacidad de emitir luz verde de la medusa Aequorea victoria. Descubrió que están implicadas dos proteínas. Aequorin, que emite luz azul a través de un proceso de bioluminiscencia, y otra proteína capaz de absorber esta luz azul y emitir fotones de luz verde. A esta proteína se le denominó proteína verde fluorescente o GFP, del inglés Green Fluorescent Protein.
En 1992 se identificó la secuencia de nucleótidos de esta proteína fluorescente y dos años más tarde Martin Chalfie la introdujo en un organismo completo, en el nematodo Caenorabditis Elegans. Así se descubrió que la GFP posee dos características claves que han permitido su posterior aplicación en el campo de la biología celular. Por un lado, se pliega de manera espontánea y adquiere su conformación fluorescente sin necesidad de ningún cofactor. Por otro lado, no produce toxicidad al expresarla en otro organismo.
Tras el descubrimiento de la proteína verde fluorescente muchos investigadores han centrado sus esfuerzos en identificar y desarrollar nuevas proteínas fluorescentes. Se han descubierto proteínas procedentes de otros organismos como la DsRed, proteína con fluorescencia roja que proviene de la anémona Discosoma Striata. Además, realizando sustituciones de aminoácidos en las proteínas ya conocidas se han mejorado características como el brillo o la estabilidad, y se ha modificado su espectro de emisión. La sustitución de la treonina 203 por tirosina en la GFP da lugar a una proteína con fluorescencia amarilla.
ABRIL 2013
SEBBM DIVULGACIÓN
En este campo es especialmente relevante el trabajo de Roger Tsien. Ya que tras dedicarse al estudio de la estructura de la GFP ha sido capaz de crear una gran variedad de proteínas fluorescentes de diferentes colores.
Las proteínas fluorescentes disponibles en la actualidad cubren prácticamente todo el espectro de luz visible. Combinándolas en la misma muestra se pueden realizar marcajes multicolores y estudiar diferentes moléculas simultáneamente.
El descubrimiento y desarrollo de las diferentes variedades de las proteínas fluorescentes supuso una revolución en la biología celular. Tanto es así, que los investigadores Osamu Shimomura, Martin Chalfie y Roger Tsien obtuvieron el premio Nobel de Química en 2008.
Las técnicas y aplicaciones que se han desarrollado gracias al uso de estas proteínas son muy variadas y los objetivos que persiguen son muy diferentes.
Una de las aplicaciones más extendidas de las proteínas fluorescentes es la fusión con proteínas de interés, lo que permite observar la localización de la proteína quimérica manteniendo las células intactas. Se han creado proteínas fluorescentes con secuencias específicas de localización que las sitúan en los diferentes orgánulos celulares, de esta manera se puede realizar un seguimiento de su morfología, fusión y fisión, segregación durante la división celular…Combinando el marcaje de proteínas de interés con el marcaje de orgánulos específicos se pueden realizar estudios de localización, tráfico y movimiento de proteínas a lo largo del tiempo.
Además de moléculas intracelulares las proteínas fluorescentes permiten el marcaje de células o tejidos en animales enteros. El objetivo de estos marcajes es la visualización de la morfología, localización y movimiento de las células o tejidos marcados durante el desarrollo embrionario o procesos tumorales, entre otros.
Un subgrupo dentro de las proteínas fluorescentes lo componen las fotoactivables y las fotoconvertibles. Las proteínas fotoactivables en su estado basal no son fluorescentes pero tras su iluminación con una determinada longitud de onda sufren un cambio conformacional y adquieren capacidades fluorescentes. Las fotoconvertibles se comportan igual que las anteriores pero su fluorescencia es reversible si se vuelven a iluminar con la longitud de onda precisa. Estas proteínas permiten la monitorización de moléculas o células en el espacio y en el tiempo. Presentan la ventaja de que se pueden activar regiones de interés y así discernir el comportamiento de determinados subgrupos de proteínas o células.
Las proteínas fluorescentes han permitido el desarrollo de técnicas microscópicas basadas en las propiedades de sus cromóforos.
Entre ellas cabe destacar la técnica de FRAP que estudia la recuperación de la fluorescencia después del fotoblanqueado. Consiste en excitar con luz de alta intensidad las proteínas fluorescentes de una región concreta de manera que pierdan su fluorescencia. A continuación se analiza cómo se recupera la fluorescencia en esa región. Esta recuperación será debida al movimiento de las partículas fluorescentes que se encontraban fuera de la región sobre-excitada. Así se obtienen datos sobre el movimiento o la difusión de las moléculas marcadas fluorescentemente.
Otra técnica ampliamente utilizada es el FRET (Föster Resonance Energy Transfer). Se basa en el uso simultáneo de una pareja de moléculas fluorescentes, en la cual la primera de ellas emite luz de una longitud de onda capaz de excitar a la segunda. Si estas moléculas se encuentran a menos de 10 nanómetros, iluminando la primera de ellas podremos observar fluorescencia emitida por la segunda. Esto es debido a que ha sido excitada con la luz de emisión de la primera. Usando esta técnica podemos identificar inequívocamente interacciones entre las proteínas estudiadas.
Las proteínas fluorescentes, así como las técnicas derivadas de ellas, han supuesto un gran avance en el área de la biología celular, pero este campo está en continuo desarrollo y en los próximos años aparecerán nuevas técnicas y proteínas que nos permitirán mejorar nuestros conocimientos y responder a nuevas preguntas.
Referencias
1.Handbook of Biological Confocal Microscopy. Second edition. James B. Pawley.
2.http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/nobelguide_che.pdf
3.Páginas web con información de microscopía. http://micro.magnet.fsu.edu/primer/techniques/livecellimaging/index.html
http://www.microscopyu.com/articles/livecellimaging/fpintro.html
http://www.olympusconfocal.com/applications/index.html

Figura. Cultivo de neuronas corticales de embrión de rata transfectadas con un plásmido que codifica para la proteína verde fluorescente (GFP). La tinción en azul corresponde con el marcador de ácidos nucléicos DAPI a través del cual se puede detectar el núcleo de todas las células presentes en el campo. Como se puede observar solo una de ellas expresa la proteína verde fluorescente. La barra de escala corresponde a 50 micras. Imagen cedida por la Dra. Teresa Iglesias Vacas del Instituto de Investigaciones Biomédicas "Alberto Sols" de Madrid.