Los bloques fundamentales de la biología

Cell Building Blocks

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

Primero, presentaremos los bloques fundamentales de las células. Todas las células, independientemente de su función o ubicación en el cuerpo, comparten características y procesos comunes. Sorprendentemente, las células están compuestas casi en su totalidad por solo cuatro tipos básicos de moléculas. Mostrada arriba se encuentra una célula rodeada de ejemplos de estas moléculas fundamentales.

Dado que están presentes en los seres vivos, estos componentes básicos se denominan biomoléculas. Las siguientes secciones describen las estructuras y funciones de cada uno de estos bloques fundamentales básicos. Más información sobre los temas de esta página también se puede encontrar en la mayoría de los libros de texto introductorio de biología, recomendamos Campbell Biología, 11ª edición.1

Carbohidratos

La primera clase de biomoléculas que discutiremos son los carbohidratos. Estas moléculas están compuestas por los elementos carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O). Comúnmente, estas moléculas se conocen como azúcares. Los carbohidratos pueden variar en tamaño desde muy pequeños hasta muy grandes. Como todas las otras biomoléculas, los carbohidratos a menudo se construyen en largas cadenas agregando unidades más pequeñas. Esto funciona como agregar cuentas a una pulsera para alargarla. El término general para una sola unidad o cuenta es un monómeroUna molécula o subunidad que funciona sola o en conjunto con otras moléculas similares para formar un polímero. Todas nuestras biomoléculas que hacen nuestras células son construídas de cadenas de monómeros. Por ejemplo, las proteínas están hechas de cadenas de aminoácidos y los ácidos nucleicos de cadenas de nucleótidos.. El término para una larga cadena de monómeros es un polímeroUna molécula formada al unir monómeros. Las biomoléculas, proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos son todos polímeros. Tal como eslabonar las letras de nuestro alfabeto en combinaciones distintas puede producir una variedad enorme de palabras, la unión de monómeros de las biomoléculas puede producir virtualmente una colección ilimitada de polímeros. Las enzimas que enhebran los componentes monómeros para hacer biomoléculas largas son llamadas polimerasas..

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

Los carbohidratos tienen varias funciones en las células. Son una excelente fuente de energía para las diferentes actividades que tienen lugar en nuestras células. Algunos carbohidratos pueden tener una función estructural. Por ejemplo, el material que hace que las plantas se mantengan altas y le da a la madera sus propiedades resistentes es una forma polimérica de glucosa conocida como la celulosaUna molécula de carbohidrato compuesta de varias moléculas enlazadas del monómero de azúcar glucosa. La celulosa, encontrado en niveles grandes en plantes, no es digestible por los humanos y es la mole del componente dietario conocido como fibra, mole o forraje.. Otros tipos de polímeros de azúcar componen las formas almacenadas de energía conocidas como almidónUna molécula de carbohidrato compuesta de varias subunidades de glucosa ligadas entre sí. El almidón es una forma de almacenamiento de energía en las plantas. y glucógeno. El almidón se encuentra en productos vegetales como las patatas y el glucógeno se encuentra en los animales. A continuación se muestra una pequeña molécula de glucógeno. Puede manipular la molécula usted mismo para observarla bien.

Los carbohidratos son esenciales para que las células se comuniquen entre sí. También ayudan a que las células se adhieran entre sí y al material que las rodea en el cuerpo. La capacidad del cuerpo para defenderse de los microbios invasores y la eliminación de material extraño del cuerpo (como la captura de polvo y polen por el moco de la nariz y la garganta) también depende de las propiedades de los carbohidratos. 

Obtenga más información sobre cómo el Dr. Michael Pierce utiliza los carbohidratos para investigar el cáncer.

Proteínas

Al igual que los carbohidratos, las proteínas se componen de unidades más pequeñas. Los monómeros que forman las proteínas se denominan aminoácidos. Hay alrededor de veinte aminoácidos diferentes. La estructura del aminoácidoUn monómero usado para construir proteínas. Hay muchos aminoácidos pero solo acerca de veinte tipos diferentes son encontrados en la mayoría de proteínas. más simple, la glicina, se muestra a continuación.

Las proteínas tienen numerosas funciones dentro de los seres vivos, incluidas las siguientes:
  • Ayudan a formar muchas de las características estructurales del cuerpo, incluidos el cabello, las uñas y los músculos. Las proteínas son un componente estructural importante de las células y las membranas celulares.
  • Ayudan a transportar materiales a través de las membranas celulares. Un ejemplo sería la captación de glucosa en las células del flujo sanguíneo. Volveremos a esta importante capacidad cuando analicemos la resistencia de las células cancerosas a los agentes de quimioterapia.
  • Actúan como catalizadores biológicos. Un gran grupo de proteínas, conocidas como enzimas, pueden acelerar las reacciones químicas que son necesarias para que las células funcionen correctamente. Por ejemplo, existen numerosas enzimas que intervienen en la descomposición de los alimentos que ingerimos y en la disponibilidad de los nutrientes.
  • Las interacciones entre las células son muy importantes para mantener la organización y función de las células y los órganos. Las proteínas a menudo son responsables de mantener el contacto entre las células adyacentes y entre las células y su entorno local. Un buen ejemplo serían las interacciones intercelulares que mantienen las células de nuestra piel juntas. Estas interacciones dependen de las proteínas de las células vecinas que se unen estrechamente entre sí. Como veremos, se requieren alteraciones en estas interacciones para el desarrollo de cáncer metastásico.
  • Las proteínas funcionan para controlar la actividad de las células, incluidas las decisiones relacionadas con la división celular. Las células cancerosas tienen invariablemente defectos en este tipo de proteínas. Volveremos sobre estas proteínas en detalle cuando hablemos de la regulación de la división celular.
  • Muchas hormonas, señales que viajan por el cuerpo para cambiar el comportamiento de células y órganos, están compuestas de proteínas. A continuación se muestra la insulinaUna proteína hormona secretada por el páncreas. La insulina controla los niveles de glucosa en el cuerpo al aumentar la absorción de la glucosa dentro de las células del cuerpo. La insulina también estimula la formación del glicógeno y altera los metabolismos de las grasas y las proteínas., una pequeña hormonaUn químico producido por las células que altera la actividad de otras células. Los químicos pueden ser lípidos, tales como la testosterona y el estrógeno, o proteínas tales como la insulina. Las hormonas pueden actuar en lugares lejos de su sitio de origen. El estrógeno, por ejemplo, es producido primordialmente por las células en los ovarios pero actúa sobre las células en el seno y otros lugares. proteica que regula la absorción de glucosa del torrente sanguíneo.


 

Lipidos

El término lípidoUna clase de biomolécula. Los lípidos comparten una característica común: todos son hidrofóbicos. Los lípidos son uno de las cuatro clases de biomoléculas que hacen la mayoría de los materiales en nuestras células. Las otras biomoléculas son las proteínas, los carbohidratos y los ácidos nucleicos. se refiere a una amplia variedad de biomoléculas que incluyen grasas, aceites, ceras y hormonas esteroides. Independientemente de su estructura, ubicación o función en una célula/cuerpo, todos los lípidos comparten características comunes que les permiten agruparse.

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

La naturaleza hidrofóbica de los lípidos dicta muchos de sus usos en sistemas biológicos. Las grasas son una buena fuente de energía almacenada, mientras que los aceites y las ceras se utilizan para formar capas protectoras en nuestra piel, previniendo infecciones. Algunos lípidos, las hormonas esteroides, son importantes reguladores de la actividad celular. Revisaremos esto durante nuestra discusión sobre el flujo de información en las células. Las actividades de las hormonas esteroides como el estrógenoUna hormona del sexo esteroidal. El estrógeno tiene una estructura que está relacionada con el colesterol. Producido por los ovarios, el estrógeno tiene efectos sobre los sistemas reproductivo, cardiovascular, y esqueletal. El estrógeno también es un factor de crecimiento en algunos tipos de células, incluyendo las células de la mama. Los inhibidores del estrógeno tales como el tamoxifeno funcionan para bloquear los efectos del estrógeno sobre el crecimiento. Vea también, receptor de estrógeno. se han relacionado con cánceres del sistema reproductor femenino. Los tratamientos basados en este conocimiento se discutirán en detalle en la sección de tratamiento en estas áreas. 

Representado arriba es un ejemplo de un triacilglicerolUn tipo de lípido. Comúnmente conocido como grasa. El triacilglicerol o los triglicéridos están compuestos de tres cadenas largas de hidrocarbonos ligados al alcohol de tres carbonos, el glicerol. Las grasas son usadas para energía en nuestras células. o grasa. Las tres cadenas largas están compuestas solo de carbono e hidrógeno y esto le da a la molécula sus propiedades hidrófobas. Cuando usted lee sobre el contenido de grasas saturadas e insaturadas en la etiqueta de un alimento, ésta se refiere a las diferencias en las largas cadenas de hidrocarburos.

Una función principal de los lípidos es la formación de membranas biológicas. Las células están rodeadas por una fina capa de lípidos. La capa está formada por un tipo especial de lípido que tiene propiedades hidrofóbicas e hidrofílicas. Los extremos hidrófilos de estas moléculas se enfrentan al entorno lleno de agua dentro de las células y al entorno acuoso fuera de las células. Existe una región hidrofóbica dentro de las dos capas. La membrana que rodea a las células es rica en proteínas y otros lípidos como el colesterolUn tipo de lípido, el colesterol es parte de un grupo de moléculas llamadas esteroides. El colesterol es esencial para la estructura y la función de las membranas celulares. Testosterona y estrógeno son otros esteroides que son muy similaries a colesterol en estructura. .

Cell Membrane

 

La mayoría de los productos químicos no pueden atravesar la bicapa lipídica. El agua y algunas otras moléculas pequeñas pueden atravesar libremente la membrana, mientras que otras moléculas deben transportarse activamente a través de canales de proteínas incrustados en la membrana. Las membranas también contienen una combinación de las biomoléculas que se han descrito hasta ahora. Como se vio anteriormente, las proteínas se pueden unir a los carbohidratos para formar glicoproteínas. Las glicoproteínas son importantes en la célula: las interacciones intercelulares discutidas anteriormente y los cambios en las cantidades o tipos de estas proteínas se observan en el cáncer. Del mismo modo, una combinación de lípidos y carbohidratos conduce a la formación de glicolípidos.

Ácido nucléico

Toda la información necesaria para controlar y construir células se almacena en estas moléculas.

Hay dos tipos principales de ácido nucleico, ácido desoxirribonucleico (ADNAbreviación para ácido deoxirribonucleoso. Compuesto de largas cadenas de monómeros de nucleótidos, que son representados con C, G, T y A. Esta es la forma de almacenamiento de nuestro material genético. Todas las instrucciones para la producción de nuestras proteínas está codificada en nuestro ADN. ) y ácido ribonucleico (ARNTambién: ácido ribonucleico. Un tipo de ácido nucleico, el ARN es un polímero compuesto de los nucleótidos A, C, G y U. El ARN es la forma funcional de nuestro material genético. El ARN es producido por medio del proceso de transcripción. Algunos ARNs son usados para ayudar a contruir los ribosomas (ARNr) y algunso para guiar la formación de proteínas (ARNm). Otras formas de ARN son usadas para realizar funciones especializadas en el núcleo.). Ambas moléculas son polímeros. Están compuestos por subunidades de monómeros como los carbohidratos y proteínas descritas anteriormente. Los monómeros que se utilizan para construir ácidos nucleicos se denominan nucleótidos. Los nucleótidos a menudo se denominan abreviaturas de una sola letra A, C, G, T y U. Como todos los monómeros descritos hasta ahora, los monómeros utilizados para construir ADN son similares entre sí pero no exactamente iguales. Una de las diferencias entre el ADN y el ARN es el subconjunto de nucleótidos utilizados para construir los polímeros. El ADN contiene A, C, G y T, mientras que el ARN contiene A, C, G y U.

Acido deoxiribonucleico (ADN)

El ADN está compuesto por dos cadenas largas (polímeros) de nucleótidos retorcidos entre sí para formar la estructura en espiral o helicoidal que se muestra a continuación. Las moléculas retorcidas están dispuestas de una manera particular, con nucleótidos específicos que siempre se encuentran uno frente al otro. El nucleótidoUn componente básico monómero de los ácidos nucleicos ADN y ARN. Existen aproximadamente 3,000,000,000 de nucleótidos en el genoma humano. Cada cromosoma contiene desde 50 a 250 millones de nucleótidos. Los cuatro nucleótidos que son usados para formar el ADN son abreviados como A, C, G y T. El ARN contiene también cuatro nucleótidos, pero usa U en vez de T, y por eso el ARN contiene A, C, G y U. Algunos agentes quimoterapeúticos, tales como el 5-fluorouracilo (5-FU) y el ARA-C son similares químicamente a uno de los nucleótidos y ejercen sus efectos al interferir con la función del ADN o al causar alteraciones en la secuencia de nucleótidos del ADN afectado. que contiene adenina (A) siempre se empareja con el nucleótido que contiene timina (T). Asimismo, la guanina (G) siempre se empareja con la citosina (C). Si observa de cerca los gráficos a continuación, puede ver los pares de nucleótidos interactuando en el medio de la hélice. Los polímeros que forman el ADN pueden ser extremadamente largos, alcanzando millones de nucleótidos por cada molécula de ADN individual. El siguiente gráfico muestra una hebra corta de ácido desoxirribonucleico. 2

El ADN está ubicado en el núcleoUn organelo subcelular que contiene las cromosomas (cromatina). Presente en las células eucariotas. El núcleo está rodeado por una envoltura nuclear. Dentro del núcleo existe una región que se llama nucleolo en el cual partes de las ribosomas son construídas. Los poros nucleares permiten el importe y exporte de los materiales. de las células, una estructura que se describirá en la siguiente sección del sitio. Todas las células nucleadas del cuerpo humano tienen el mismo contenido de ADN independientemente de su función. La diferencia es qué partes del ADN se utilizan en una célula determinada. Por ejemplo, las células que forman el hígado contienen el mismo ADN que las células que forman los músculos. Las actividades dramáticamente diferentes de estos dos tipos de células dependen de las porciones de ADN que están activas en las células. El ADN es la forma de almacenamiento de información genUna cadena de ADN que lleva a la producción de un ARN. El ARN es procesado durante el proceso de la transcripción. Este ARN puede ser usado para guiar la formación de una proteína por medio de la traducción o puede ser usado directamente por la célula.ética y actúa como modelo para las células. Como veremos, los cambios en la secuencia del ADN pueden provocar alteraciones en el comportamiento celular. El crecimiento no regulado, así como muchos de los otros cambios observados en el cáncer, son en última instancia el resultado de mutaciones, cambios en la estructura del ADN.

Ácido ribonucleico (RNA)

El ácido ribonucleico (ARN) es similar al ADN en muchos aspectos. Es un polímero de nucleótidos que transporta la información presente en los genes. Además de algunas diferencias químicas entre el ARN y el ADN, existen importantes diferencias funcionales.

  • El ARN se copia del ADN en el núcleo y gran parte se envía al citosolLa porción semilíquida de la célula afuera del núcleo, excluyendo los organelos. Compare con el citoplasma..
  • El ARN es la forma de trabajo de la información almacenada en el ADN.
  • El ARN es de cadena simple, no de cadena doble

La información que reside en el ADN funciona para las células de la misma manera que un arquitecto usa un plano. La producción específica de ARN permite a la célula utilizar solo las páginas del "plano" que se requieren en un momento determinado. Es muy importante que se produzcan los ARN correctos en el momento correcto. En el cáncer, la producción o regulación de determinados ARN no se produce correctamente. Así como una lectura incorrecta de un plano hará que un edificio desarrolle fallas, la producción incorrecta de ARN provoca cambios en el comportamiento celular que pueden conducir al cáncer. Este importante tema se tratará en profundidad en la sección sobre función genetica. Primero, examinaremos formas más complejas de biomoléculas y luego presentaremos algunos de los componentes funcionales clave de las células eucariotas.

Combinaciones

Ahora hemos introducido las principales clases de biomoléculas.

  • carbohidratos
  • lípidos
  • proteinas
  • ácidos nucleicos 

Estas biomoléculas trabajan juntas para realizar funciones específicas y construir importantes características estructurales de las células. Por ejemplo, en la sección de lípidos, primero vimos el diagrama de abajo de una membrana.

A lipid bilayer

Además de la bicapa lipídica, compuesta por un tipo especial de lípido, la membrana contiene numerosas proteínas y azúcares. Como se muestra, las proteínas y los azúcares se pueden combinar para formar glicoproteínas. También se pueden agregar azúcares a los lípidos para formar glicolípidos.

Muchas de las proteínas que son importantes en el desarrollo y / o detección del cáncer son glicoproteínas. Por ejemplo, las pruebas de diagnóstico para el cáncer de próstata implican analizar muestras de sangre para detectar la presencia de una glicoproteínaUna proteína que ha sido modificada por la adición de uno o más carbohidratos. Varias proteínas son modificadas de esta manera. La adición de las moléculas de azúcares altera las propiedades de la proteína y a menudo ayudan en la función de esa proteína. Varias de las proteínas que se encuentran en la superficie de nuestras membranas celulares son glicoproteínas. llamada PSA, o antígenoCualquier sustancia que es capaz de ser reconocida por el sistema inmune. El reconocimiento de tal sustancia lleva a la generación de una respuesta inmune. específico de la próstata (prostate specific antigen en inglés). El cáncer de los ovarios también puede ser monitoreado con la producción de otra glicoproteína conocida como CA-125Una glicoproteína secretada al flujo sanguíneo por algunos tumores del cáncer de los ovarios. La proteína puede ser detectada en la sangre y es usada para monitorear la progresión de esos cánceres. Niveles de CA-125 también pueden aumentar en respuesta a inflamación aunque el cancer no está presente.. CA significa "asociado con el cáncer" (cancer associated en inglés).

Más sobre el examen del CA-125

A menudo, muchas proteínas y otras biomoléculas se unen para formar estructuras funcionales en las células. A continuación, investigaremos algunas de estas estructuras más complejas, llamadas orgánulos.

Resumen: Los bloques fundamentales

Todos los seres vivos, incluidas las células que componen el cuerpo humano, están compuestos por un pequeño subconjunto de biomoléculas diferentes. Hay cuatro clases principales, como se describen a continuación:

  1. Carbohidratos
    • Los carbohidratos están compuestos por los elementos carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O).
    • Los azúcares son carbohidratos comunes.
    • Los carbohidratos cumplen varias funciones dentro de las células:
      • Fuente de energía principal
      • Proporcionar estructura
      • Comunicación
      • Adhesión celular
      • Defensa y remoción de material extraño
  2. Proteínas
    • Las proteínas están compuestas por amino ácidos.
    • Las proteínas tienen distintas funciones dentro de los seres vivos:
      • Transporte celular
      • Estructura del pelo, músculo, uñas, componentes celulares y membranas celulares
      • Catalizadores biológicos o enzimas
      • Mantener contacto celular
      • Controlar actividad celular
      • Señalización a través de hormonas
  3. Lípidos
    • Una amplia variedad de biomoléculas incluyendo grasas, aceites, ceras y hormonas esteroides.
    • Los lípidos no se disuelven en agua (son hidrofóbicos) y están compuestos principalmente por carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O).
    • Los lípidos tienen distintas funciones en los seres vivos:
      • Forman membranas biológicas
      • Las grasas pueden ser almacenadas como fuente de energía
      • Los aceites y ceras brindan protección al recubrir áreas que podrían ser invadidas por microbios (es decir, piel u oídos)
      • Las hormonas esteroides regulan la actividad celular alterando la expresión genéticaUn acto de la transcripción y, si es necesario, de la traducción de un gen. La regulación de la expresión genética es controlada muy estrictamente. Los genes deben ser expresados sólo en las células correctas, en el tiempo y cantidad correctas. La expresión anormal de un gen es siempre encontrado en el cáncer.
  4. Ácidos Nucléicos
    • Toda la información necesitada para controlar y construir las células está almacenada en estas moléculas.
    • Los ácidos nucléicos están compuestos por nucleótidos abreviados como A,C,G, T y U.
    • Hay dos grupos principales de ácidos nucléicos, ácido desoxirribonucléico (ADN) y ácido ribonucléico (ARN):
      • ADN
        • El ADN tiene una estructura de doble hélice compuesta por los nucleótidos A,C,G y T.
        • El ADN está localizado en el núcleo de la célula.
        • El ADN es la forma de almacenamiento de la información genética.
      • ARN
        • La estructura del ARN es típicamente de una hebra formada por nucleótidos A,G,C y U.
        • El ARN es copiado del ADN y es la forma de trabajo de la información.
        • El ARN es formado en el núcleo y el ARNmARN mensajero, una molécula de ARN que es usada en la producción de una proteína. El ARN mensajero es producido por el núcleo por medio del proceso de transcripción y es exportada por medio de agujeros o poros en la envoltura nuclear al citoplasma. El mensaje luego se une al ribosoma y el mensaje codificado es leído para producir una proteína en el proceso de la traducción. es exportado al citosol.

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

Si encuentra útil el material, considere la posibilidad de vincular nuestro sitio web.

  • 1. Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., & Reece, J. B. (2017). Campbell Biology (11th ed.). Pearson.
  • 2. Kuszewski J,Schwieters C, Clore G.M. "Improving the accuracy of NMR structures of DNA by means of a database potential of mean force describing base-base positional interactions." Journal of the American Chemical Society (2001) 123:3903 [PUBMED]