a CÉLULAGeoffrey M. Cooper

Robert E. HdUSITian

quinta edición

m

Cooper & Hausman

La CLULAquinta edición

?*9

Geoffrey M. Cooper & Robert E. HausmanBoston University

Los autoresGeoffrey M. Cooper es Profesor y Jefe (chair) del Departamento de Biología en la Universidad de Boston. En 1973 sedoctoró en Bioquímica en la Universidad de Miami, realizó la tesis doctoral con Howard Temin en la Universidad deWisconsin, donde desarrolló ensayos de transferencia genética para detectar el ADN proviral del virus del sarcoma deRous y los retrovirus relacionados. En 1975 ingresó en la facultad del Dana-Farber Cáncer Institute y en la Harvard

Medical SchooL ampliando esos estudios hacia la identificación de los oncogenes en tumores humanos. Desde su llega-da a la Universidad de Boston en 1998, el Dr. Cooper ha empleado La Célula para sus clases de biología celular, tambiénha continuado sus investigaciones y participado en la importante expansión de la biocíencia. Las investigaciones del Dr.Cooper se centran en el entendimiento de las funciones de las proteínas de los oncogenes en las vías de señalización queregulan la proliferación celular y la muerte celular programada. Ha publicado dos libros sobre cáncer y más de 100 artí-culos de investigación acerca de señalización celular y cáncer.

Robert E. Hausman es Profesor y Director (gradúate director) del Departamento de Biología en la Universidad deBoston. Obtuvo el doctorado en Ciencias Biológicas de la Universidad de Northwestern en 1971, realizando la tesis doc-toral junto a Aron Moscona en la Universidad de Chicago, donde investigó las interacciones célula-célula en las prime-ras fases del desarrollo embrionario y descubrió una de las moléculas de adhesión celular. En el año 1978 amplió susinvestigaciones sobre las interacciones de la superficie celular en el desarrollo muscular y la regulación de la expresióngenética en el desarrollo del sistema nervioso mediante contacto célula a célula. Ha sido profesor de biología celular yha impartido cursos de especialización en la Universidad de Boston. Actualmente los profesores Cooper y Hausmanimparten juntos biología celular. Su trabajo se centra en el entendimiento de cómo las interacciones celulares y entre célu-las y la matriz extracelular afectan a la diferenciación y a la morfogénesis.

©2011©2010© MAREAN LIBROS, S.L.Joaquín María López. 7228015 Madrid. EspañaTeléf: (34)91 543 55 55Fax: (34) 91 5441380wv7w.marbanlibros.com

La cubiertaLa cubierta ilustra los receptores de la superficie celular, laformación de una fosa recubierta de catrina, estructurascitoesqueléticas, ribosomas y otros componentes del cito-plasma.

El artistaDavid S. Goodsell es Profesor Asociado de BiologíaMolecular en el Scripps Research Institute. Sus libros ilus-trados, The Machinery of Life y Our Molecular Nature,exploran las moléculas biológicas y los distintos papeles quedesempeñan en las células vivas. Su nuevo trabajo:Bionanotechnology: Lessons from Nature, presenta la cre-ciente conexión entre biología y nanotecnología. Se puedeencontrar más información en:http://mgl.scripps.edu/people/goodsell

Edición en español de:The Cell: a Molecular Approach, 5th editionGeoffrey M. Cooper and Robert E. Hausman

Edición original© ASM PressTranslated and published by arrangementwith ASM Press, Washington, DC; USA

Traducción: Dra. N. WrightCentro de Investigaciones BiológicasMadrid, España

Fotocopiar es un delito (Art. 270 C.P.)

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MARBÁN es marca registrada.La fotocopia o el uso de productos protegidos bajo una marca registrada ©constituye delito tipi-ficado en el artículo 274 C.P. que protege el derecho de propiedad industrial.

ISBN: 978-84-7101-811-3 (MARBÁN, S.L. - Edición en español)ISBN: 978-0-87893-300-6-2009 (ASM Press - Edición en inglés)

M-31575-LIIImpreso en España. Printed in Spain

Contenido

Visión globalde las células einvestigación celular 3

2ngen y evoluciónde las células 4

^ primera célula 4vclución del metabolismo 6

Procariotas actuales 8láulas eucariotas 81 origen de los eucariotas 10

Itesarrollo de organismosmulticelulares 12

Células como modelosexperimentales 16noli 16

¿vaduras 17dc'iorhábáitls degans 17

\^ophila melanogaster 18\rabidopsis thaliana 19Vertebrados 19

Instrumentosde la biología celular 21

Necroscopia óptica 21'•Lcroscopia electrónica 27ftraración subcelular 30Crecimiento de las células

animales en cultivo 33Cultivo de células vegetales 34Virus 38

EXPERIMENTO CLAVE:

Cjltivo celular animal 35MEDICINA MOLECULAR:

Virus y cáncer 37

Resumen y palabras clave 39Preguntas 41Bibliografía 42

•u^rw£^<7 ^ m3SECCIÓN i INTRODUCCIÓN

Composiciónde las células 43

Moléculas de las células 43Carbohidratos 44Lípidos 46Ácidos nucleicos 50Proteínas 52

Membranas celulares 58Lípidos de membrana 60Proteínas de membrana 61Transporte a través

de membranas celulares 63

Proteómica: el análisis a granescala de las proteínascelulares 65

Identificación de proteínascelulares 66

Análisis global de la localizaciónde proteínas 68

Interacciones proteicas 69

EXPERIMENTO CLAVE:

Plegamiento de las cadenas

polipeptídicas 54

EXPERIMENTO CLAVE:

Estructura de las membranas

celulares 59

Resumen y palabras clave 70Preguntas 71Bibliografía 72

Papel central de las enzimascomo catalizadoresbiológicos 73

Actividad catalizadorade las enzimas 73

Mecanismos de catálisisenzimática 74

Coenzimas 78Regulación de la actividad

enzimática 79

Energía metabólica 80Energía libre y ATP 81Generación de ATP

a partir de glucosa 84Producción de energía

a partir de otras moléculasorgánicas 89

Fotosíntesis 90

Biosíntesis de los componentescelulares 91

Carbohidratos 92Lípidos 93Proteínas 94Ácidos nucleicos 97

MEDICINA MOLECULAR:

FenHcetonuria 96

EXPERIMENTO CLAVE:

Antimetabolitos y quimioterapia 98

Resumen y palabras clave 100Preguntas 101Bibliografía 101

4 Fundamentos debiología molecular 103

Herencia, genes y ADN 103Genes y cromosomas 104Genes y enzimas 105Identificación del ADN

como el material genético 107Estructura del ADN 108Replicación del ADN 110

Expresión de la informacióngenética 111

Colinealidad de genesy proteínas 111

Papel del ARN mensajero 112Código genético 113Virus ARN y transcripción

inversa 115

ADN recombinante 118Endonucleasas de restricción 118Generación de moléculas

de ARN recombinante 120Vectores para ADN

recombinante 121Secuenciación de ADN 124Expresión de genes clonados 125

Detección de ácidos nucleicosy proteínas 128

Amplificación de ADNcon la reacción en cadenade la polimerasa 128

Hibridación de ácidosnucleicos 130

Sonda de anticuerpospara proteínas 133

Función de los genesen eucariotas 136

Análisis genético en levaduras 136Transferencia de genes

en plantas y animales 138Mutagénesis de ADN clonados 141Introducción de mutaciones

en genes celulares 142Interferencia con la expresión

génica celular 144

EXPERIMENTO CLAVE:

Hipótesis del provirus de ADN 116EXPERIMENTO CLAVE:Interferencia por ARN 147

Resumen y palabras clave 148

Preguntas 150

Bibliografía 150

•ECCIÓNII FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTIC

i- Organización y*1 secuenciación de los

genomas celulares ?55

Complejidad de los genomasde eucariotas 155

Intrones y exones 157Secuencias de ADN

repetitivas 161Duplicación génica

y pseudogenes 164Composición del genoma en los

eucariotas superiores 165

Cromosomas y cromatína 166Croma tina 166Centrómeros 170Telómeros 174

Secuencias de los genomascompletos 175

Genomas procariotas 177Genoma de levaduras 178

Genomas de Cuenorhabditis

elegans, Drosophila melanogaster

y otros invertebrados 179Genomas de plantas 182Genoma humano 184Genomas de otros vertebrados 18

Bioinf ormática y biologíade sistemas 191

Análisis sistemáticode la función génica 191

Regulación de la expresióngénica 192

Variación entre individuosy medicina genómica 194

EXPERIMENTO CLAVE:

Descubrimiento de los intrones 158EXPERIMENTO CLAVE:El genoma humano 186

Resumen y palabras clave 196

Preguntas 198

Bibliografía 199

Replicación,mantenimientoy reorganizacióndel ADN genómico 201

Replicación del ADN 201ADN polimerasas 202Horquilla de replicación 202Fidelidad de replicación 210Orígenes e iniciación

de la replicación 211Telómeros y telomerasa:

el mantenimientode los extremosde los cromosomas 214

Reparación del ADN 216Inversión directa del ADN

dañado 216Reparación por escisión 219Síntesis de ADN translesión 226Reparación de roturas

de doble hebra 227

entre secuenciashomologas deADN 228

4odelos de recombinaciónhomologa 228

Erzimas implicadas en larecombinación homologa 230

^organización del ADN 233«¿•combinación específica

¿e sitio 234Trasposición vía intermediarios

ir ADN 240~r;rj.posición vía intermediarios

_¿ ARN 242Aerificación génica 245

f:;íRI MENTÓ CLAVE:«rsanización de los genes

:e -^unoglobulinas 236ME)ICISÍA MOLECULAR:

ínoer de colon y reparación del ADN

Insumen y palabras clave 247Neuritas 249

biografía 249

SíntesisSíntesis ydel ARN.

maduración253

.r=r.scripción en procariotas 251SX polimerasa

-/."scripción 252Z: r.trol negativo de la transcrip-

ny represores 256I: r.rol positivo

¿e la transcripción 258

-_7_\~ polimerasas eucariotas- factores de transcripción;er,erales 258RX polimerasas eucarióticas 259

racíores de transcripción_ : : ;rales e iniciación de laTranscripción por la ARNrolimerasa II 259

Transcripción por las ARNpolimerasas I y El 262

Regulación de la transcripciónen eucariotas 265

Secuencias de regulación en cis:promotores y estimulares 266

Sitios de unión para factoresde transcripción 269

Proteínas de regulacióntranscripcional 270

Estructura y funciónde los activadoresde la transcripción 273

Represores encarióticos 276Regulación de la elongación 278Relación entre la estructura

cromatínicay la transcripción 278

Regulación de la transcripciónpor ARN no codificantes 285

Metilación del ADN 286

Maduración y renovacióndel ARN 287

Maduración de los ARNribosómicosy de transferencia 288

Maduración del ARNmen eucariotas 290

Mecanismos de cortey empalme o splicing 292

Corte y empalme alternativo 298Corrección del ARN 300Degradación del ARN 302

EXPERIMENTO CLAVE:Aislamiento de un factor de transcripcióneucariótico 272EXPERIMENTO CLAVE:Descubrimiento del RNPsn 294

Resumen y palabras clave 303

Preguntas 306

Bibliografía 306

Síntesis de proteínas,procesamientoy regulación 309

Traducción del ARNm 309ARN de transferencia 310Ribosoma 311Organización de los ARN

mensajeros e iniciode la traducción 315

Mecanismo de la traducción 319Regulación de la traducción 323

Plegamiento y procesamientode proteínas 329

Chaperonas y plegamientode proteínas 330

Enzimas que catalizanel plegamiento proteico 332

Escisión de proteínas 333Glicosilación 335Anclaje de lípidos 337

Regulación de la funciónde las proteínas 340

Regulación por pequeñasmoléculas 340

Fosforilación de proteínas 341Interacciones proteína-proteína 343

Degradación de proteínas 345Vía de la ubiquitina-proteasoma 345Proteólisis lisosómica 348

EXPERIMENTO CLAVE:Papel catalítico del ARN ribosómico 316EXPERIMENTO CLAVE:Descubrimiento de las proteína-tirosina

quinasas 344

Resumen y palabras clave 349Preguntas 351Bibliografía 351

V

SECCIÓN III ESTRUCTURA Y FUNCIÓN CELULARES

NÚCleO 355

Envuelta nuclear y tráfico entreel núcleo y el citoplasma 355

Estructura de la envueltanuclear 356

Complejo del poro nuclear 360Transporte selectivo de proteínas

desde y hacia el núcleo 361Regulación del transporte

de proteínas al núcleo 367Transporte de ARN 368

Organización internadel núcleo 369

Cromosomas y estructurade orden superiorde la cromatina 370

Sub-compartimentos nucleares 372

Nucléolo y procesamientodelARNr 374

Genes de ARN ribosómicoy organización del nucléolo 375

Transcripción y procesamientodelARNr 376

Ensamblaje de ribosomas 378

MEDICINA MOLECULAR:Enfermedades de la lámina nuclear 358

EXPERIMENTO CLAVE:Identificación de las seriales

de Idealización nuclear 362

Resumen y palabras clave 379

Preguntas 381

Bibliografía 381

Distribución ytransporte de

I fí proteínas: retículo^ endoplásmico,

aparato de Golgi ylisosomas m

Retículo endoplásmico 383Retículo endoplásmico

y secreción de proteínas 384Mareaje de las proteínas para

dirigirse al retículoendoplásmico 386

Inserción de las proteínasen la membrana del RE 391

Plegamiento y procesamientode las proteínas en el RE 396

Control de calidad en el RE 398RE liso y síntesis de lípidos 402Exportación de proteínas

y lípidos desde el RE 405

Aparato de Golgi 408Organización del Golgi 408Glicosilación de proteínas

en el Golgi 410Metabolismo de lípidos y de

polisacáridos en el Golgi 412Distribución y exportación

de proteínas desde el aparatode Golgi 413

Mecanismo de transportede las vesículas 416

Aproximaciones experimentalesal conocimiento del transportede las vesículas 416

Selección de la mercancía,proteínas de la cubiertay gemación vesicular 418

Fusión de las vesículas 420

Lisosomas 423Hidrolasas lisosómicas acidas 423Endocitosis y formación

del lisosoma 426Fagocitosis y autofagia 426

EXPERIMENTO CLAVE:

Hipótesis de la señal 388MEDICINA MOLECULAR:

Enfermedad de Gaucher 425

Resumen y palabras clave 429Preguntas 431Bibliografía 431

11

Bioenergética ymetabolismo:mitocondrias,cloroplastosy peroxisomas 433

Mitocondrias 433Organización y función

de las mitocondrias 434Sistema genético

de las mitocondrias 435Internalización de proteínas y

formación de las mitocondrias437

Mecanismo de la fosforilaciónoxidativa 443

Cadena de transportede electrones 445

Acoplamiento quimiosmótico 446Transporte de metabolitos

a través de la membranainterna 450

Cloroplastos y otros plástidos452

Estructura y funciónde los cloroplastos 452

Genoma del cloroplasto 454Internalización y distribución

de las proteínasdel cloroplasto 455

Otros plástidos 457

Fotosíntesis 459Flujo de electrones a través

de los fotosistemas I y II 460Flujo cíclico de electrones 463Síntesis de ATP, 463

raroxisomas 464-•.-dones de los peroxisomas 465Formación del peroxisoma 466

«ÉDICINA MOLECULAR:

ffmedades de las mitocondrias:

•Kuropatía óptica hereditaria

deLeber 438

S.tRIMENTO CLAVE:

ora quimiosmótica 448

fcsumen y palabras clave 469-¿•cuntas 471Mografía 471

Citoesqueletoy movimientocelular 473

rsructura y organización dexs filamentos de actina 473•samblaje y desensamblajei'í '.^ filamentos de actina 474

rr=2nizadón de los filamentos¡e actina 479xiadón de los filamentosbe actina con la membrana•friática 481ctuberancias de la superficie3¿¿ar 485

vrza, miosina y movimientor=l-^ar 486•teacdón muscular 486naciones contrátiles

le actina y miosina en célulase musculares 491

mas no musculares 493•ación de extensiones

-.miento celular 494

¡ intermedios 496: E los filamentos

—«ios 497Maje de los filamentos—edios 499

ación intracelular de loseuros intermedios 500

; de las queratinas¡lamentos:

medades de la piel---.-:• " TTVIOSO 502

Microtúbulos 504Estructura y organización

dinámica de losmicrotúbulos 504

Ensamblaje de microtúbulos 507La organización de los microtú-

bulos en el interior celular 509

Motores microtubularesy movimientos 511

Identificación de las proteínasmotoras microtubulares 511

Transporte de mercancíasy organización intracelular 515

Cilios y flagelos 517Reorganización de los microtúbu

los durante la mitosis 519Movimiento cromosómico 520

EXPERIMENTO CLAVE:

La expresión de una queratina mulantecausa un desarrollo anómaloen la piel 502

EXPERIMENTO CLAVE:Aislamiento de la quinesia 512

Resumen y palabras clave 523Preguntas 525Bibliografía 525

13 Membranaplasmática 529

Estructura de la membranaplasmática 529

Bicapa lipídica 529Proteínas de membrana 532Movilidad de las proteínas

de la membrana 537Glicocálix 540

Transporte de moléculaspequeñas 540

Difusión pasiva 541Difusión facilitada y proteínas

transportadoras 542Canales iónicos 543Transporte activo dirigido

por la hidrólisis de ATP 550Transporte activo dirigido

por gradientes iónicos 555

Endocitosis 554Fagocitosis 557Endocitosis mediada

por receptor 558Tráfico de proteínas

en la endocitosis 563

EXPERIMENTO CLAVE:Receptor de las LDL 560

MEDICINA MOLECULAR:

Fibrosis quística 560

Resumen y palabras clave 567Preguntas 568Bibliografía 568

Paredes celulares,matriz extracelulare interaccionescelulares 559

Paredes celulares 569Paredes celulares bacterianas 569Paredes celulares eucariotas 572

Matriz extracelular y lasinteracciones célula-matriz 577

Proteínas estructuralesde la matriz 578

Polisacáridos de matriz 581Proteínas de adhesión

a la matriz 582Interacciones célula-matriz 583

Interacciones célula-célula 587Uniones adhesivas 587Uniones estrechas 591Uniones de tipo gap 592Plasmodesmas 595

EXPERIMENTO CLAVE:

Caracterización de la integrina 584

MEDICINA MOLECULAR:

Enfermedades por las unionesde tipo gap 594

Resumen y palabras clave 596Preguntas 598Bibliografía 598

Vil

SECCIÓN iv REGULACK

15 Señalizacióncelular 603

Moléculas señalizadorasy sus receptores 603

Tipos de señalizacióncélula-célula 604

Hormonas esteroideasy superfamilia de receptoresde asteroides 605

Óxido nítrico y monóxidode carbono 607

Neurotransmisores 608Hormonas peptídicas

y factores de crecimiento 609Eicosanoides 611Hormonas vegetales 612

Funciones de los receptoresde la superficie celular 613

Receptores asociadosa proteínas G 614

Receptores proteína-tirosinaquinasa 615

Receptores de citoquinasy proteína-tirosina quinasasno receptoras 620

Receptores asociados a otrasactividades enzimáticas 620

Vías de transducciónintracelular de señales 621

Vía del AMPc: segundosmensajeros y fosforilaciónde proteínas 622

GMP cíclico 624Fosfolípidos y Ca2+ 625Las vías PI 3-Quinasa/Akt

ymTOR 628Vía de las quinasas MAP 630Vías JAK/STAT y TGF-b/Smad

636

Señalización vía NF-kB 637Vías Hedgehog Wnt y Notch 638

Transducción de señalesy citoesqueleto 640

Integrínas y transducciónde señales 641

Regulación del citoesqueletode actina 641

Redes de señalización 644Retroalimentación

y relaciones cruzadas 644Redes de transducción

de la señal celular 645

EXPERIMENTO CLAVE:

Receptores acoplados a proteínas G

y detección de olores 616

MEDICINA MOLECULAR:Cáncer, transducción de señales

y oncogenes ras 633

Resumen y palabras clave 647Preguntas 650Bibliografía 650

I r> Ciclo celular 653

Ciclo celular eucariota 653Fases del ciclo celular 654Regulación del ciclo celular

por el crecimiento celulary por señales extracelulares 655

Puntos de control del ciclocelular 657

Restringir la replicación del ADNa una vez por ciclo celular 658

Reguladores de la progresióndel ciclo celular 659

Proteínas quinasas y la regulacióndel ciclo celular 659

Familias de ciclinas y quinasasdependientes de ciclinas 664

Factores de crecimientoy la regulación de las CdkdeGl 667

Puntos de control de lesionesen el ADN 670

Acontecimientos de la fase M 672Etapas de la mitosis 672Cdkl/Ciclina B y la progresión

hacia la metafase 675Punto de control de ensamblaje

del huso y progresión haciaanafase 678

Citocinesis 680

Meiosis y fecundación 681Proceso de la meiosis 681Regulación de la meiosis

en los oocitos 684Fecundación 687

EXPERIMENTO CLAVE:

Descubrimiento del MPF 660EXPERIMENTO CLAVE:La identificación de la ciclina 663

Resumen y palabras clave 688Preguntas 690Bibliografía 690

1 Muerte y renovacióncelular 693 Id

». Cáncer 725\M

'. celular programada 693- - : ;~:os de la apoptosis 694«pasas: Los ejecutores

i la apoptosis 697fcsniadores centrales

í la apoptosis: la familia1 698

• ¿e señalizaciónt regulan la apoptosis 701

e alternativas de muerter^lar programada 705

I i. -_Lf madre- i. -ar.tenimientoIT .:< tejidos adultos 705

iréraáón de células•«ciadas 706-rradre 708

lociones médicas de lasy-:'.5~ madre de adulto 713

'-•: — madre embrionarias- ¿ i: nación terapéutica 716

• madre embrionarias 716r\cia nuclear de células

- T_i-;a; 718.iré totipotenciales

719

STO CLAVE: Identificaciónos aenes necesarios para la muerte

¿mada 696\~O CLAVE: Cultivo de~": ::~e embrionarias 715

- .--r v oalabras clave 720

"22. — aria 722

Desarrollo y causas del cáncer719

Tipos de cáncer 725Desarrollo del cáncer 727Causas del cáncer 728Propiedades de las células

cancerosas 729Transformación de las células

en cultivo 734

Virus tumorales 735Virus de la hepatitis B y C 736SV40 y poliomavirus 736Papilomavirus 737Adenovirus 738Herpesvirus 738Retrovirus 738

Oncogenes 739Oncogenes retrovíricos 739Proto-oncogenes 740Los oncogenes en el cáncer

humano 743Funciones de los productos

oncogénicos 747

Genes supresores de tumores752

Identificación de los genessupresores de tumores 752

Funciones de los productosde los genes supresores

de tumores 756Papel de los oncogenes

y de los genes supresoresde tumores en el desarrollodel tumor 759

Enfoques molecularespara el tratamiento del cáncer761

Prevención y detecciónprecoz 761

Diagnóstico molecular 761Tratamiento 763

EXPERIMENTO CLAVE:

Descubrimientode los proto-oncogenes 742

MEDICINA MOLECULAR:Imatinib: Tratamiento del cáncer

dirigido contra en oncogén bcr/abl 766

Resumen y palabras clave 767Preguntas 770Bibliografía 770

Respuestas a las preguntas 773

Glosario 783

índice 799