a CÉLULA Geoffrey M. Cooper Robert E. HdUSITian quinta edición m Cooper & Hausman La C L U L A quinta edición ?*9 Geoffrey M. Cooper & Robert E. Hausman Boston University Los autores Geoffrey M. Cooper es Profesor y Jefe (chair) del Departamento de Biología en la Universidad de Boston. En 1973 se doctoró en Bioquímica en la Universidad de Miami, realizó la tesis doctoral con Howard Temin en la Universidad de Wisconsin, donde desarrolló ensayos de transferencia genética para detectar el ADN proviral del virus del sarcoma de Rous 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, también ha 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 que regulan 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 de Boston. 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 sus investigaciones sobre las interacciones de la superficie celular en el desarrollo muscular y la regulación de la expresión genética en el desarrollo del sistema nervioso mediante contacto célula a célula. Ha sido profesor de biología celular y ha impartido cursos de especialización en la Universidad de Boston. Actualmente los profesores Cooper y Hausman imparten 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. La cubierta La cubierta ilustra los receptores de la superficie celular, la formación de una fosa recubierta de catrina, estructuras citoesqueléticas, ribosomas y otros componentes del cito- plasma. ©2011 El artista ©2010 David S. Goodsell es Profesor Asociado de Biología Molecular en el Scripps Research Institute. Sus libros ilus- © MAREAN LIBROS, S.L. trados, The Machinery of Life y Our Molecular Nature, Joaquín María López. 72 exploran las moléculas biológicas y los distintos papeles que 28015 Madrid. España desempeñan en las células vivas. Su nuevo trabajo: Teléf: (34)91 543 55 55 Bionanotechnology: Lessons from Nature, presenta la cre- ciente conexión entre biología y nanotecnología. Se puede Fax: (34) 91 5441380 encontrar más información en: wv7w.marbanlibros.com http://mgl.scripps.edu/people/goodsell Edición en español de: The Cell: a Molecular Approach, 5th edition Geoffrey M. Cooper and Robert E. Hausman Edición original © ASM Press Translated and published by arrangement with ASM Press, Washington, DC; USA Traducción: Dra. N. Wright Centro de Investigaciones Biológicas Madrid, España Fotocopiar es un delito (Art. 270 C.P.) Este libro está legalmente protegido por los derechos de propiedad intelectual. Cualquier uso, fuera de los límites establecidos por la legislación vigente, sin el consentimiento del editor, es ilegal. Esto se aplica en particular a la fotocopia y, en general, a la reproducción en cualquier otro soporte. 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-LII Impreso en España. Printed in Spain Contenido •u^rw£^<7 ^ m3 SECCIÓN i INTRODUCCIÓN Visión global Composición de las células e de las células 43 investigación celular 3 Moléculas de las células 43 Papel central de las enzimas 2ngen y evolución como catalizadores Carbohidratos 44 de las células 4 biológicos 73 ^ primera célula 4 Lípidos 46 Actividad catalizadora vclución del metabolismo 6 Ácidos nucleicos 50 de las enzimas 73 Procariotas actuales 8 Proteínas 52 Mecanismos de catálisis láulas eucariotas 8 enzimática 74 Membranas celulares 58 1 origen de los eucariotas 10 Lípidos de membrana 60 Coenzimas 78 Itesarrollo de organismos Proteínas de membrana 61 Regulación de la actividad multicelulares 12 Transporte a través enzimática 79 Células como modelos de membranas celulares 63 Energía metabólica 80 experimentales 16 Energía libre y ATP 81 noli 16 Proteómica: el análisis a gran Generación de ATP escala de las proteínas ¿vaduras 17 celulares 65 a partir de glucosa 84 dc'iorhábáitls degans 17 Identificación de proteínas Producción de energía \^ophila melanogaster 18 celulares 66 a partir de otras moléculas \rabidopsis thaliana 19 Análisis global de la localización orgánicas 89 Vertebrados 19 de proteínas 68 Fotosíntesis 90 Instrumentos Interacciones proteicas 69 Biosíntesis de los componentes de la biología celular 21 celulares 91 Necroscopia óptica 21 EXPERIMENTO CLAVE: Carbohidratos 92 '•Lcroscopia electrónica 27 Plegamiento de las cadenas Lípidos 93 polipeptídicas 54 ftraración subcelular 30 EXPERIMENTO CLAVE: Proteínas 94 Crecimiento de las células Estructura de las membranas Ácidos nucleicos 97 animales en cultivo 33 celulares 59 Cultivo de células vegetales 34 Resumen y palabras clave 70 MEDICINA MOLECULAR: Virus 38 Preguntas 71 FenHcetonuria 96 Bibliografía 72 EXPERIMENTO CLAVE: Antimetabolitos y quimioterapia 98 EXPERIMENTO CLAVE: Cjltivo celular animal 35 Resumen y palabras clave 100 MEDICINA MOLECULAR: Preguntas 101 Virus y cáncer 37 Bibliografía 101 Resumen y palabras clave 39 Preguntas 41 Bibliografía 42 4 Fundamentos de ADN recombinante 118 Función de los genes Endonucleasas de restricción 118 en eucariotas 136 biología molecular 103 Generación de moléculas Análisis genético en levaduras 136 de ARN recombinante 120 Transferencia de genes Herencia, genes y ADN 103 Vectores para ADN en plantas y animales 138 Genes y cromosomas 104 recombinante 121 Mutagénesis de ADN clonados 141 Genes y enzimas 105 Secuenciación de ADN 124 Introducción de mutaciones Identificación del ADN Expresión de genes clonados 125 en genes celulares 142 como el material genético 107 Interferencia con la expresión Estructura del ADN 108 Detección de ácidos nucleicos génica celular 144 Replicación del ADN 110 y proteínas 128 Amplificación de ADN Expresión de la información EXPERIMENTO CLAVE: con la reacción en cadena genética 111 Hipótesis del provirus de ADN 116 de la polimerasa 128 EXPERIMENTO CLAVE: Colinealidad de genes Hibridación de ácidos Interferencia por ARN 147 y proteínas 111 nucleicos 130 Resumen y palabras clave 148 Papel del ARN mensajero 112 Sonda de anticuerpos Preguntas 150 Código genético 113 para proteínas 133 Bibliografía 150 Virus ARN y transcripción inversa 115 •ECCIÓNII FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTIC Genomas de Cuenorhabditis i- Organización y Replicación, *1 secuenciación de los elegans, Drosophila melanogaster mantenimiento genomas celulares ?55 y otros invertebrados 179 y reorganización Genomas de plantas 182 del ADN genómico 201 Genoma humano 184 Complejidad de los genomas de eucariotas 155 Genomas de otros vertebrados 18 Replicación del ADN 201 Intrones y exones 157 ADN polimerasas 202 Secuencias de ADN Bioinf ormática y biología Horquilla de replicación 202 de sistemas 191 repetitivas 161 Fidelidad de replicación 210 Análisis sistemático Duplicación génica Orígenes e iniciación de la función génica 191 y pseudogenes 164 de la replicación 211 Regulación de la expresión Composición del genoma en los Telómeros y telomerasa: génica 192 eucariotas superiores 165 el mantenimiento Variación entre individuos de los extremos Cromosomas y cromatína 166 y medicina genómica 194 de los cromosomas 214 Croma tina 166 Centrómeros 170 EXPERIMENTO CLAVE: Reparación del ADN 216 Telómeros 174 Descubrimiento de los intrones 158 Inversión directa del ADN EXPERIMENTO CLAVE: dañado 216 El genoma humano 186 Secuencias de los genomas Reparación por escisión 219 completos 175 Resumen y palabras clave 196 Síntesis de ADN translesión 226 Genomas procariotas 177 Preguntas 198 Reparación de roturas Genoma de levaduras 178 Bibliografía 199 de doble hebra 227 entre secuencias Transcripción por las ARN Síntesis de proteínas, homologas deADN 228 polimerasas I y El 262 procesamiento 4odelos de recombinación y regulación 309 homologa 228 Regulación de la transcripción Erzimas implicadas en la en eucariotas 265 Traducción del ARNm 309 recombinación homologa 230 Secuencias de regulación en cis: ARN de transferencia 310 promotores y estimulares 266 ^organización del ADN 233 Sitios de unión para factores Ribosoma 311 Organización de los ARN «¿•combinación específica de transcripción 269 ¿e sitio 234 Proteínas de regulación mensajeros e inicio de la traducción 315 Trasposición vía intermediarios transcripcional 270 ir ADN 240 Estructura y función Mecanismo de la traducción 319 Regulación de la traducción 323 ~r;rj.posición vía intermediarios de los activadores _¿ ARN 242 de la transcripción 273 Plegamiento y procesamiento Aerificación génica 245 Represores encarióticos 276 de proteínas 329 Regulación de la elongación 278 Chaperonas y plegamiento f:;íRI MENTÓ CLAVE: Relación entre la estructura de proteínas 330 «rsanización de los genes cromatínica Enzimas que catalizan :e -^unoglobulinas 236 y la transcripción 278 ME)ICISÍA MOLECULAR: el plegamiento proteico 332 Regulación de la transcripción ínoer de colon y reparación del ADN Escisión de proteínas 333 por ARN no codificantes 285 Glicosilación 335 Insumen y palabras clave 247 Metilación del ADN 286 Anclaje de lípidos 337 Neuritas 249 biografía 249 Maduración y renovación Regulación de la función del ARN 287 de las proteínas 340 Maduración de los ARN Regulación por pequeñas SSíínntteessiiss ymaduración ribosómicos moléculas 340 del ARN.253 y de transferencia 288 Fosforilación de proteínas 341 Maduración del ARNm Interacciones proteína-proteína 343 .r=r.scripción en procariotas 251 en eucariotas 290 SX polimerasa Mecanismos de corte Degradación de proteínas 345 -/."scripción 252 y empalme o splicing 292 Vía de la ubiquitina-proteasoma 345 Z: r.trol negativo de la transcrip- Corte y empalme alternativo 298 Proteólisis lisosómica 348 ny represores 256 Corrección del ARN 300 I: r.rol positivo Degradación del ARN 302 EXPERIMENTO CLAVE: Papel catalítico del ARN ribosómico 316 ¿e la transcripción 258 EXPERIMENTO CLAVE: EXPERIMENTO CLAVE: Descubrimiento de las proteína-tirosina -_7_\~ polimerasas eucariotas Aislamiento de un factor de transcripción quinasas 344 - factores de transcripción eucariótico 272 Resumen y palabras clave 349 ;er,erales 258 EXPERIMENTO CLAVE: Preguntas 351 RX polimerasas eucarióticas 259 Descubrimiento del RNPsn 294 Bibliografía 351 racíores de transcripción Resumen y palabras clave 303 _ : ;rales e iniciación de la Preguntas 306 : Transcripción por la ARN Bibliografía 306 rolimerasa II 259 V SECCIÓN III ESTRUCTURA Y FUNCIÓN CELULARES Distribución y EXPERIMENTO CLAVE: NÚCleO 355 Hipótesis de la señal 388 transporte de MEDICINA MOLECULAR: I fí proteínas: retículo Enfermedad de Gaucher 425 Envuelta nuclear y tráfico entre ^ endoplásmico, Resumen y palabras clave 429 el núcleo y el citoplasma 355 aparato de Golgi y Preguntas 431 Estructura de la envuelta lisosomas m Bibliografía 431 nuclear 356 Complejo del poro nuclear 360 Retículo endoplásmico 383 Bioenergética y Transporte selectivo de proteínas Retículo endoplásmico metabolismo: desde y hacia el núcleo 361 Regulación del transporte y secreción de proteínas 384 11 mitocondrias, Mareaje de las proteínas para de proteínas al núcleo 367 cloroplastos dirigirse al retículo Transporte de ARN 368 y peroxisomas 433 endoplásmico 386 Inserción de las proteínas Organización interna en la membrana del RE 391 Mitocondrias 433 del núcleo 369 Plegamiento y procesamiento Organización y función Cromosomas y estructura de las proteínas en el RE 396 de las mitocondrias 434 de orden superior Control de calidad en el RE 398 Sistema genético de la cromatina 370 RE liso y síntesis de lípidos 402 de las mitocondrias 435 Sub-compartimentos nucleares 372 Exportación de proteínas Internalización de proteínas y Nucléolo y procesamiento y lípidos desde el RE 405 formación de las mitocondrias delARNr 374 437 Genes de ARN ribosómico Aparato de Golgi 408 y organización del nucléolo 375 Organización del Golgi 408 Mecanismo de la fosforilación oxidativa 443 Transcripción y procesamiento Glicosilación de proteínas Cadena de transporte delARNr 376 en el Golgi 410 de electrones 445 Ensamblaje de ribosomas 378 Metabolismo de lípidos y de Acoplamiento quimiosmótico 446 polisacáridos en el Golgi 412 Transporte de metabolitos MEDICINA MOLECULAR: Distribución y exportación a través de la membrana Enfermedades de la lámina nuclear 358 de proteínas desde el aparato EXPERIMENTO CLAVE: de Golgi 413 interna 450 Identificación de las seriales de Idealización nuclear 362 Cloroplastos y otros plástidos Mecanismo de transporte 452 Resumen y palabras clave 379 de las vesículas 416 Estructura y función Preguntas 381 Aproximaciones experimentales de los cloroplastos 452 Bibliografía 381 al conocimiento del transporte Genoma del cloroplasto 454 de las vesículas 416 Internalización y distribución Selección de la mercancía, de las proteínas proteínas de la cubierta del cloroplasto 455 y gemación vesicular 418 Otros plástidos 457 Fusión de las vesículas 420 Fotosíntesis 459 Lisosomas 423 Flujo de electrones a través Hidrolasas lisosómicas acidas 423 de los fotosistemas I y II 460 Endocitosis y formación Flujo cíclico de electrones 463 del lisosoma 426 Síntesis de ATP, 463 Fagocitosis y autofagia 426 raroxisomas 464 Microtúbulos 504 Endocitosis 554 -•.-dones de los peroxisomas 465 Estructura y organización Fagocitosis 557 Formación del peroxisoma 466 dinámica de los Endocitosis mediada microtúbulos 504 por receptor 558 «ÉDICINA MOLECULAR: Ensamblaje de microtúbulos 507 Tráfico de proteínas ffmedades de las mitocondrias: La organización de los microtú- en la endocitosis 563 •Kuropatía óptica hereditaria bulos en el interior celular 509 deLeber 438 EXPERIMENTO CLAVE: S.tRIMENTO CLAVE: ora quimiosmótica 448 Motores microtubulares Receptor de las LDL 560 y movimientos 511 fcsumen y palabras clave 469 MEDICINA MOLECULAR: Identificación de las proteínas Fibrosis quística 560 -¿•cuntas 471 motoras microtubulares 511 Resumen y palabras clave 567 Mografía 471 Transporte de mercancías Preguntas 568 y organización intracelular 515 Bibliografía 568 Citoesqueleto Cilios y flagelos 517 y movimiento Reorganización de los microtúbu Paredes celulares, celular 473 los durante la mitosis 519 matriz extracelular Movimiento cromosómico 520 e interacciones rsructura y organización de celulares 559 xs filamentos de actina 473 EXPERIMENTO CLAVE: •samblaje y desensamblaje La expresión de una queratina mulante Paredes celulares 569 causa un desarrollo anómalo i'í '.^ filamentos de actina 474 en la piel 502 Paredes celulares bacterianas 569 rr=2nizadón de los filamentos EXPERIMENTO CLAVE: Paredes celulares eucariotas 572 ¡e actina 479 Aislamiento de la quinesia 512 xiadón de los filamentos Resumen y palabras clave 523 Matriz extracelular y las be actina con la membrana Preguntas 525 interacciones célula-matriz 577 •friática 481 Bibliografía 525 Proteínas estructurales ctuberancias de la superficie de la matriz 578 3¿¿ar 485 3 Membrana Polisacáridos de matriz 581 1 plasmática 529 Proteínas de adhesión vrza, miosina y movimiento a la matriz 582 r=l-^ar 486 Interacciones célula-matriz 583 •teacdón muscular 486 Estructura de la membrana naciones contrátiles plasmática 529 Interacciones célula-célula 587 le actina y miosina en células Bicapa lipídica 529 Uniones adhesivas 587 e musculares 491 Proteínas de membrana 532 Uniones estrechas 591 mas no musculares 493 Movilidad de las proteínas Uniones de tipo gap 592 •ación de extensiones de la membrana 537 Plasmodesmas 595 -.miento celular 494 Glicocálix 540 EXPERIMENTO CLAVE: ¡ intermedios 496 Transporte de moléculas Caracterización de la integrina 584 : E los filamentos pequeñas 540 MEDICINA MOLECULAR: Enfermedades por las uniones —«ios 497 Difusión pasiva 541 de tipo gap 594 Maje de los filamentos Difusión facilitada y proteínas Resumen y palabras clave 596 —edios 499 transportadoras 542 Preguntas 598 ación intracelular de los Canales iónicos 543 Bibliografía 598 euros intermedios 500 Transporte activo dirigido ; de las queratinas por la hidrólisis de ATP 550 ¡lamentos: Transporte activo dirigido medades de la piel por gradientes iónicos 555 ---.-:• " TTVIOSO 502 Vil SECCIÓN iv REGULACK 15 Señalización Señalización vía NF-kB 637 Reguladores de la progresión celular 603 Vías Hedgehog Wnt y Notch 638 del ciclo celular 659 Proteínas quinasas y la regulación Transducción de señales del ciclo celular 659 Moléculas señalizadoras y citoesqueleto 640 Familias de ciclinas y quinasas y sus receptores 603 Integrínas y transducción dependientes de ciclinas 664 Tipos de señalización de señales 641 Factores de crecimiento célula-célula 604 Regulación del citoesqueleto y la regulación de las Cdk Hormonas esteroideas de actina 641 deGl 667 y superfamilia de receptores Puntos de control de lesiones de asteroides 605 Redes de señalización 644 en el ADN 670 Óxido nítrico y monóxido Retroalimentación de carbono 607 y relaciones cruzadas 644 Acontecimientos de la fase M 672 Neurotransmisores 608 Redes de transducción Etapas de la mitosis 672 Hormonas peptídicas de la señal celular 645 Cdkl/Ciclina B y la progresión y factores de crecimiento 609 hacia la metafase 675 Eicosanoides 611 EXPERIMENTO CLAVE: Punto de control de ensamblaje Receptores acoplados a proteínas G Hormonas vegetales 612 y detección de olores 616 del huso y progresión hacia MEDICINA MOLECULAR: anafase 678 Funciones de los receptores Cáncer, transducción de señales Citocinesis 680 y oncogenes ras 633 de la superficie celular 613 Receptores asociados Resumen y palabras clave 647 Meiosis y fecundación 681 a proteínas G 614 Preguntas 650 Proceso de la meiosis 681 Receptores proteína-tirosina Bibliografía 650 Regulación de la meiosis quinasa 615 en los oocitos 684 Receptores de citoquinas Fecundación 687 y proteína-tirosina quinasas I r> Ciclo celular 653 no receptoras 620 EXPERIMENTO CLAVE: Descubrimiento del MPF 660 Receptores asociados a otras EXPERIMENTO CLAVE: actividades enzimáticas 620 Ciclo celular eucariota 653 La identificación de la ciclina 663 Fases del ciclo celular 654 Resumen y palabras clave 688 Vías de transducción Regulación del ciclo celular Preguntas 690 intracelular de señales 621 por el crecimiento celular Bibliografía 690 Vía del AMPc: segundos y por señales extracelulares 655 mensajeros y fosforilación Puntos de control del ciclo de proteínas 622 celular 657 GMP cíclico 624 Restringir la replicación del ADN Fosfolípidos y Ca2+ 625 a una vez por ciclo celular 658 Las vías PI 3-Quinasa/Akt ymTOR 628 Vía de las quinasas MAP 630 Vías JAK/STAT y TGF-b/Smad 636 1 Muerte y renovación Id Enfoques moleculares ». Cáncer 725 para el tratamiento del cáncer celular 693 \M 761 Prevención y detección '. celular programada 693 Desarrollo y causas del cáncer precoz 761 - - : ;~:os de la apoptosis 694 719 Diagnóstico molecular 761 «pasas: Los ejecutores Tipos de cáncer 725 Tratamiento 763 i la apoptosis 697 Desarrollo del cáncer 727 fcsniadores centrales Causas del cáncer 728 EXPERIMENTO CLAVE: í la apoptosis: la familia Propiedades de las células Descubrimiento 1 698 cancerosas 729 de los proto-oncogenes 742 • ¿e señalización Transformación de las células MEDICINA MOLECULAR: t regulan la apoptosis 701 en cultivo 734 Imatinib: Tratamiento del cáncer dirigido contra en oncogén bcr/abl 766 e alternativas de muerte Virus tumorales 735 Resumen y palabras clave 767 r^lar programada 705 Virus de la hepatitis B y C 736 Preguntas 770 SV40 y poliomavirus 736 Bibliografía 770 I i. -_Lf madre - i. -ar.tenimiento Papilomavirus 737 IT .:< tejidos adultos 705 Adenovirus 738 Respuestas a las preguntas 773 iréraáón de células Herpesvirus 738 Glosario 783 •«ciadas 706 Retrovirus 738 índice 799 -rradre 708 lociones médicas de las Oncogenes 739 y-:'.5~ madre de adulto 713 Oncogenes retrovíricos 739 Proto-oncogenes 740 '-•: — madre embrionarias Los oncogenes en el cáncer - ¿ i: nación terapéutica 716 humano 743 • madre embrionarias 716 Funciones de los productos r\cia nuclear de células oncogénicos 747 - T_i-;a; 718 .iré totipotenciales Genes supresores de tumores 719 752 Identificación de los genes STO CLAVE: Identificación supresores de tumores 752 os aenes necesarios para la muerte Funciones de los productos ¿mada 696 de los genes supresores \~O CLAVE: Cultivo de de tumores 756 ~": ::~e embrionarias 715 Papel de los oncogenes - .--r v oalabras clave 720 y de los genes supresores "22 de tumores en el desarrollo . — aria 722 del tumor 759