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Es esencial el conocimiento básico de la biología celular para comprender cómo funcionan los aparatos y los sistemas orgánicos. Un recurso fundamental para analizar los elementos constitutivos de la célula es el microscopio. El microscopio óptico permite observar estructuras de hasta 0.2 µm, en tanto que el microscopio electrónico hace posible la visualización de estructuras de 0.002 µm. Las dimensiones celulares son bastante variables, pero tal resolución deja ver de manera apropiada el modo en que funciona la célula. La disponibilidad de microscopia con fluorescencia, confocal y muchas otras técnicas de microscopia, en conjunción con sondas especiales para la revisión estática y dinámica de estructuras celulares, han ampliado aún más el conocimiento acerca de las estructuras y la función celulares. Avances revolucionarios en la biofísica, la bioquímica y las técnicas de biología molecular han contribuido en gran medida al conocimiento vinculado con la célula.
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Es considerable la especialización de las células en varios órganos y ninguna célula puede denominarse “típica” con respecto a la totalidad de las células corporales. Sin embargo, varias estructuras (organelos) son comunes a la mayor parte de aquéllas. Estas estructuras se muestran en la figura 2-1, muchas de las cuales pueden aislarse por medio de ultracentrifugado combinado con otras técnicas. Cuando las células son objeto de procesos de homogeneización y la suspensión obtenida se centrifuga, los núcleos se sedimentan en primer lugar, seguidos por las mitocondrias. La centrifugación de alta velocidad que genera fuerzas de 100 000 veces la gravedad o más, hace posible la segmentación de una fracción constituida por gránulos denominados microsomas. Esta fracción incluye organelos como ribosomas y peroxisomas.
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La membrana que rodea a la célula es una estructura notable. Está constituida por lípidos y proteínas y es semipermeable, lo cual permite el paso de algunas sustancias a través de ella al tiempo que evita el paso de otras. No obstante, su permeabilidad puede variar porque contiene numerosos conductos regulados y otras proteínas de transporte que pueden cambiar la cantidad de sustancias que la atraviesan. En general, se le denomina membrana plasmática. El núcleo y otros organelos en la célula están limitados por estructuras membranosas similares.
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La estructura química de las membranas y sus propiedades varían de manera considerable de una ubicación a otra, pero comparten algunas características. En general, aquéllas tienen un espesor cercano a 7.5 nm (75 Å). Los principales lípidos son fosfolípidos, como fosfatidilcolina, fosfatidilserina y fosfatidiletanolamina. La forma de las moléculas de fosfolípidos refleja sus propiedades de solubilidad: un extremo de la molécula contiene una porción fosfato, la cual es relativamente soluble en agua (polar, hidrofílica) y, el otro extremo es relativamente insoluble en dicha sustancia (no polar, hidrófoba). El poseer propiedades hidrofílica e hidrófoba hace de los lípidos moléculas anfipáticas. En la membrana, los extremos hidrófilos de las moléculas están expuestos al entorno acuoso que rodea el exterior de las células y el citoplasma acuoso; los extremos hidrófobos se encuentran en contacto con la región interior de la membrana, la cual posee bajo contenido de agua (fig. 2-2). En las células procariotas (p. ej., bacterias en las cuales no hay núcleo), las membranas son relativamente simples, mientras que en las células eucariotas (que contienen núcleo), las membranas celulares poseen varios glucoesfingolípidos, esfingomielina y colesterol además de fosfolípidos y fosfatidilcolina.
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Diversas proteínas están incluidas en la membrana. Se encuentran como unidades globulares separadas y muchas pasan a través de la membrana (proteínas integrales), en tanto que otras (proteínas periféricas) se observan incrustadas dentro y fuera de la membrana (fig. 2-2). La cantidad de proteínas varía de manera significativa con la función de la membrana, pero constituyen hasta casi 50% de la masa de la membrana; es decir, hay casi una molécula de proteína por 50 moléculas de fosfolípidos, las cuales son mucho más pequeñas. Las proteínas en la membrana tienen diversas funciones. Algunas son moléculas de adhesión celular (CAM, cell adhesion molecules) que fijan la célula con las células vecinas o con la lámina basal. Otras proteínas funcionan como bombas que transportan iones de manera activa a través de la membrana. Hay proteínas que actúan como transportadores al desplazar sustancias contra su gradiente de concentración mediante difusión facilitada. Otros más son conductos iónicos, que cuando se activan, permiten el paso de iones hacia el interior o del exterior de la célula. Más adelante, se revisan las funciones de las bombas, los transportadores y los conductos iónicos en el transporte a través de la membrana celular. Otro grupo de proteínas actúa como receptores, a los cuales se unen ligandos o moléculas mensajeras y que inician cambios fisiológicos en el interior de la célula. Las proteínas también se desempeñan como enzimas, al catalizar reacciones en la superficie de la membrana. Más adelante en este capítulo, se revisan ejemplos de cada uno de estos grupos.
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Las porciones sin carga, hidrófobas, de las proteínas suelen ubicarse en el interior de la membrana, en tanto que aquéllas con carga (hidrófilas) se ubican en la superficie. Las proteínas periféricas se hallan unidas a la superficie de la membrana de varias maneras. Una modalidad habitual es la unión a formas glucosiladas de fosfatidilinositol. Las proteínas sostenidas por estas anclas de glucosilfosfatidilinositol (GPI) (fig. 2-3) incluyen enzimas, como fosfatasa alcalina, varios antígenos y numerosas moléculas de adhesión, así como tres proteínas que antagonizan la lisis celular por medio del complemento. En seres humanos, se han descrito más de 45 proteínas de superficie celular unidas a glucosilfosfatidilinositol. Otras proteínas se encuentran combinadas con lípidos, es decir, tienen lípidos específicos unidos a ellas (fig. 2-3). Las proteínas pueden hallarse miristoladas, palmitoiladas o preniladas (es decir, tienen unidos grupos geranilgeranilo o farnesilo).
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La estructura proteínica (y en particular el contenido de las enzimas) de las membranas biológicas varía de una célula a otra, pero también en la misma célula. Por ejemplo, algunas de las enzimas incrustadas en la membrana celular son diferentes de las que se encuentran en las membranas mitocondriales. En las células epiteliales, las enzimas en la membrana celular sobre la superficie mucosa difieren de las halladas en la membrana celular en los bordes basal y externo de las células; es decir, las células están polarizadas y dicha polarización hace posible el transporte a través del epitelio. Las membranas son estructuras dinámicas y sus elementos constitutivos se renuevan en modo constante a diferentes tasas de velocidad. Algunas proteínas están fijas al citoesqueleto, en tanto que otras se desplazan en sentido lateral en la membrana.
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Por debajo de la mayor parte de las células, se observa una capa delgada, mal delimitada con algunas fibrillas que, en conjunto, constituyen la membrana basal o, de manera más apropiada, la lámina basal. Esta última y, de modo más general, la matriz extracelular están constituidas por muchas proteínas que las mantienen unidas, regulan su desarrollo y determinan su crecimiento. Estas incluyen colágena, lamininas, fibronectina, tenascina y varios proteoglucanos.
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Hace más de 1 000 millones de años, las bacterias aerobias fueron incorporadas por células eucariotas y se transformaron en mitocondrias, lo cual proporcionó a dichas células la capacidad de sintetizar compuestos de trifosfato de adenosina (ATP) ricos en energía a través de la fosforilación oxidativa. La mitocondria desempeña otras funciones, incluida una participación en la regulación de la apoptosis (muerte celular programada), pero la función más importante es la fosforilación oxidativa. Cada célula eucariota puede tener cientos o miles de mitocondrias. En los mamíferos, casi siempre se les ilustra como organelos con forma cilíndrica (fig. 2-1), pero su conformación quizá sea bastante dinámica. Cada mitocondria consta de membrana externa, espacio intermembranoso, membrana interna, la cual se pliega para formar estructuras con aspecto de anaqueles (crestas), así como una matriz central. El complejo enzimático que participa en la fosforilación oxidativa se encuentra alineado sobre las crestas (fig. 2-4).
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Concordante con su origen a partir de bacterias aerobias, las mitocondrias poseen su propio genoma. Hay significativamente menos ácido desoxirribonucleico en el genoma mitocondrial que en el genoma nuclear y 99% de las proteínas en la mitocondria es producto de genes nucleares, pero el DNA mitocondrial es fundamental para la existencia de algunos componentes fundamentales de la vía de la fosforilación oxidativa. De manera específica, el DNA mitocondrial de los seres humanos es una molécula circular de doble tira que contiene casi 16 500 pares de bases (comparada con más de 1 000 millones en el DNA nuclear). Codifica 13 subunidades proteínicas que están relacionadas con proteínas codificadas por genes nucleares para dar origen a cuatro complejos enzimáticos, dos ácidos ribonucleicos ribosómicos y 22 ácidos ribonucleicos de transferencia, los cuales son necesarios para la síntesis proteínica en los ribosomas intramitocondriales.
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El complejo enzimático causante de la fosforilación oxidativa ilustra las interacciones entre los productos de los genomas mitocondrial y nuclear. Por ejemplo, el complejo I, deshidrogenasa de dinucleótido de adenina y nicotinamida (NADH) reducida, está constituido por siete subunidades proteínicas codificadas por el DNA mitocondrial y 39 subunidades codificadas por el DNA nuclear. El origen de las subunidades en los otros complejos se muestra en la figura 2-4. El complejo II (deshidrogenasa de succinato-oxidorreductasa de ubiquinona), el complejo III (oxidorreductasa de ubiquinona-citocromo c) y el complejo IV (oxidasa de citocromo c) actúan con el complejo I, con la coenzima Q y el citocromo c, para convertir los metabolitos a CO2 y agua. Los complejos I, III y IV bombean protones (H+) en el espacio intermembranoso durante esta transferencia de electrones. Los protones fluyen siguiendo su gradiente electroquímico a través del complejo V, la ATP sintasa, la cual aprovecha esta energía para producir ATP.
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En el cigoto, las mitocondrias se derivan del óvulo y, por tanto, su herencia es de tipo materno. Esta herencia materna se ha utilizado como un recurso para establecer la vía de evolución de la descendencia. La mitocondria tiene un sistema de reparación de DNA ineficaz y la tasa de mutación para el DNA mitocondrial es de casi 10 veces la tasa para el DNA nuclear. Gran número de enfermedades relativamente poco frecuentes se han rastreado hasta llegar a mutaciones en el DNA mitocondrial. Éstas incluyen la mayor parte de los trastornos hísticos con altas tasas metabólicas en las cuales hay alteraciones en la producción de energía como consecuencia de las anomalías en la generación de ATP, así como otros trastornos (recuadro clínico 2-1).
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RECUADRO CLÍNICO 2-1 Enfermedades propias de la mitocondria
Las enfermedades mitocondriales comprenden al menos 40 trastornos heterogéneos que se relacionan con un mal funcionamiento mitocondrial. Tales trastornos surgen después de mutaciones hereditarias o espontáneas en el DNA mitocondrial o nuclear que originan alteraciones funcionales de las proteínas mitocondriales (o RNA). Dependiendo de la célula efectora, de los tejidos afectados o de ambos elementos, entre los síntomas que surgen por las enfermedades de esta categoría están alteraciones del control motor y de la fuerza muscular, trastornos gastrointestinales, alteraciones del desarrollo, diabetes, convulsiones, trastornos visuales o auditivos, acidosis láctica, retraso del crecimiento, susceptibilidad a infecciones o enfermedades de corazón, hígado y vías respiratorias. Se cuenta con datos de isoformas histoespecíficas de proteínas mitocondriales, pero las mutaciones en estas últimas no explican del todo los perfiles extraordinariamente variables, o los sistemas y órganos “específicos” en que aparecen las enfermedades de la mitocondria.
AVANCES TERAPÉUTICOS Ante la diversidad de tipos de enfermedades y la importancia global de la mitocondria en la producción de energía no es de sorprender que no se cuente con un método terapéutico para las enfermedades mitocondriales y sólo sea factible el tratamiento sintomático. Por ejemplo, en algunas miopatías mitocondriales (p. ej., enfermedades mitocondriales que se manifiestan en la función neuromuscular), la fisioterapia es útil para ampliar el arco de movimiento de músculos y mejorar la destreza.
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En el citoplasma de la célula, se observan estructuras irregulares rodeadas por una membrana. El interior de estas estructuras, denominadas lisosomas es más ácido que el resto del citoplasma y el material externo, como las bacterias que sufrieron endocitosis y los componentes celulares desgastados que se digieren dentro de aquéllos. El interior se mantiene con pH ácido por la actividad de la bomba de protones o H+, adenosina trifosfatasa (ATPasa). Esta proteína integral de membrana utiliza la energía del ATP para desplazar protones del citosol en contra de su gradiente electroquímico y conservar la acidez relativa de los lisosomas, cercana a un pH de 5.0. Los lisosomas pueden contener más de 40 tipos de enzimas hidrolíticas, algunas de las cuales se enumeran en el cuadro 2-1. No es de sorprender que todas estas enzimas sean hidrolasas ácidas, cuya función es mejor en el pH ácido que se encuentra en el compartimiento lisosómico. Ésta quizá sea una característica de seguridad para la célula; si los lisosomas se rompen y liberan su contenido, las enzimas no serían eficaces a un pH citosólico casi neutro 7.2 y, por tanto, no podrían digerir las enzimas citosólicas con las que pudieran tener contacto. Las enfermedades relacionadas con disfunción lisosómica se revisan en el recuadro clínico 2-2.
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RECUADRO CLÍNICO 2-2 Enfermedades lisosómicas
Cuando una enzima lisosómica está ausente por mecanismos congénitos, los lisosomas se ingurgitan con el material que ella normalmente degrada, situación que culmina en alguna de las enfermedades lisosómicas (llamadas también por depósito lisosómico). En la actualidad se han identificado más de 50 enfermedades de ese tipo. Por ejemplo, la enfermedad de Fabry es causada por deficiencia de α-galactosidasa; la de Gaucher por deficiencia de la β-galactocerebrosidasa y la de Tay-Sachs, que ocasiona retraso mental y ceguera, es producida por la pérdida de la hexosaminidasa A, enzima lisosómica que cataliza la biodegradación de gangliósidos (derivados de ácidos grasos). Las enfermedades individuales de esta categoría son raras pero son graves y a veces letales.
AVANCES TERAPÉUTICOS Se han identificado muchos trastornos lisosómicos, razón por la cual varían enormemente los tratamientos y no hay “cura” definitiva en el caso de muchas de estas enfermedades. Gran parte de la atención clínica se orienta a atender y corregir síntomas de cada trastorno específico. La reposición enzimática ha sido eficaz en algunas enfermedades de esta categoría, que incluyen las enfermedades de Gaucher y Fabry. Sin embargo, no se ha definido en forma cabal su eficacia a largo plazo y los efectos hísticos específicos de muchos de los tratamientos del tipo mencionado. Otras estrategias recientes incluyen el trasplante de médula ósea o de blastocitos. También en este caso se requieren avances médicos para combatir este grupo de enfermedades.
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Estos tienen un diámetro de 0.5 µm, se encuentran rodeados por una membrana y contienen enzimas que pueden producir H2O2 (oxidasas) o desdoblamiento (catalasas). Las proteínas se dirigen al peroxisoma por secuencia de señales única con la ayuda de proteínas chaperonas, las peroxinas. La membrana del peroxisoma contiene varias proteínas específicas para peroxisomas que participan en el transporte de sustancias hacia el interior y el exterior de la matriz del peroxisoma. La matriz contiene más de 40 enzimas que trabajan en conjunto con las que se encuentran fuera del peroxisoma con la función de catalizar diversas reacciones anabólicas y catabólicas (p. ej., desdoblamiento de lípidos). Los peroxisomas pueden formarse por la gemación del retículo endoplásmico o mediante división. Varios compuestos sintéticos en apariencia originan proliferación de los peroxisomas al actuar sobre los receptores en el núcleo celular. Estos receptores activados de la proliferación del peroxisoma (PPAR, peroxisome proliferator-activated receptors) son miembros de la superfamilia de receptores nucleares. Cuando se activan, se unen al ácido desoxirribonucleico y generan cambios en la producción de ácido ribonucleico mensajero (mRNA). Los efectos conocidos de los receptores activados de la proliferación del peroxisoma son amplios y pueden afectar la mayor parte de los tejidos y los órganos.
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Todas las células tienen un citoesqueleto, un sistema de fibras que mantiene la estructura de la célula al tiempo que hace posible cambiar su forma, así como el movimiento. El citoesqueleto está constituido sobre todo por microtúbulos, filamentos intermedios y microfilamentos (fig. 2-5), junto con proteínas que las anclan y las conservan unidas. Además, las proteínas y los organelos se desplazan a lo largo de microtúbulos y microfilamentos de una a otra parte de la célula, impulsados por motores moleculares.
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Los microtúbulos (figs. 2-5 y 2-6) son estructuras largas, huecas, con paredes de 5 nm que rodean una cavidad de 15 nm de diámetro. Están constituidos por dos subunidades de proteínas globulares: tubulina α y β. Una tercera subunidad, tubulina γ, se relaciona con la producción de microtúbulos por los centrosomas. Las subunidades α y β forman heterodímeros que se agregan para constituir tubos largos formados por anillos apilados y cada anillo, por lo regular, contiene 13 subunidades. Los túbulos interactúan con (GTP) para facilitar su formación. Tal vez se añadan subunidades de microtúbulos en ambos extremos, pero aquéllos son polares y el ensamblaje predomina en el extremo positivo, mientras que en el extremo negativo es preponderante el desacoplamiento. Ambos procesos aparecen de manera simultánea in vitro. El crecimiento de los microtúbulos es sensible a la temperatura (se favorece el desacoplamiento en situaciones de temperaturas bajas) y está supeditado al control de diversos factores celulares que pueden interactuar de manera directa con los microtúbulos en la célula.
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Por el ensamblaje y el desacoplamiento constantes, los microtúbulos son porciones dinámicas del esqueleto celular. Estos proporcionan la guía sobre la cual moléculas diferentes desplazan vesículas, organelos, gránulos secretores y mitocondrias de una parte de la célula a otra. Asimismo, forman los husos sobre los que se desplazan los cromosomas durante la mitosis. La carga puede ser transportada en ambos sentidos a lo largo de los microtúbulos.
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Hay fármacos disponibles que alteran la función celular mediante la interacción con los microtúbulos. Se evita el ensamblaje de estos últimos por medio de la actividad de la colquicina y la vinblastina. El paclitaxel es un fármaco antineoplásico que se une a los microtúbulos y los torna estables, de modo que los organelos no puedan desplazarse; no se forman los husos mitóticos y las células mueren.
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Los filamentos intermedios (fig. 2-5) tienen 8 a 14 nm de diámetro y están constituidos por varias subunidades. Algunos de estos filamentos conectan la membrana nuclear con la membrana celular. Forman un andamiaje flexible para la célula y ayudan en la resistencia a la presión externa. En su ausencia, la célula se rompe con mayor facilidad y cuando son anormales en seres humanos, con frecuencia aparecen ampollas en la piel. Las proteínas que forman filamentos intermedios son específicas para el tipo celular y, por tanto, de manera habitual se emplean como marcadores celulares. Por ejemplo, la vimentina es un filamento intermedio importante en los fibroblastos, en tanto que la citoqueratina se expresa en las células epiteliales.
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Los microfilamentos (figs. 2-5 y 2-6) son fibras sólidas largas con diámetro de 5 a 9 nm y que están constituidos por actina. Aunque esta última se vincula más a menudo con la contracción muscular, está presente en todos los tipos de células. Es la proteína más abundante en las células de mamíferos, conformando en ocasiones hasta 15% de las proteínas totales en la célula. Su estructura está muy conservada; por ejemplo, 88% de la secuencia de aminoácidos en la actina de levaduras y conejos es idéntico. Los filamentos de actina se polimerizan y despolimerizan in vivo y con frecuencia se ha observado polimerización en un extremo del filamento en tanto ocurre despolimerización en el otro extremo. El término filamentos (F) de actina se refiere a los microfilamentos intactos, en tanto que el término actina globular (G) denomina a las subunidades de actina no polimerizada. Las fibras de actina F se unen a varias partes del citoesqueleto y pueden interactuar de modo directo o indirecto con proteínas unidas a la membrana. Dichas fibras alcanzan las puntas de las microvellosidades sobre las células epiteliales de la mucosa intestinal. También hay abundantes lamelipodios que las células exteriorizan cuando se desplazan sobre superficies. Los filamentos de actina interactúan con los receptores de integrina y forman complejos de adhesión focal, que actúan como puntos de atracción con la superficie sobre la cual la célula se impulsa. Además, algunos motores moleculares utilizan microfilamentos como puntos de apoyo.
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Los motores moleculares que mueven proteínas, organelos y otras estructuras celulares (los cuales en conjunto se denominan “carga”) hacia todas las partes de la célula comprenden las ATPasas de 100 a 500 kDa. Éstas se unen a su carga en un extremo de la molécula y a microtúbulos o a polímeros de actina en el otro extremo, que con frecuencia se refieren como “cabeza”. Convierten la energía del ATP en movimiento a lo largo del citoesqueleto, transportando su carga con ellos. Hay tres superfamilias de motores moleculares: cinesina, dineínas y miosina. Los ejemplos de proteínas individuales de cada superfamilia se muestran en la figura 2-7. Es importante notar que hay una variación amplia entre los miembros de la superfamilia, lo cual hace posible la especialización de la función (p. ej., elección de la carga, tipo de filamento del citoesqueleto, dirección del movimiento o combinaciones de estas funciones).
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La forma convencional de la cinesina corresponde a una molécula de doble cabeza que tiende a desplazar su carga hacia el “extremo positivo” de los microtúbulos. Un extremo se une al microtúbulo y más tarde dobla su cuello, mientras otra cabeza se balancea hacia adelante y se une, con lo cual genera un movimiento casi continuo. Algunas cinesinas se relacionan con la mitosis y la meiosis; otras realizan diferentes funciones, que incluyen, en algunos casos, el desplazamiento de la carga al “extremo negativo” de los microtúbulos. Las dineínas poseen dos cabezas, con sus cuellos embebidos en un complejo de proteínas. Las dineínas citoplásmicas tienen una función similar a la de la cinesina convencional, excepto que tienden a desplazar las partículas y las membranas hacia el extremo negativo de los microtúbulos. Las múltiples formas de miosina en el organismo se dividen en 18 clases. Las cabezas de las moléculas de miosina se unen a la actina y producen movimiento por curvado de sus regiones del cuello (miosina II) o se desplaza a lo largo de los microfilamentos, una cabeza después de otra (miosina V). De este modo, ellas realizan funciones tan diversas como la contracción muscular y la migración celular.
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En el citoplasma de células animales eucariotas, cerca del núcleo se encuentra el centrosoma, que está constituido por dos centriolos y material pericentriolar amorfo circundante. Los centriolos son cilindros cortos dispuestos de modo tal que forman ángulos rectos uno respecto del otro. Los microtúbulos transcurren en sentido longitudinal en grupos de tres en las paredes de cada centriolo (fig. 2-1). Ninguno de estos tripletes se halla espaciado a intervalos regulares alrededor de la circunferencia.
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Los centrosomas son centros organizadores de microtúbulos (MTOC, microtubule-organizing centers) que contienen tubulina γ en el material pericentriolar. Cuando una célula se divide, los centrosomas se duplican a sí mismos y los pares se separan hacia los polos del huso mitótico; aquéllos son estructuras que permiten supervisar las etapas de la división celular. En las células multinucleadas, se encuentra un centrosoma cerca de cada núcleo.
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Los cilios son proyecciones celulares especializadas utilizadas por los microorganismos unicelulares para impulsarse a través de líquido y por organismos multicelulares, para mover el moco y otras sustancias sobre la superficie de los epitelios. Como aspecto adicional, prácticamente todas las células del organismo humano contienen un cilio primario que nace de la superficie y que tiene como función servir como organelo sensitivo que recibe señales mecánicas y químicas de otras células y del entorno. Desde el punto de vista funcional, los cilios son indistintos de los flagelos de los espermatozoides eucariotas. En el interior del cilio, se observa un axonema que incluye una disposición singular de nueve dobletes de microtúbulos externos y de dos microtúbulos internos (disposición “9 + 2”). A lo largo de este citoesqueleto, se encuentra dineína axonémica. Las interacciones coordinadas entre timina y microtúbulos en el interior del axonema constituyen la base para el movimiento ciliar y de los espermatozoides. En la base del axonema, en su interior, se halla el cuerpo basal. Este posee nueve tripletes de microtúbulos circunferenciales, similar a un centriolo y hay indicios de que los cuerpos basales y los centriolos se convierten uno en otro. Al haber disfunción de los cilios aparecen enfermedades y trastornos de diversa índole (recuadro clínico 2-3).
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MOLÉCULAS DE ADHESIÓN CELULAR
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Las células se unen a la lámina basal y una con otra por acción de las moléculas de adhesión celular (CAM, cell adhesion molecules), las cuales son parte prominente de las conexiones intercelulares descritas más adelante. Se descubrió que las funciones únicas estructurales y de señalización de estas proteínas de adhesión son importantes en el desarrollo embrionario y la formación del sistema nervioso y otros tejidos, para mantener los tejidos unidos en los adultos; en la inflamación y cicatrización de heridas; y en las metástasis tumorales. Muchas moléculas de adhesión celular atraviesan la membrana celular y se anclan al citoesqueleto en el interior de la célula. Algunas se unen a moléculas similares que se encuentran en otras células (unión homofílica), en tanto otras se vinculan con moléculas diferentes (unión heterófila). Muchas se unen a lamininas, una familia de moléculas con forma de cruz y múltiples dominios de receptor en la matriz extracelular.
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RECUADRO CLÍNICO 2-3 Enfermedades de origen ciliar
El término discinesia ciliar primaria se usa para señalar a un grupo de enfermedades hereditarias que limitan la estructura, la función o ambas, de los cilios. Desde hace mucho se han identificado los trastornos que se originan de disfunción ciliar, en las vías respiratorias; las alteraciones de la función mencionada en dichos órganos lentifican el mecanismo de limpieza ascendente mucociliar y originan obstrucción de las vías respiratorias y una mayor frecuencia de infecciones. Se sabe con detalle que la disregulación de la función ciliar de los espermatozoides origina la pérdida de su motilidad y con ello infertilidad. Se ha demostrado que los defectos en la función o estructura de los cilios primarios trascienden en la función de muy diversos órganos o tejidos. Como cabría esperar, las enfermedades en cuestión tienen un cuadro inicial muy heterogéneo, lo cual se debe en gran parte a los tejidos afectados; comprenden retraso mental, ceguera retiniana, obesidad, nefropatía poliquística, fibrosis hepática, ataxia y algunas formas de cáncer.
AVANCES TERAPÉUTICOS La intensidad de los trastornos de origen ciliar varía ampliamente, lo cual también ocurre con los tratamientos orientados a órganos individuales. Las medidas para tratar la discinesia ciliar en las vías respiratorias se orientan a conservar permeables estas últimas y sin infecciones. Las medidas incluyen el lavado y aspiración sistemática de cavidades sinusales y conductos auditivos y el uso irrestricto de antibióticos. También se utilizan comúnmente otros esquemas que impiden la obstrucción de las vías respiratorias (como broncodilatadores, mucolíticos y corticoesteroides).
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La nomenclatura de las moléculas de adhesión celular es un tanto complicada, en parte porque es un campo de rápido crecimiento y por el uso amplio de acrónimos, al igual que en otras áreas de la biología moderna. Sin embargo, las moléculas de adhesión celular pueden dividirse en cuatro familias amplias: 1) integrinas, heterodímeros unidos a varios receptores; 2) moléculas de adhesión de la superfamilia IgG de las inmunoglobulinas; 3) caderinas, moléculas dependientes de Ca2+ que median la adhesión celular por reacciones hemofílicas y 4) selectinas, que muestran dominios similares a los de la lectina, que se fijan a los carbohidratos. Las funciones específicas de algunas de estas moléculas se revisan en otros capítulos.
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Las moléculas de adhesión celular fijan células con otras células vecinas y también transmiten señales hacia el interior y el exterior de la célula. Por ejemplo, las células que pierden su contacto con la matriz extracelular a través de las integrinas, poseen una tasa más alta de apoptosis en comparación con las células que se hallan fijas; las interacciones entre las integrinas y el citoesqueleto participan en el movimiento celular.
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CONEXIONES INTERCELULARES
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En general, las uniones intercelulares formadas entre las células en los tejidos pueden dividirse en dos grupos: uniones que fijan células entre sí y con los tejidos circundantes y uniones que permiten la transferencia de iones y otras moléculas de una célula a otra. Los tipos de uniones que mantienen juntas a las células y proporcionan fuerza y estabilidad a éstas incluyen las uniones estrechas, también conocida como zónula de oclusión (fig. 2-8). El desmosoma y la zónula de adherencia también ayudan a conservar las células unidas; en cambio, el hemidesmosoma y las adherencias focales unen a las células con sus láminas basales. Las uniones intercelulares comunicantes forman un “conducto” citoplásmico para la difusión de moléculas pequeñas (menores de 1 000 Da) entre dos células vecinas.
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Por lo regular, las uniones estrechas se hallan rodeadas por bordes apicales de células en epitelios, como la mucosa intestinal, las paredes de los túbulos renales y el plexo coroideo. Tales uniones son importantes para la función de barrera endotelial, las cuales están constituidas por crestas que se adhieren con fuerza en la unión celular, con lo cual casi obliteran el espacio entre las células. Hay tres familias principales de proteínas transmembrana que contribuyen a las uniones estrechas: ocludina, moléculas de adhesión de la unión (JAM, junctional adhesion molecules) y claudinas, así como varias proteínas más que interactúan en el lado del citosol. Las uniones estrechas permiten el paso de algunos iones y solutos entre células adyacentes (vía paracelular) y el grado de la “fuga” varía según sea la parte de la proteína que participe en la formación de la unión estrecha. El flujo extracelular de iones y solutos a través del epitelio en estas uniones constituye una parte significativa del flujo total de iones y solutos. Además, las uniones estrechas evitan el movimiento de proteínas en el plano de la membrana, lo cual ayuda a preservar la distribución diferente de los transportadores y los conductos, en las membranas celulares apical y basolateral que hacen posible el transporte a través del epitelio.
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En las células epiteliales, cada zónula adherente suele ser una estructura continua en el lado basal de la zónula de oclusión y éste es el principal sitio de unión de los microfilamentos intracelulares; la zónula adherente contiene caderinas.
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Los desmosomas corresponden a placas que se caracterizan por aposición estrecha de las membranas de dos células adyacentes. Unidos al área engrosada en cada célula, se encuentran los filamentos intermedios, algunos de los cuales transcurren en dirección paralela con la membrana y otros tienen una disposición radial, alejándose de ella. Entre los engrosamientos de la membrana, el espacio intercelular contiene material filamentoso que incluye caderinas y porciones extracelulares de otras proteínas transmembrana.
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Los hemidesmosomas presentan un aspecto similar a una placa de adhesión que une a las células con la lámina basal subyacente y que están conectados con los filamentos intermedios intracelulares. Sin embargo, contienen integrinas más que caderinas. La adhesión focal también une las células a sus láminas basales. Como se mencionó, son estructuras lábiles relacionadas con filamentos de actina en el interior de la célula y que desempeñan una función importante en el movimiento celular.
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El espacio intercelular mide hasta 4 nm en las uniones comunicantes. Aquí, las unidades llamadas conexones en la membrana de cada célula se alinean unas con otras para formar la unión comunicante dodecamérica (fig. 2-9). Cada conexón está formada por seis subunidades proteínicas llamadas conexinas. Estas rodean un conducto que, cuando se alinea con el conducto en el conexón correspondiente en la célula adyacente, permite que las sustancias pasen entre las células sin que entren al líquido extracelular (ECF, extracellular fluid). Se calcula que el diámetro del poro del conducto mide entre 0.8 y 1.4 nm, lo que permite el paso de iones, azúcares, aminoácidos y otros solutos con peso molecular de hasta 1 000 Da. Las uniones estrechas favorecen la propagación rápida de la actividad eléctrica de una célula a otra, así como el intercambio de varios mensajeros químicos. Sin embargo, las uniones intercelulares comunicantes no son conductos pasivos, inespecíficos. Al menos 20 genes diferentes codifican conexinas en seres humanos y la mutación en tales genes conduce a enfermedades muy selectivas en cuanto a los tejidos afectados y el tipo de comunicación generado entre las células (recuadro clínico 2-4). Los experimentos en ratones con deleción de una conexina particular mediante manipulación génica o sustitución con una conexina diferente, confirman que las subunidades particulares de conexinas que participan en la producción de conexonas, determinan su permeabilidad y selectividad. Es importante destacar que las conexiones también sirven de conducto para el paso regulado de moléculas pequeñas entre el citoplasma y el líquido extracelular. Tal desplazamiento permite que surjan vías adicionales de señales entre las células y el tejido en ambos sentidos.
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NÚCLEO Y ESTRUCTURAS RELACIONADAS
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En toda célula eucariota con capacidad para dividirse, se observa un núcleo. El núcleo está constituido en gran medida por cromosomas, estructuras que se encuentran en el interior del núcleo y que portan la información genética completa para todas las especies herederas, así como las características individuales del animal. Con la excepción de las células germinativas, los cromosomas se presentan en pares, originalmente uno proveniente de cada padre. Cada cromosoma está constituido por una molécula gigante de ácido desoxirribonucleico. Una tira de este último tiene casi 2 m de longitud, pero se acomoda en el núcleo gracias a los plegamientos a intervalos alrededor de un centro de proteínas de histona para dar origen a un nucleosoma. Hay casi 25 millones de nucleosomas en cada núcleo. La estructura de los cromosomas se ha vinculado con “un collar de cuentas”. Las cuentas son los nucleosomas y el DNA entre ellas es la cuerda. La totalidad del complejo de DNA y las proteínas se denomina cromatina. Durante la división celular, el enrollamiento en las histonas se hace más laxo, tal vez por acetilación de las histonas y se tornan visibles los pares de cromosomas, pero entre las divisiones celulares solo se observa cromatina agrupada en el núcleo. La unidad final de herencia corresponde a los genes en los cromosomas. Como se revisó en el capítulo 1, cada gen es una porción de molécula del DNA.
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RECUADRO CLÍNICO 2-4 Participación de las conexinas en las enfermedades
Hay mucha información sobre las funciones in vivo de las conexinas, derivadas del trabajo en ratones con bloqueo de conexina y el análisis de mutaciones en las conexinas humanas.
Los genes desactivados de ratones señalaron que las deleciones de la conexina ocasionaban defectos electrofisiológicos en el corazón y la predisposición a que se produjera la muerte repentina de origen cardiaco, esterilidad de la hembra, desarrollo óseo anormal, crecimiento anormal del hígado, cataratas, anacusia y otras anomalías más. Los datos obtenidos de los estudios en cuestión y otros más han permitido identificar algunas mutaciones de conexinas que, según expertos, son las que explican casi 20 enfermedades diferentes de seres humanos, comprenden algunas dermatosis como el síndrome de Clouston [un defecto en la conexina 30 (Cx30)] y la eritroqueratodermia variable (Cx30.3 y Cx31); la sordera hereditaria (Cx26, Cx30 y Cx31); predisposición a la epilepsia mioclónica (Cx36), predisposición a la arterioesclerosis (Cx37); cataratas (Cx46 y Cx50); fibrilación auricular idiopática (Cx40) y enfermedad de Charcot-Marie-Tooth ligada al cromosoma X (Cx32). Un aspecto interesante es que cada uno de los tejidos “generadores” de las enfermedades contiene otras conexinas que no compensan del todo la pérdida de las indispensables en el desarrollo y génesis de enfermedades. Un terreno de investigación acelerada es el que intenta esclarecer la forma en que conexinas individuales alteran la fisiología celular para contribuir a la aparición de las enfermedades mencionadas y otras más en seres humanos.
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El núcleo de la mayor parte de las células contiene un nucléolo (fig. 2-1), una acumulación de gránulos ricos en ácido ribonucleico (RNA). En algunas células, el núcleo contiene varias de estas estructuras. El nucléolo es más prominente y numeroso en las células en crecimiento. Aquél es sitio de síntesis de ribosomas, las estructuras en el citoplasma en las cuales se sintetizan las proteínas.
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El interior del núcleo tiene un esqueleto de filamentos finos que se encuentran unidos a la membrana nuclear o envoltura (fig. 2-1), la cual rodea el núcleo. Esta es una membrana doble y los espacios entre los pliegues se denominan cisternas perinucleares. La membrana es permeable sólo a las moléculas pequeñas. No obstante, contiene complejos de poros nucleares. Cada complejo tiene ocho repeticiones simétricas y está constituido por casi 100 proteínas organizadas para formar un conducto a través del cual ocurre el transporte de proteínas y de mRNA. Se conocen muchas vías de transporte e innumerables proteínas participan en ellas, entre otras las importinas y exportinas, que se han identificado y definido. Gran parte de la investigación presente se centra en el transporte hacia el interior y el exterior del núcleo y, en un futuro cercano, se logrará una mejor comprensión de este proceso.
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RETÍCULO ENDOPLÁSMICO
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El retículo endoplásmico es una serie compleja de túbulos en el citoplasma de la célula (fig. 2-1; fig. 2-10 y fig. 2-11). La extremidad interna de su membrana tiene continuidad con un segmento de la membrana nuclear, de forma que, en efecto, esta parte de la membrana nuclear es una cisterna de retículo endoplásmico. Las paredes tubulares se encuentran constituidas por membrana. En el retículo endoplásmico rugoso o granuloso, los ribosomas se hallan unidos al extremo citoplásmico de la membrana, en tanto el retículo endoplásmico liso o agranular carece de ribosomas. En el citoplasma, se observan ribosomas libres. El retículo endoplásmico rugoso participa en la síntesis de proteínas y en el plegamiento inicial de cadenas polipeptídicas mediante la formación de puentes de disulfuro. El retículo endoplásmico liso es el sitio de síntesis de esteroides en las células que producen dichas hormonas y corresponde al lugar donde ocurre la desintoxicación en algunas células. El retículo sarcoplásmico es un retículo endoplásmico modificado que desempeña una función importante en los músculos estriado y cardiaco. En particular, el retículo endoplásmico o sarcoplásmico puede secuestrar iones de Ca2+ y permite la liberación de moléculas de señalización en el citosol.
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Estas estructuras en las células eucariotas miden casi 22 por 32 nm. Cada ribosoma está formado por una subunidad grande y una pequeña, las cuales, con base en la tasa de sedimentación durante la ultracentrifugación, reciben el nombre de subunidades 60S y 40S. Los ribosomas son estructuras complejas que contienen muchas proteínas diferentes y al menos tres RNA ribosómicos. Son sitios de síntesis proteínica. Los ribosomas que se unen al retículo endoplásmico sintetizan todas las proteínas transmembrana, la mayor parte de las proteínas secretadas y casi todas las proteínas que se almacenan en el aparato de Golgi, lisosomas y endosomas. Estas proteínas casi siempre tienen una señal peptídica hidrófoba en un extremo (fig. 2-10). Las cadenas polipeptídicas que forman estas proteínas son exteriorizadas hacia el retículo endoplásmico. Los ribosomas libres sintetizan proteínas citoplásmicas, como la hemoglobina y las proteínas halladas en los peroxisomas y las mitocondrias.
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APARATO DE GOLGI Y DESPLAZAMIENTO DE VESÍCULAS
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El aparato de Golgi es un cúmulo de cavidades (cisternas) rodeadas por membrana, dispuestas de manera similar a una pila de monedas (fig. 2-1). Todas las células eucariotas cuentan con uno o más aparatos de Golgi, casi siempre cerca del núcleo. Gran parte de la organización del aparato de Golgi se dirige a la glucosilación apropiada de proteínas y lípidos. Se conocen más de 200 enzimas que funcionan para añadir, retirar o modificar carbohidratos de las proteínas y los lípidos en el aparato de Golgi.
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Este último es una estructura polarizada, con lados cis y trans (figs. 2-1; 2-10; 2-11). Las vesículas membranosas contienen proteínas de síntesis reciente, originadas en el retículo endoplásmico rugoso y se fusionan con las cisternas en el lado cis del aparato. Las proteínas pasan a través de otras vesículas hacia la cisterna media y, por último, hacia el lado trans, de donde pasan hacia el citoplasma. Del lado trans del aparato de Golgi, las vesículas son transportadas hacia los lisosomas y hacia el exterior de la célula a través de vías constitutivas y no constitutivas; en ambos métodos, participa la exocitosis. Por el contrario, las vesículas son captadas de la membrana celular por endocitosis y pasan a los endosomas, donde son recicladas.
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El tránsito vesicular en el aparato de Golgi y entre otros compartimientos membranosos en la célula, es regulado por una combinación de mecanismos comunes junto con procesos especiales que determinan en qué parte de la célula se ubicarán. Una característica prominente es la participación de un grupo de proteínas reguladoras controladas por la unión a GTP o difosfato de guanosina (GDP) (proteínas G pequeñas) relacionadas con el ensamblaje y la liberación. Una segunda característica prominente es la presencia de proteínas denominadas SNARE (por el factor soluble de unión al receptor sensible a N-etilmaleimida). Los v-SNARE (por vesícula) sobre la membrana circular interactúan de manera similar a una “llave y su cerradura” con los t-SNARE (por la primera letra en inglés de “target” [“blanco”]. Las vesículas individuales también contienen proteínas o lípidos estructurales en su membrana, las cuales ayudan a dirigir los compartimientos membranosos específicos (p. ej., aparato de Golgi, membrana celular).
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El proceso que participa en la síntesis, plegamiento y migración de proteínas a diversas partes de la célula es tan complejo, que sorprende la ausencia de más errores y anomalías. Este proceso funciona tan bien por los mecanismos que participan en el “control de calidad” en cada nivel. El DNA dañado se detecta y repara, o bien, se omite su traducción. Asimismo, se verifican diversos RNA durante el proceso de traducción. Por último, cuando una cadena proteínica se encuentra en el retículo endoplásmico y en el aparato de Golgi, se detectan y desdoblan las proteínas anómalas en los lisosomas y los proteosomas. El resultado neto es una precisión notable en la producción de proteínas necesarias para la función corporal normal.
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Además de la división y el crecimiento bajo control genético, las células pueden morir y ser absorbidas también bajo dicho control. Este proceso se denomina muerte celular programada o apoptosis (del griego, apo “a partir de” más ptosis “caída”). Es posible llamarlo “suicidio celular” en el sentido que los propios genes de la célula tienen una participación activa en su desaparición. Debe diferenciarse de la necrosis (“destrucción celular”), en la cual se destruyen células sanas por medio de procesos externos, como la inflamación.
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La apoptosis es un proceso muy frecuente durante el desarrollo y en la edad adulta. En el sistema nervioso central se generan grandes cantidades de neuronas, las cuales más tarde mueren durante el proceso de remodelación que ocurre en el curso del desarrollo y la formación de sinapsis. En el sistema inmunitario, la apoptosis elimina clonas inapropiadas de las células inmunitarias y participa en los efectos líticos de los glucocorticoides en los linfocitos. La apoptosis es un factor de importancia en procesos como la eliminación de membranas interdigitales en la vida fetal y la regresión de sistemas de conductos a lo largo del desarrollo sexual en el feto. En adultos, participa en el desprendimiento cíclico del endometrio que produce la menstruación. En el epitelio, las células que pierden sus conexiones con la lámina basal y las células vecinas sufren apoptosis. Esto explica la muerte de los enterocitos, los cuales se desprenden de las puntas de las vellosidades intestinales. Tal vez ocurra apoptosis anómala en las enfermedades autoinmunitarias y neurodegenerativas, así como en el cáncer. Es de interés que la apoptosis se presente en invertebrados, lo cual incluye nematodos e insectos. No obstante, sus mecanismos moleculares son mucho más complejos que en los vertebrados.
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Una vía final común para que ocurra apoptosis es la activación de las caspasas, un grupo de proteasas de cisteína. A la fecha, se han identificado muchas de éstas en mamíferos; en seres humanos, se han encontrado 11. Tales caspasas se observan en las células en forma de proenzimas inactivas, hasta que son activadas por la maquinaria celular. El resultado neto es la fragmentación de ácido desoxirribonucleico, condensación citoplásmica y de la cromatina y, por último, formación de vesículas en la membrana, con destrucción celular y eliminación de los restos celulares por los fagocitos (recuadro clínico 2-5).