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PROTOCOLOS DE LABORATORIO BIOLOGIA CELULAR Impresión: Ediciones Gaira - Ibagué - Colombia Primera edición 2007 500 ejemplares Segunda edición 2008 500 ejemplares Tercera edición 2008 500 ejemplares Cuarta edición 2009-2014 2000ejemplares Quinta edición 2015 500 ejemplares ISBN 978-958-44-1645 - 2 Portada: Libro Protocolos de laboratorio de Biología Celular. Elaborado por: Leonardo Bonilla Biológo Universidad del Tolima Marco Fidel Avila Rodríguez Licenciado Universidad del Tolima Edición: Los autores El libro protocolos de laboratorio de Biología Celular es una compilación de protocolos practicados habitualmente en los cursos de biología celular y fundamental en los laboratorios de docencia de la Universidad del Tolima Prohibida la reprodución total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita de los editores. Liliana Francis Turner Ph.D. Área de Investigación y experiencia: Neurociencia y Biotecnología, profesora vinculada a la Facultad de Ciencias de la Universidad del Tolima, Coordinadora del Diplomado en Ciencia y Experimentación Animal y del grupo de investigación Modelos Experimentales para las Ciencias Zoohumanas. Librada Ramírez de Collazos Lic. Esp. Área de Investigación y experiencia: Neurociencia y Biología celular, profesora vinculada a la Facultad de Ciencias de la Universidad del Tolima y al Magisterio. Fredy Arvey Rivera Páez M. Sc. Área de Investigación y Experiencia: Parasitología tropical, Biología molecular y Biología celular, profesor vinculado a la Facultad de Ciencias de la Universidad de Caldas. Marco Fidel Ávila Rodríguez Lic. M. Sc. Área de Investigación y Experiencia: Neurociencia y Biología celular, profesor vinculado a la Facultad de Ciencias de la Universidad del Tolima. 2 Este libro recoge los protocolos que ustedes deben desarrollar en las prácticas de laboratorio. Documento imprescindible como instrumento de guía para los estudiantes que deberán trabajar con él, durante todo el semestre. La elaboración de este material corresponde a una compilación de guías, existentes en el departamento de Biología de la Universidad del Tolima, al igual que de diferentes fuentes, enriquecidas con informaciones externas de revisiones actualizadas. Autores del libro de protocolos: 5 Queridos estudiantes, El propósito de este cuaderno es que ustedes, que emprenden hoy el arduo camino de la formación académica superior y científica, comiencen a crear los valores y la formación para las carreras que han seleccionado. El trabajo de laboratorio debe desarrollase de forma responsable, consiente y organizada, trabajar por protocolos permite fácilmente tener reproducibilidad en los datos obtenidos. Aplicar LAS BUENAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO, es esencial para el resultado de nuestro trabajo y su cumplimiento nos garantizará la normatividad, calidad, fiabilidad y excelencia en los resultados. Los protocolos que aquí encontrarán los guiarán durante sus actividades prácticas en las asignaturas de Biología celular y fundamental, el uso de este documento, le servirá como material de estudio y trabajo sistemático durante todo el semestre. Utilícenlo y disfrútenlo, Éxitos muchachos, Liliana, Librada, Marcos y Freddy. Cédigo 4 Tema:1 Tema: 7 1. 2. 3. 4. 5 RECOMENDACIONES GENERALES, TÉCNICAS Y MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN UTILIZADOS EN BIOLOGÍA CELULAR IMPLEMENTOS NECESARIOS ✓ Bata blanca de laboratorio ✓ Láminas y laminillas en cantidades suficientes ✓ Paquete de cuchillas de afeitar nuevas ✓ Bayetilla ✓ Papel absorbente ✓ Libro de protocolos ✓ Cuaderno de apuntes (opcional) Nota: los elementos solicitados son imprescindibles y su uso es personal. Deben traerse a todas las sesiones de prácticas del curso y a las evaluaciones. INFORMES DE LABORATORIO Este folleto les servirá como guía de trabajo, en él, podrán plasmar sus observaciones y conclusiones, por lo que tendrá un doble propósito: enseñar y evaluar, les permitirá a ustedes autoevaluarse y al profesor evaluar el trabajo que ustedes han realizado. Los dibujos deben ser hechos a lápiz según lo observado (no es indispensable el uso de colores, es opcional). Las observaciones deben definir aspectos como: tipo de estructura observada (por ejemplo, célula de elodea), aumentos, tipo de preparación, tipo de tinción. No debe llevar descripción, ni explicación si su guía no se lo orienta. INSTRUCCIONES GENERALES Para el desarrollo de las prácticas es conveniente tener en cuenta algunas normas elementales que deben ser observadas con toda disciplina. 1. Estar a tiempo en el laboratorio. 2. Usar la bata blanca durante todo el laboratorio. No usar cachuchas en el laboratorio. 3. Mantener apagados los celulares durante el laboratorio. 4. El laboratorio de Biología es un lugar donde se aprende mediante la observación y la experimentación, es un sitio de trabajo serio y peligroso, si no se conservan las mínimas normas de seguridad. 5. Leer cuidadosamente las instrucciones de cada práctica. NUNCA LLEGAR SIN SABER LO QUE VAAHACER. 6 6. El material utilizado en las prácticas es de propiedad de la Universidad, por lo tanto debe manejarse con cuidado y una vez usado debe devolverse en buen estado. En caso de daños o pérdidas, el elemento debe reponerse con uno de las mismas características. 7. No comer, beber, fumar o aplicar cosméticos en el laboratorio. 8. Al iniciar la sesión reportar al auxiliar de laboratorio o al profesor cualquier anomalía en el microscopio, o material a ser utilizado. Bajar la intensidad lumínica al microscopio mientras no lo esté usando. 9. En el caso de los microscopios con fuente eléctrica, apagar el equipo tres minutos antes de guardarlo. 10. Antes de realizar una práctica, lea detenidamente el protocolo para adquirir una idea clara de su objetivo, fundamento y técnica. Los resultados deben ser siempre anotados cuidadosamente apenas se conozcan. 11. El orden y la limpieza deben presidir todas las experiencias de laboratorio. En consecuencia, al terminar cada práctica se procederá a limpiar cuidadosamente el material que se ha utilizado. Cada grupo de práctica se responsabilizará de su zona de trabajo y de su material. 12. Limpiar adecuadamente el mesón de trabajo con solución de hipoclorito de sodio al 5% al empezar y al terminar su trabajo. 13. Antes de utilizar un compuesto, fijarse en la etiqueta para asegurarse que es el que se necesita y evitar riesgos en su manipulación. 14. Nunca devolver a los frascos de origen los sobrantes de los productos utilizados sin consultar con el profesor. 15. No tocar con las manos y menos con la boca los productos químicos. Todo el material, especialmente los aparatos delicados, como lupas y microscopios, deben manejarse con mucho cuidado evitando forzar los mecanismos. 16. Los productos inflamables (gases, alcohol, éter, etc.) deben mantenerse alejados del fuego. Si hay que calentar tubos de ensayo con estos productos, se hará al baño María, nunca directamente a la llama. 17. Si se manejan mecheros a gas se debe tener mucho cuidado de cerrar las llaves de paso al apagar la llama. 18. Cuando se manejan productos corrosivos (ácidos, álcalis, etc.) deberá hacerse con cuidado para evitar que salpiquen el cuerpo o los vestidos. Nunca se verterán bruscamente en los tubos de ensayo, sino que se dejarán resbalar suavemente por su pared. 7 19. Cuando se quiera diluir un ácido, nunca se debe adicionar agua sobre ellos; siempre al contrario: ácido sobre agua. 20. Cuando se vierta un producto líquido, el frasco quelo contiene se inclinará de forma que la etiqueta quede en la parte superior para evitar que si escurre líquido se deteriore dicha etiqueta y no se pueda identificar el contenido del frasco posteriormente. 21. No pipetear con la boca. Se debe utilizar la bomba manual, una jeringuilla o artilugio que se disponga en el centro. Las pipetas se tomarán de forma que sea el dedo índice el que tape su extremo superior para regular la caída de líquido. 22. Al enrasar un líquido, con una determinada división de escala graduada, debe evitarse el error de paralaje, levantando el recipiente graduado a la altura de los ojos para que la línea visual al enrase sea horizontal. 23. Cuando se calientan a la llama tubos de ensayo que contienen líquidos, debe evitarse la ebullición violenta por el peligro que existe de producir salpicaduras. El tubo de ensayo se acercará a la llama inclinado y procurando que ésta actúe sobre la mitad superior del contenido y, cuando se observe que se inicia la ebullición rápida, se retirará, acercándolo nuevamente a los pocos segundos y retirándolo otra vez al producirse una nueva ebullición, realizando así un calentamiento intermitente. En cualquier caso, se evitará dirigir la boca del tubo hacia la cara o hacia otra persona. 24. Cualquier material de vidrio no debe enfriarse bruscamente justo después de haberlos calentado, esto puede ocasionar fisuras en el vidrio y posterior rotura del mismo. 25. Los cubreobjetos y portaobjetos deben tomarse por los bordes para evitar que se engrasen. Siempre que manipule sangre, suero u otro material biológico, cualquiera sea su procedencia, use guantes. 26. Los desechos infecciosos como agujas y hojas de bisturí, deben ser depositadas en bolsas de color rojo “sin sacarlos de su guardián”. Los desechos no peligrosos (Biodegradables y/o inertes) se depositan en bolsas de color verde. 27. Lavar las manos con agua y jabón una vez concluida las labores de laboratorio. 28. Otras observaciones sugeridas por el profesor o el auxiliar de laboratorio. “LAS NORMAS DE SEGURIDAD, SON NORMAS DE VIDA “ 8 INTRODUCCIÓN Para desarrollar un trabajo en el laboratorio, primero hay que conocer bien los implementos y materiales que vamos a utilizar, su correcto uso y función. Esto permite realizar un trabajo de forma eficiente, ágil, y calificado. OBJETIVOS ✓ Identificar los diferentes implementos del laboratorio de biología por su nombre y su forma. ✓ Diferenciar el uso que se le da a cada uno de los implementos. ✓ Clasificar los implementos según el tipo de material. ✓ Hacer un buen uso del material de laboratorio. PROCEDIMIENTO Los materiales utilizados en el laboratorio se pueden clasificar de acuerdo con su constitución en materiales de: vidrio, porcelana, metálicos, madera, corcho, plástico y equipos especiales. Material devidrio Refractario: Vasos de precipitados o beaker, erlenmeyer, tubos de ensayo, matraces (balón de fondo plano, balón fondo redondo, y con desprendimiento lateral). No refractario: Este grupo está constituido por material de vidrio volumétrico y no volumétrico. En este grupo se incluyen desecador, frascos, vidrio de reloj, probetas, pipetas, refrigerantes, embudos de decantación y filtración, termómetros, caja de petri. Material deporcelana Refractario: Crisoles, cápsulas de porcelana, triángulo de porcelana. No refractario: Morteros y mangos, espátulas de porcelana. Material metálico Soporte universal, aros metálicos, malla asbesto, mecheros, pinzas metálicas para crisoles y tubos de ensayo, espátulas metálicas. Materialdemadera, corchoy plástico Mangueras de caucho, tapones de caucho, gradillas para tubos de ensayo, pinza de madera para tubos de ensayo Equipos y material especial Frascos lavadores, churruscos, papel de filtro, balanza, microscopio, estereoscopio, autoclave, pipetas, micropipetas, incubadora, etc. 9 10 Los conocimientos sobre la célula progresan simultáneamente con los avances tecnológicos del instrumental de laboratorio, (microscopios, balazas, cristalería) los descubrimientos de tinciones que facilitan la visualización de tejidos, células y organelos y los avances teóricos que brindan al investigador elementos de análisis para la interpretación de los procesos. Con el uso de los microscopios de altos poderes y resolución y de amplificación de las imágenes, se han perfeccionado los métodos para el uso individual de orgánulos celulares, observar la interrelación entre los componentes celulares y describir la señalización de las moléculas que participan en el metabolismo celular. El desarrollo de los cultivos in vitro contribuye a conocer, en forma más precisa, el comportamiento celular ya su vez ha contribuido a la selección de modelos biológicos experimentales enfocados a elucidar la dinámica celular dentro de los organismos. De acuerdo con los anteriormente mencionados a continuación se expone algunas de las técnicas que se utilizan en biología celular y la investigación biomédica: 1. OBSERVACIÓN DE MICROORGANISMOS La observación de organismos es una de las técnicas fundamentales de estudio en biología celular, se realiza principalmente utilizando como herramienta el microscopio óptico, razón por la cual, las muestras a ser observadas deben experimentar una serie de pasos para obtener la máxima información visual de las mismas. Preparación en fresco: Para poder observar la movilidad de un microorganismo es preciso que no esté fijado. Consiste en suspender una gota, tomada directamente de la muestra, sobre un portaobjetos y cubrirla, sin formar burbujas de aire, con un cubreobjeto. Técnicas de tinción: En general, elproceso seguido en todas las tinciones se caracteriza por presentar las siguientes etapas: 1. Extensión: Se realiza sobre un portaobjetos que ha de estar totalmente limpio. Si la muestra es líquida se hace directamente y, si es sólida, hay que resuspenderla previamente en una gota de agua. 2. Fijación: Tiene por objeto adherir la muestra al portaobjetos y desnaturalizar las proteínas para facilitar la acción del colorante. Normalmente se realiza con calor, pasando la muestra repetidamente a 10cm de la llama del mechero ó mediante soluciones de fijación como el Carnoy. 3. Tinción: Se realiza añadiendo los colorantes sobre los microorganismos sometidos a los procesos anteriores. 11 La mayoría de los colorantes se comportan como bases o como ácidos, en los colorantes básicos, los cromóforos o grupos químicos responsables del color, son catiónicos, estos se combinan con los grupos ácidos (aniónicos) de las moléculas celulares. Por esta razón, los ácidos nucleicos son basófilos, es decir presentan afinidad por colorantes básicos cuyos radicales se unen a los radicales ácidos del ADN y del ARN. El azul de Toluidina, el azul de metileno y la hematoxilina son ejemplos de colorantes básicos. En los colorantes ácidos, los cromóforos son aniónicos (carga eléctrica negativa) y tienden a unirse con los componentes celulares de carácter básico, que son eléctricamente positivos. Así las estructuras celulares ricas en grupos básicos son acidófilas por su afinidad con los colorantes ácidos. La eosina, el orange G y la fuscina, son ejemplos de colorantes ácidos. Entre los diferentes tipos de tinción están: Tinción Negativa: Los colorantes notiñen el microorganismo sino elentorno, aumentando de este modo su contraste. La muestra se extiende sobre una gota de colorante (nigrosina- tinta china). Tinción Simple: Se utiliza un solo colorante que puede ser de cualquier tipo. Al igual que la tinción negativa, nos permite observar la forma, el tamaño y el tipo de agrupación de las células. Tinción Diferencial: Intervienen dos o más colorantes y cada uno diferencia una estructura. El colorante que se usa en segundolugar es de color diferente al del primero, denominándose colorante de contraste. 2. CORTES DE TEJIDOS Consiste en la obtención de porciones laminares de tejidos, suficientemente delgadas para ser visualizadas en el microscopio, como preparados frescos o preparados permanentes. Los frescos pueden tincionarse o no. Los preparados permanentes requieren de un proceso de fijación para evitar la autólisis celular, la contaminación fúngica y bacterial, y para aumentar la afinidad de las estructuras celulares con el colorante. En general los fijadores deben garantizar que las estructuras y moléculas se mantengan en la forma más intacta posible. Una vez fijado el tejido, se procede a realizar los cortes, para lo cual se utilizan equipos con cuchillas especiales entre los que se encuentran los micrótomos y vibrátomos que facilitan la obtención de cortes de dimensiones micrométricas. Mientras más potente sea el microscopio, se requieren cortes más delgados. Los cortes se someten al proceso tinción para tornar visibles los organelos que, generalmente, son incoloros. 13 3. CITOQUÍMICA Esta técnica se utiliza para localizar sustancias componentes de la célula, para lo cual, se utilizan tinciones. Generalmente, la intensidad del color que muestran las estructuras es proporcional a la concentración de la sustancia coloreada. Una técnica citoquímica muy conocida para localizar el ADN es la reacción de Feulgen, que consta en desnaturalizar el ADN es decir, separar las hebras para posteriormente ser tratadas con el reactivo de Schiff, formando un complejo de color rojo, por lo tanto la intensidad del rojo es proporcional a la cantidad de ADN presente. Gracias a la reacción, hoy se sabe que la cantidad ADN es fija para cada especie y que el ADN se duplica antes que la célula entre en mitosis. 4. HIBRIDACIÓN in situ (Fluorescent In Situ Hybridization FISH) FISH es una tecnología que utiliza fragmentos marcados de ADN con fluorescencia (sondas) para detectar o confirmar anomalías genéticas o cromosómicas, esto quiere decir que los fragmentos marcados se unen al ADN de los cromosomas debido a la complementariedad entre las secuencias de las bases nitrogenadas, posteriormente se utiliza un microscopio de fluorescencia, que exhibe una luz especial que permite visualizar las áreas de los cromosomas que fueron marcadas con la o las diferentes sondas. El procedimiento para llevar a cabo esta técnica consta de varios pasos, primero, la muestra de ADN (cromosomas en metafase o núcleos en interfase) se desnaturaliza, proceso que separa las hebras complementarias de la estructura en doble hélice del ADN, posteriormente se introduce la sonda de interés marcada con fluorescencia, que se hibridará (unirá) al ADN de la muestra en el sitio específico, el proceso es denominado templado. La señal de la sonda se observa mediante un microscopio de fluorescencia y la muestra de ADN se clasifica según la presencia o ausencia de la señal. 14 5. INMUNOCITOQUÍMICA Mediante el uso de esta técnica se puede localizar proteínas específicas. La técnica se basa en la reacción antígeno-anticuerpo. Si se toma, por ejemplo, una muestra de tejido de un órgano de un ratón, se extrae y se purifica una proteína, que se denomine por ejemplo, proteína X, podemos conocer luego, en que células o partes de la célula está localizada la proteína X, pues ella se aisló de un órgano completo. La proteína X purificada actúa como antígeno (es decir, como una partícula extraña) si se inyecta a otro animal, por ejemplo a un conejo; entonces, el conejo formará anticuerpos contra la proteína X y se combinarán inmediatamente con ésta proteína. De la sangre del conejo, es posible extraer el anticuerpo específico de la proteína X. Si éste anticuerpo se marca, por ejemplo, con una peroxidasa, donde se identifique la peroxidasa estará también el anticuerpo. Si se coloca un corte del órgano del ratón que contiene la proteína X y se aplica sobre él una solución de antígeno (proteina X) con su anticuerpo (gammaglobulina anti-X) marcado con peroxidasa. Este conjunto puede ser identificado bajo el microscopio según la marca que se coloque al anticuerpo; si es peroxidasa, se observarán puntos color café donde se encuentre el complejo antígeno – anticuerpo. Del mismo modo la peroxidasa puede reemplazarse por un colorante fluorescente y entonces se identificará por la emisión de luz. Esta técnica permite la identificación específica de proteínas mediante el uso de diferentes metodologías de marcaje en el anticuerpo para posterior detección. 6. AUTORRADIOGRAFÍA La autorradiografía es una técnica de detección de moléculas marcadas radiactivamente, que emplea emulsiones fotográficas sensibles a la partícula radiactiva o a la luz producida por una molécula intermediaria. La emulsión que contiene plata es sensible a la radiación particulada (alfa, beta) o electromagnética (radiación gamma, luz,...), de forma que se precipita en forma de plata metálica. El revelado de la emulsión revelará en forma de precipitados oscuros la región en la que se localizan las proteínas radiactivas Si se coloca un cultivo de células en un medio con un aminoácido radiactivo o marcado, podemos conocer a dónde se incorpora estos aminoácidos. Si se inyecta timina radiactiva marcada con Tritio (H3) a un animal experimental, la timina será incorporada solamente en los núcleos celulares que estén sintetizando ADN. Para el ARN se utiliza uracilo marcado con Tritio (H3). Los cortes del tejido experimental se cubren con una emulsión fotográfica que será impresionada por el material radiactivo. Al revelarse la emulsión fotográfica, aparecen gránulos negros de plata sobre el sitio específico en el que se encuentra el material radioactivo. 7. CROMATROGRAFÍA Y ELECTROFORESIS La cromatrografía y electroforesis son técnicas que permiten conocer los tipos de proteínas que forman parte de una estructura o que son sintetizadas por un órgano o tejido. La cromatrografía es una técnica de análisis químico utilizada para separar sustancias puras de mezclas complejas. Estas técnicas depende dle principio de absorción selectiva. 15 La cromatografía fue descubierta por el botánico ruso, de origen italiano, Mijaíl Tswett en 1906, pero su uso no se generalizó hasta la década de 1930. Tswett separó los pigmentos de las plantas (clorofila) vertiendo extracto de hojas verdes en éter de petróleo sobre una columna de carbonato de calcio en polvo en el interior de una probeta. A medida que la disolución va filtrándose por la columna, cada componente de la mezcla precipita a diferente velocidad, quedando la columna marcada por bandas horizontales de colores, denominadas cromatogramas. Cada banda corresponde a un pigmento diferente. Actualmente la cromatografía presentas variables que permiten una mejor y mayor separación de los compuestos y además tomando en cuenta las necesidades investigativas, entre dichas variables se encuentran la cromatografía de columna, la cromatografía líquida de alta eficiencia también llamada HPLC, la cromatografía gas líquido y la cromatografía de papel. La electroforesis es una técnica analítica de separación de ácidos nucléicos y proteinas. La separación tiene lugar debido a la diferente movilidad que presentan las macromoléculas cargadas eléctricamente cuando son sometidas a la influencia de un campo eléctrico. es decir si aplicamos un campo eléctrico negativo a una molécula con carga neta positiva, la molécula será atraída por este campo. Los ácidos nucleicos son macromoléculas cargadas negativamente, debido a la presencia de grupos fosfato en su estructura. La naturaleza del enlace fosfodiéster de las cadenas polinucleotídicas condiciona la carga de un ácido nucleico, que es aproximadamente igual al número de grupos fosfato. La electroforesis generalmente se realiza en unamatriz gelatinosa o también denominada gel, entre estos los más utilizados son los geles de azarosa y los de poliacrilamida, cada uno de ellos presenta características especiales que deben ser tomadas en cuenta al hacer uso de estos en los procedimientos experimentales. La electroforesis se realiza en cubetas apropiadas, generalmente apropiadas, generalmente horizontales, y requiere dos elementos indispensables: la fase móvil y la fase estacionaria. La fase móvil es el medio tamponado que permite la movilidad de las moléculas cargadas hacia los electrodos correspondientes cuando se genera un campo eléctrico. La fase estacionaria corresponde al gel. El polímero utilizado para el análisis electroforético de ácidos nucleicos de gran tamaño (100pb- 10kb) es la agarosa. La migración de los fragmentos de ácidos nucleicos (ADN o ARN) en un gel de agarosa sometido a un campo eléctrico depende tanto del voltaje del campo, como del tamaño de poro del gel de agarosa. La separación efectiva de los fragmentos de ADN o ARN (resolución) depende tanto de la masa como de la carga de los distintos fragmentos, en realidad de la relación carga/masa. Transcurrida la electroforesis, la localización relativa de los fragmentos se determina mediante distintos métodos de detección. La tinción con bromuro de etidio, una sonda fluorescente tras iluminación con luz UV, es un método generalizado de detección de fragmentos de ADN, ya que la sonda se intercala entre la doble hélice de ADN y emite luz. La electroforesis en poliacrilamida es un método conveniente, rápido y económico a nivel de muestra pues se requieren sólo cantidades del orden de microgramos de proteína. Las proteínas presentan una carga eléctrica neta si se encuentran en un medio que tenga un pH diferente al de su punto isoeléctrico y por eso tienen la propiedad de desplazarse cuando se someten a un campo eléctrico. La velocidad de migración es proporcional a la relación entre las cargas de la proteína y su masa, cuanto mayor carga por unidad de masa más rápida será la migración. 16 8. CULTIVOS CELULARES Aplicaciones del cultivo celular. Los estudios que emplean cultivos celulares abarcan gran número de disciplinas y aproximaciones al estudio del fenómeno celular. a. Actividad intracelular. Mecanismos implicados en los diferentes procesos intracelulares, como por ej. transcripción de ADN, síntesis de proteínas, metabolismo energético. b. Flujo intracelular. Movimientos intracelulares de sustancias y señales asociadas a los diferentes procesos fisiológicos, como por ej. ensamblaje y desensamblaje de los diferentes componentes intracelulares, movimientos del ARN: núcleo-citoplasma, movimiento de proteínas. c. Ecología celular. Estudio de las condiciones ambientales responsables del mantenimiento de la funcionalidad celular, de su diferenciación., como por ej. estudio de las necesidades nutricionales, infecciones, estudio de la transformación celular (inducidas por virus o agentes químicos), cinética de la población celular. d. Interacciones celulares. Procesos de inducción embrionaria, cooperación metabólica, inhibición por contacto o por adhesión, interacciones célula-célula. Como ejemplo de áreas de investigación fuertemente dependientes de las técnicas de cultivo celular se encuentran: 1. Virología: Establecimiento de condiciones de cultivo de virus animales y de plantas, producción de vacunas antivirales. 2. Investigación del Cáncer 3. Inmunología: Gracias especialmente a la introducción de las técnicas de fusión celular en la producción de anticuerpos monoclonales, así como en el análisis de la genética de la célula somática. 4. Ingeniería de proteínas. Por la producción de proteínas en líneas celulares: interferón, insulina, hormona de crecimiento. 5. Estudios de interacción y señalización celular, en la diferenciación y en el desarrollo: Comprende el estudio de los receptores y de las vías de translocación de la señal. 6. Aplicaciones diagnósticas. Por ejemplo en medicina y farmacología destacan el análisis cromosómico de células crecidas a partir de muestras de amniocentesis, detección de infecciones virales, ensayos de toxicidad,... 7. Aplicaciones médicas: Mantenimiento y producción de tejidos para trasplante. 8. Aplicaciones industriales y agronómicas: Producción por reproducción "in vitro" de clones de plantas de interés comercial. La manipulación de las células en cultivo, requiere en muchos casos la introducción de moléculas en el interior de las mismas, bien sea para observar el efecto que produce la molécula en sí (por ejemplo una droga inhibidora de las proteasas citosólicas) o para producir la síntesis de otras moléculas (por ejemplo la introducción de un plásmido en el que se ha colocado bajo el control de un promotor que funciona en la célula de elección una secuencia codificante para la proteína buscada). En este último caso la célula es empleada como factoría de síntesis de moléculas a la que se le suplementa con la información que precisa. 17 Además, las denominadas técnicas de terapia génica se basan en la modificación de las células de un organismo mediante la introducción de genes normales o modificados. En cualquier caso supone la incorporación y expresión por parte de las células de un organismo de nuevos genes. Las células vivas presentan una barrera a la libre difusión de moléculas que es la membrana plasmática. Esta barrera evita la pérdida de componentes fundamentales de la célula, impide la entrada de moléculas externas y por ello posibilita la existencia de gradientes de concentración de productos a través de la membrana. Para poder superar esta barrera a la difusión se han diseñado muchas estrategias experimentales, unas basada en la formación de poros u orificios en la membrana, más o menos permanentes, y las otras en la vehiculización de moléculas hacia el interior celular mediante el uso de las vías naturales de entrada de macromoléculas, la endocitosis. Se trata de técnicas que permiten mantener las células vivas, inmersas en una solución durante un periodo de tiempo que no suele superar las pocas horas en condiciones tales que presentan gran cantidad de orificios en la membrana. Cualquier molécula añadida a la solución que las rodea penetra en la célula gracias al gradiente de concentración. Se obtienen mediante tratamiento suave con detergentes que solubilizan parcialmente las membranas. Es una técnica que se basa en la aplicación de un elevado voltaje a las células durante un periodo de tiempo muy corto. Durante ese tiempo las células despolarizan sus membranas y se forman pequeños orificios por los que penetran las moléculas (proteínas, ADN,...) que se encuentran alrededor. Pasada la despolarización muchas células sufren daños irreparables y mueren (en muchos casos más del 90%) pero algunas (5 al 10% habitualmente) se recuperan y han incorporado las moléculas deseadas. La ventaja de esta técnica es que se aplica a millones de células a la vez y habitualmente se obtienen eficiencias de entrada de las moléculas del 100% de las células que sobreviven (centenares de miles a millones). Es una técnica que requiere su ajuste fino para cada tipo celular, a fin de determinar las condiciones óptimas de duración y potencia del pulso. Se busca siempre el mejor equilibrio entre las condiciones que aseguran la entrada en la célula y las que maximizan la viabilidad celular. La microinyección es una tecnología que permite la introducción mecánica de soluciones en el interior de la célula mediante una micropipeta que se controla con la ayuda de un micromanipulador bajo un microscopio. Es una técnica muy sensible, que requiere una gran especialización del personal que la realiza y un equipo delicado, sofisticado y costoso. Los instrumentos modernos de microinyección manipulados por personal experto permiten realizar algunas decenas de inyecciones por hora de trabajo. Es porello un sistema tedioso que permite manipular pocas docenas o escasos cientos de células con un gran trabajo. En la naturaleza existen sistemas de microinyección naturales, realizados por virus que inoculan a las células su ácido nucleico. Sistemas virales empleados habitualmente en la manipulación celular son los baculovirus y las células Sf9 (insecto) para la producción de proteínas, los adenovirus, retrovirus, etc., sobre sistemas de células de mamífero. 18 Las técnicas de transfección celular, que se han desarrollado fundamentalmente para permitir la introducción de ácidos nucleicos en el interior de las células, han permitido en gran medida ampliar los conocimientos acerca de la regulación génica y de la función de las proteínas en los sistemas celulares. Actualmente se emplean en gran número de aproximaciones experimentales, en la generación de animales transgénicos, en la selección de líneas celulares modificadas, etc. La introducción de una construcción de ADN recombinante en la que se ha situado el CDS (secuencia codificante) de un gen reportero (luciferasa, 'green fluorescent protein', beta- galactosidasa, cloramfenicol acetiltransferasa -CAT-, etc.) bajo una secuencia de regulación que se desea estudiar permite medir con facilidad tasas de expresión génica en diferentes situaciones experimentales. Por el contrario, la introducción de un plásmido que contienen la secuencia codificante (CDS) de una proteína de interés bajo el control de un promotor (constitutivo, regulado, etc.) permite la producción de la proteína deseada que puede estar o no etiquetada (tagged). En este caso se emplea la célula como una factoría de síntesis de proteínas a la que se le introduce en forma de plásmido la información de la proteína que se desea sintetice. Tanto en el primero como en el segundo caso, puede ser importante seleccionar las células que han adquirido el plásmido. Para facilitarlo se incluyen en éstos genes de resistencia a drogas que permiten a las células que los han adquirido sobrevivir en medios selectivos. Uno de los sistemas de selección más empleado es el de la resistencia a G418 (resistencia a neomicina) que permite seleccionar clones celulares de expresión estable. Así diferenciaremos entre la transfección temporal y la transfección estable o de larga duración. Una vez introducida la molécula de ADN recombinante en el interior de las células producirá su efecto permitiendo, por ejemplo: Seleccionar células que hayan incorporado el ADN. Este sería el caso del aislamiento de clones celulares que presentaran expresión de un determinado producto. Es posible por la incorporación en el propio vector de marcadores de selección, típicamente la resistencia de G418 (neomicina), a las pocas horas o días detectar la presencia de la proteína codificada por el plásmido. 19 Debido a su simplicidad comparativa, las células procariotas (bacterias y algas verde-azules) son modelos ideales para estudio de biología molecular. La mayoría de los conceptos actuales de biología molecular, derivan de los estudios realizados en E.coli, incluyendo la comprensión sobre la replicación de ADN, código genético ,la trascripción y la síntesis de proteínas. La bacteria E.coli ha resultado especialmente útil en el campo experimental, debido a su relativa simplicidad, la facilidad para propagarse y ser estudiada en el laboratorio. El genoma de E. coli consiste aproximadamente de 4.6 millones de bases pares (bp) y codifica unas 4.000 proteínas diferentes. El genoma humano resulta 100 veces más complejo, con aproximadamente 3.000 millones de pb que codifican alrededor de 100.000 proteínas diferentes. Por esta razón, ya se determinó el genoma complejo de E. coli. Esta bacteria se divide cada 20-60 minutos, lo que posibilita obtener rápidamente poblaciones uniformes derivadas de una sola célula y variantes genéticas, por ejemplo mutantes resistentes a un antibiótico, como la penicilina. Con medios de cultivos ricos o deficientes en nutrientes, puede controlarse su reproducción y se puede analizar sus metabolitos secretados. Sus plasmados son útiles en estudios de biología molecular e ingeniería genética Las levaduras se han convertido en modelo para el estudio de muchos aspectos de la célula eucariota. Saccharomyces cereviae es la levadura más estudiada. Su genoma consiste en 12 millones de pares de bases, organizado en 16 cromosomas lineales y contiene alrededor de 6.000 genes; más práctico para el estudio que el resto de células eucariotas. Contiene, como toda eucariota, membrana nuclear, citoesqueleto y organelo citoplasmático. Los modelos experimentales vegetales y animales, buscan presentar características que se adapten a las diversas necesidades de la investigación científica y que permitan emular en gran parte los procesos biológicos particulares o completos, entre estas diversas características se cuenta desde la organización del genoma como en el caso del modelo biológico vegetal Arabidosis thaliana, por otra parte, tomando como ejemplo la investigación biomédica y el estudio de enfermedades humanas el uso de modelos experimentales busca emular la enfermedad como tal, identificar su etiología y una vez se tienen evidencias suficientes para su tratamiento, se procede a buscar la aplicación de los hallazgos mediante un proceso de varias etapas que pueden iniciar, con investigación en líneas celulares, para luego continuar en modelos murinos( ratón(Mus musculus), rata (Rattus novergicus)), que puede dar paso a la investigación en primates, y por último en pacientes, desde luego el paso de una etapa a la otra lleva tiempo y un enorme esfuerzo científico. Se han presentado en resumen algunas de las técnicas más significativas utilizadas en la investigación biológica, resaltando el hecho de que la fundamentación de todas ellas ha sido un proceso continuo que ha contribuido con el desarrollo de la ciencia. 22 MICROSCOPÍA: MANEJO Y CUIDADO DEL MICROSCOPIO La invención de los aparatos de óptica, el telescopio y el microscopio compuesto, a mediado y finales del siglo XVI, contribuyó a modificar la concepción que el hombre tenía del mundo. Con el primero se comenzó a sondear la profundidad del cosmos y con el segundo el mundo de lo infinitamente pequeño. Podemos destacar los principales momentos históricos que contribuyeron al desarrollo de la microscopia 1558- Gesner C. Publica un trabajo sobre la estructura de los foraminíferos, sugiriendo el empleo de instrumentos amplificadores, compuestos por lentes. 1590- Francis y Zacharias manufacturaron el primer microscopio compuesto, poseía aumentos de 10x y 30x y fue empleado para observar estructuras microscópicas de insectos. 1564-1642- Galileo Galilei escribió trabajos de gran relevancia en el área de la microscopia, en el 1610 construye su propio microscopio y lo utiliza para estudiar los ojos compuestos de los insectos. 1662- Marcelo Malpighi visualizó al microscopio tejidos embrionarios animales y vegetales por primera vez. 1632-1732- Anthony Van Leeuwenhoek fue el primero en describir organismos como las bacterias (bacilos, cocos y espirilos), protozoarios, rotíferos e hidras. Describió por primera vez el espermatozoide de humanos, perros, conejos, peces e insectos entre otros. Además observó las células sanguíneas. 1635-1703- Robert Hooke popularizó el microscopio entres los biólogos contemporáneos e hizo grandes contribuciones al estudio de la célula. Fuente: Angélica Bonilla. 23 Actualmente la microscopía se clasifica en dos grandes grupos: la microscopía óptica y la microscopía electrónica. En el microscopio óptico el aumento del objeto se consigue usando un sistema de lentes que manipula el paso de los rayos de luz entre el objeto y los ojos. El microscopio electrónicoutiliza un rayo de electrones controlado por un campo magnético. En 1982 por Binning y Röhrer presentaron a la comunidad científica un nuevo microscopio, “el microscopio cuántico” por el que obtuvieron el premio Nobel de física en 1986. Elmicroscopio cuántico es un microscopio que forma parte de los instrumentos llamados nanoscopios porque posibilitan “ver” objetos del tamaño en nanómetros y aún menores, se conoce como "microscopio de barrido de efecto túnel" (STM). El tipo de microscopio más utilizado es el microscopio óptico, que utiliza la luz visible para crear una imagen aumentada del objeto. El microscopio óptico más simple es la lente convexa doble con una distancia focal corta. Estas lentes pueden aumentar un objeto hasta 15 veces. Por lo general se utilizan microscopios compuestos, que disponen de varias lentes con las que se consiguen aumentos mayores. Algunos microscopios ópticos pueden aumentar un objeto por encima de las 2.000 veces. Las lentes de un microscopio óptico son el condensador, el objetivo y el ocular. La luz que entra en el sistema debe enfocarse sobre la preparación y para esto se utiliza el condensador. Elevando o bajando el condensador puede alterarse el plano del foco de luz y elegirse una posición que consiga el foco preciso. El objetivo es la lente situadas cerca del objeto que se observa. El aumento primario del objeto es producido por la lente objetivo y la imagen se trasmite al ocular, donde se realiza el aumento final. Los microscopios que se usan normalmente en microbiología están equipados con tres objetivos: bajo poder, alto poder y objetivo de inmersión. Estos objetivos están montados sobre la pieza que se llama revolver que puede tratarse para alinear el objetivo deseado con el condensador. La imagen formada por el objetivo es finalmente aumentada por el ocular. El aumento total de microscopio compuesto es el producto del aumento de su objetivo y de su ocular. El microscopio compuesto es capaz de conseguir aumentos considerablemente mayores que el microscopio construido por una sola lente. Este último, llamado microscopio simple, se usa principalmente como lupas y cristales de aumento. Además del aumento, una propiedad importante de un microscopio en su poder resolutivo; esto es la capacidad de mostrar distintos y separados: muy cercanos. Cuanto mayor sea el poder resolutivo, mayor será la definición de un objeto. Los microscopios de gran poder resolutivo son especialmente buenos para ver pequeñas estructuras. El poder resolutivo de un microscopio compuesto depende de longitud de onda utilizada y de una propiedad óptica de la lente conocida como apertura numérica. Como los microscopios ópticos utilizan luz visible, la longitud de onda está fijada y es por lo que la resolución de un objeto es nuevo función de la apertura numérica; cuanto mayor sea la apertura, el objeto resuelto será más pequeño. El microscopio de luz ultravioleta 24 OTROS TIPOS DE MICROSCOPIOS OPTICOS Utiliza el rango ultravioleta del espectro luminoso en lugar del rango visible, bien para aumentar la resolución con una longitud de onda menor o para mejorar el detalle absorbiendo selectivamente distintas longitudes de onda de la banda ultravioleta. Dado que el vidrio no transmite las longitudes de onda más cortas de la luz ultravioleta, los elementos ópticos de estos microscopios están hechos con cuarzo, f l u o r i t a o s i s t e m a s d e e s p e j o s aluminizados. Además, dado que la radiación ultravioleta es invisible, la imagen se muestra con fluorescencia en fotografía o con un escáner electrónico. Se utiliza para identificar y estimar cuantitativamente los componentes minerales de las rocas ígneas y las rocas metamórficas. Cuenta con un prisma de Nicol u otro tipo de dispositivo para polarizar la luz que pasa a través del espécimen examinado. Otro prisma de Nicol o analizador determina la polarización de la luz que ha pasado a través del espécimen. El microscopio tiene un soporte giratorio que indica el cambio de polarización acusado por el espécimen. Utiliza una luz muy intensa en forma de un cono hueco concentrado sobre el espécimen. El campo de visión del objetivo se encuentra en la zona hueca del cono de luz y sólo recoge la luz que se refleja en el objeto. Por ello, las porciones claras del espécimen aparecen como un fondo oscuro y los objetos minúsculos que se están analizando aparecen como una luz brillante sobre el fondo. Esta forma de iluminación se utiliza para analizar elementos biológicos transparentes y sin manchas, invisibles con iluminación normal. Ilumina el espécimen con un cono hueco de luz, como en el microscopio en campo oscuro. Sin embargo, en el microscopio de fase el cono de luz es más estrecho y entra en el campo de visión del objetivo, que contiene un dispositivo en forma de anillo que reduce la intensidad de la luz y provoca un cambio de fase de un cuarto de la longitud de onda. Este tipo de Figura 3. Microscopio estereoscopio. Fuente: Angélica Bonilla. 25 iluminación provoca variaciones minúsculas en el índice de refracción de un espécimen transparente, haciéndolo visible. Este tipo de microscopio es muy útil a la hora de examinar tejidos vivos, por lo que se utiliza con frecuencia en biología y medicina. Entre los microscopios avanzados se encuentra el microscopio de campo cercano, con el que se pueden ver detalles algo menores a la longitud de onda de la luz. Se hace pasar un haz de luz a través de un orificio diminuto y se proyecta a través del espécimen a una distancia equivalente a la mitad del diámetro del orificio, formando una imagen completa. Los microscopios electrónicos utilizan rayos de electrones en lugar de la luz, lo que les permite tener un poder de resolución muy elevado. La longitud de onda de los rayos de electrones es de 0,005-0,003 nm, muy corta comparada con la luz visible que es de 426- 750nm (es decir la gama de colores que vemos desde violeta hasta rojo). Es posible con el microscopio electrónico resolver objetos separados por la distancia de 0,003 µm, comparado con los 0,25 µm de un microscopio óptico, como consecuencia de esto los aumentos pueden llegar a ser hasta de un millón de veces. Atados a la naturaleza de este instrumento sólo pueden examinarse objetos muy delgados; incluso una sola bacteria es demasiado gruesa para ser observada directamente. Todos los microscopios electrónicos cuentan con varios elementos básicos. Disponen de un cañón de electrones que emite los electrones que chocan contra el espécimen, creando una imagen aumentada. Se utilizan lentes magnéticas para crear campos que dirigen y enfocan el haz de electrones, ya que las lentes convencionales utilizadas en los microscopios ópticos no funcionan con los electrones. El sistema de vacío es una parte relevante del microscopio electrónico. Los electrones pueden ser desviados por las moléculas del aire, de forma que tiene que hacerse un vacío casi total en el interior de un microscopio de estas características. Por último, todos los microscopios electrónicos cuentan con un sistema que registra o muestra la imagen que producen los electrones. Hay dos tipos básicos de microscopios electrónicos: el microscopio electrónico de transmisión (Transmission Electron Microscope, TEM) y el microscopio electrónico de barrido (Scanning Electron Microscope, SEM). Un TEM dirige el haz de electrones hacia el objeto que se desea aumentar. Una parte de los electrones rebotan o son absorbidos por el objeto y otros lo atraviesan formando una imagen aumentada del espécimen. Para utilizar un TEM debe cortarse la muestra en capas finas, no mayores de un par de miles de angstroms. Se coloca una placa fotográfica o una pantalla fluorescente detrás del objeto para registrar la imagen aumentada. Los microscopios electrónicos de transmisión pueden aumentar un objeto hasta un millón de veces.Un microscopio electrónico de barrido y transmisión (Scanning Transmission Electron Microscope, STEM) combina los elementos de un SEM y un TEM, y puede mostrar los átomos individuales de un objeto. El microanalizador de sonda de electrones, un E. coli Circulo formado por átomos de Bromo 26 microscopio electrónico que cuenta con un analizador de espectro de rayos X, puede analizar los rayos X de alta energía que produce el objeto al ser bombardeado con electrones. Dado que la identidad de los diferentes átomos y moléculas de un material se puede conocer utilizando sus emisiones de rayos X, los analizadores de sonda de electrones no sólo proporcionan una imagen ampliada de la muestra, como hace un microscopio electrónico, sino que suministra también información sobre la composición química del material, las siguientes imágenes ilustran la resolución que se puede alcanzar con un microscopio STEM Hay diversos microscopios ópticos para funciones especiales. Uno de ellos es el microscopio estereoscópico, que no es sino un par de microscopios de baja potencia colocados de forma que convergen en el espécimen. Estos instrumentos producen una imagen tridimensional. En el Estereomicroscopio la visión es por reflexión, lo que permite ver los objetos naturales, tiene un inversor que permite ver la imagen “a derechas”; esto hace más fácil las manipulaciones que se realizan con lupa. Su observación generalmente es de conjunto, debido a su gran campo. Así, una mosca doméstica puesta en la platina del estereomicroscopio, nos da una visión completa del animal con una talla superior a los 10 centímetros. En el microscopio sólo sería posible ver, incluso con los aumentos más pequeños, una parte de las alas y por ser éstas muy transparentes. La visión estereoscópica, o sensación de relieve, sólo se consigue cuando a cada ojo lleguen imágenes distintas del objeto; por ello tiene la lupa binocular dos sistemas ópticos distintos. Cada ojo, recibe una imagen por separado, captada por cada sistema óptico correspondiente del aparato, y con la convergencia necesaria para producir una visión correcta. Es un aparato que tiene una amplia capacidad de movimiento; esto le permite observar pequeños animales en su medio ambiente. Se utiliza la lupa binocular o estereomicroscopio para observarlo todo, un trozo de papel, un cabello abierto, un tejido, una raya de bolígrafo, otra de lápiz, papel cuadriculado, etc. El esteromicroscopio debe utilizarse para la observación de los pequeños detalles, en todas las direcciones, o estudios morfológicos, tanto animales como vegetales. 27 Figura 4. Partes de un microscopio óptico Sistema de aumento o LENTE OCULAR: Está insertado en forma suelta en el extremo superior del tubo (situada cerca del ojo del observador). Tiene una señal grabada (por ejemplo 10x) que indica el aumento individual del ocular. o LENTE OBJETIVO: Lente situada cerca de la preparación. Tiene gravadas varias cifras: aumento (4; 8, 10, 40, 90, 100). El aumento del ocular multiplicado por el coeficiente de aumento (del objetivo) proporciona el aumento total del microscopio (amplificación total). Los microscopios compuestos, normalmente están equipados con tres objetivos: menor aumento, mayor aumento y objetivo de inmersión. Estos objetivos están montados sobre una pieza que se llama revolver que puede rotarse para alinear el objetivo deseado con el condensador. El objetivo y el ocular permiten finalmente obtener una imagen virtual invertida detallada y amplificada del objeto. Figura 5. Lente ocular y lente del objetivo Fuente: Finn Genesser, Histología, 2002 28 Sistema deiluminación o CONDENSADOR: Lente que concentra los rayos luminosos sobre la preparación. o DIAFRAGMA: Regula la cantidad de luz que entra en el condensador. Cuando más se abre el diafragma, más se amplía el ángulo y en consecuencia aumenta el A.N. y se puede observar detalles más pequeños, sin embargo al mismo tiempo reduce el contraste o FOCO: Dirige los rayos luminosos hacia el condensador, puede ser de fuente eléctrica o natural. o ESPEJO: refleja los rayos de la fuente luminosa sobre el objeto. Por un lado es de superficie plana y por el otro de superficie cóncava. El lado cóncavo se utiliza para observaciones de mayor aumento. o FILTROS: en algunos microscopios se ajustan filtros de colores debajo del condensador. Se puede dejar en su sitio o quitarlos, según el tipo de preparación que se vaya a observar. Figura 6. Foco Fuente: Finn Genesser, Histología, 2002 Sistema mecánico o SOPORTE: Mantiene la parte óptica. Tiene dos partes: el pie o base y el brazo. o PLATINA: Lugar donde se deposita la preparación. o CABEZAL: Contiene los sistemas de lentes oculares. Puede ser monocular o binocular o REVÓLVER: Contiene los sistemas de lentes objetivos. Permite, al girar, cambiar los objetivos. o TORNILLOS DE ENFOQUE: Macrométrico que aproxima el enfoque y micrométrico que consigue el enfoque correcto. 29 Figura 7. La platina, el revólver, oculares y tornillos macrométrico y micrométrico Fuente: Finn Genesser, Histología, 2002 1. PODERES DEL MICROSCOPIO OPTICO Poder de aumento. Poder de resolución. Poder de definición. Poder de penetración de foco o profundidad de campo. Poder de aumento. Permite magnificar la imagen. El poder de aumento de cada objetivo se indica por un número gravado en la manga de la lente: el objetivo 10x aumenta 10 veces - el objetivo 40x, 40 veces; el objetivo 100x se encuentra generalmente marcado con anillo blanco en su lente objetivo para indicar que se debe utilizar con aceite de inmersión. Los aumentos que puede tener el lente ocular son: 6x, 10x, 12x, 15x. El ocular de 10x es el más usado. En el microscopio compuesto la amplificación total es igual al producto del aumento del objetivo por el aumento del ocular. Aumento total = Aumento objetivo x Aumento ocular Fuente: Microsoft Encarta 2005 copyright. 30 Poder de resolución: Se refiere a la capacidad de un sistema óptico de presentar dos puntos próximos separados. Se especifica por la distancia mínima en que se logra resolver estos puntos. Por ejemplo el hombre tiene un poder de resolución de 0.1 mm, a la distancia mínima de visión clara 25 cm. Este poder depende a su vez de la longitud de onda () y de la apertura numérica del objetivo (A.N). La apertura numérica también se halla gravada en la manga del lente, junto a la indicación del poder de aumento: -0.30 en el objetivo 10x, -0.65 en 40x, -1.30 en 100x. La A.N. es directamente proporcional con el poder de resolución. La A.N relaciona el ángulo de apertura e los rayos de luz que provienen de la fuente con el índice de refracción. En el caso del objetivo de inmersión, se coloca entre el preparado y la lente el aceite de inmersión, que tiene un índice de refracción igual al de la lente y evita la refracción de los rayos luminosos. Para poder entender estos conceptos es importante conocer, que es la refracción de la luz. Los rayos de luz atraviesan el aire en línea recta, pero al entrar en una sustancia como el agua o el vidrio, chocan contra la superficie y se desvían o refractan. Figura 8. Formación de la imagen real. Un factor que afecta a la apertura numérica, además de la construcción de la lente, es el medio a través del cual pasa la luz. Mientras que el objetivo esté separado del objeto por el aire, su apertura numérica nunca será mayor de 1.0, para conseguir aperturas numéricas mayores que ésta, el objetivo debe ser inmerso en un líquido de mayor índice de refracción que el aire. A estos líquidos se les denomina aceites de inmersión que se utilizan con los objetivos de inmersión obteniendo una apertura numérica entre 1.2 y 1.4. Aun así, al utilizarse la luz visible (longitud de onda)estos microscopios llegan a tener un poder de resolución de aproximadamente 0.25 µm, lo que significa que las partículas con un tamaño más pequeño de 0.25 µm no pueden distinguirse unas de las otras. Los rangos de luz visible van desde las longitudes rojas largas (= 760nm) hasta las pequeñas ondas azul/violeta (=400 nm). Las ondas ultravioletas pueden ser tan cortas como 230nm 31 El poder de resolución es : 2x N.A. Donde : Longitud de onda y N.A.: Apertura Numèrica. Por lo tanto si se tiene un objetivo de 100x, con A.N. de 1.30 y una longitud de onda promedio de 520nm, el poder de resolución será: 520nm = 0,2 m (micrones) 2 x 1,30 Cuanto mayor sea el poder de resolución del objetivo, será más clara la imagen y aumentará la capacidad de poner de manifiesto los detalles adyacentes muy cercanos, separándolos y aclarándolos. Poder de definición: Permite formar imágenes claras con contornos definidos. Poder de profundidad: da la posibilidad de observar varios planos de la preparación. Sin variar la posición del enfoque. El microscopio enfoca generalmente un solo plano. 3.MANEJOYUSODELMICROSCOPIO ÓPTICO 1. Coloque la preparación sobre la platina sujetándola con el dispositivo móvil. Compruebe previamente que el objetivo de menor aumento está en posición de empleo. 2. Coloque el objetivo de 10 aumentos (10x) y enfoque: Acerque al máximo la lente del objetivo a la preparación, empleando el macrométrico. No haga esta operación mirando por el ocular, pues correría el riesgo de "introducir" el objetivo en la preparación con el consiguiente destrozo de ambos. Desplace la platina lentamente con el macrométrico, observando por el ocular hasta que obtenga un enfoque nítido. 3. Pase al objetivo de 40 aumentos (40x). Suba ligeramente el condensador. La imagen debe estar casi enfocada: afine el foco con el micrométrico. Si la imagen no está ni medianamente enfocada, es preferible volver a un enfoque con el objetivo de 10x. El objetivo de 40x trabaja muy cerca de la preparación y por ello es susceptible de dos tipos de accidentes: ser "introducido" en la preparación cuando se descuidan las precauciones descritas para su enfoque (p.ej. empleando el macrométrico) y resultar manchado con aceite de inmersión si se observa una preparación ya usada con este último. 4. Empleo del objetivo de inmersión: Gire el revólver hacia el objetivo de inmersión dejándolo a medio camino entre éste y el de 40x. 32 Coloque una gota mínima de aceite de inmersión sobre el punto de luz. Termine de girar suavemente el revólver hasta la posición del objetivo de inmersión, asegurándose de que éste no toca la preparación pero sí la gota de aceite. Enfoque cuidadosamente con el micrométrico. La preparación debería estar prácticamente enfocada si se ha realizado un enfoque cuidadoso con el objetivo de 40x. De no ser así, es preferible volver a enfocar de nuevo un campo distinto partiendo del objetivo de 10x. Recuerde que la distancia de trabajo desde la lente frontal del objetivo de inmersión a la preparación es mínima, por lo que el riesgo de accidente es ahora máximo. Una vez que haya puesto aceite de inmersión sobre la preparación, ya no puede volver a colocar el objetivo de 40x sobre ese campo, pues correría el riesgo de mancharlo de aceite. Por tanto, si desea enfocar otro campo, debe retirar el objetivo de inmersión girando el revólver hacia el objetivo de menor aumento (10x), seleccionando otro campo y empezando a enfocar desde este último. Finalizada la observación de la preparación, y antes de retirarla de la platina, se colocará el objetivo de menor aumento girando el revólver en sentido hacia él. Nunca retire la preparación con el objetivo de inmersión en posición de observación. Retire la preparación y limpie el objetivo de inmersión cuidadosamente empleando un papel especial para óptica. Compruebe también que el objetivo de 40x está perfectamente limpio. MATERIALES Letras de papel de periódico. Escamas de mariposa. Hilos de colores. Cristales de sulfato de cobre y azúcar. Microscopio, láminas y laminillas, pipetas y los materiales habituales que debe traer el estudiante, orientados en la primera clase. PROCEDIMIENTO Realice un montaje húmedo o seco según la indicación del profesor de una letra pequeña, un hilo y otros materiales que están a disposición para la observación. En el caso de montajes húmedos coloque una gota de agua sobre la lámina. Dentro de la gota de agua ponga la letra impresa. Acerque una laminilla en posición oblicua, y apoye una arista sobre la lámina al lado de la gota de agua, y deje caer suavemente. Nota: La lámina antes de ser usadas debe estar completamente limpias y secas. Realice las observaciones siguiendo las recomendaciones dadas en el apartado 3. Realice las observaciones a 10x y 40x y dibújelas. 33 33 MEDICIONES CON EL MICROSCOPIO Fuente: Los autores INTRODUCCIÓN Para determinar el tamaño de un organismo y el procesamiento de datos, en la actualidad existen un sinnúmero de programas que permiten y facilitan al investigador conocer esta información. La medición indirecta permite estimar el tamaño de un objeto observado a partir de la medición del Diámetro Óptico (Φ) mientras que programas de análisis de imágenes permiten establecer con mayor precisión tamaños y otras muchas características que se puedan abstraer de los datos que obtiene el investigador. TIPO DE MEDICIÓN CARACTERÍSTICAS Directo Uso del micrométrico o rejilla ocular como escala de referencia Indirecto Programa A través de la adquisición de una imagen y el establecimiento de su escala, las herramientas del programa permiten conocer tamaño y otras características del elemento observado. 34 OBJETIVOS - Desarrollar el concepto de medida y estimación del tamaño de los microorganismos. - Utilizar el método de medición indirecta con base en el diámetro del campo óptico. - Procesar imágenes con el programa de análisis Fiji y establecer el tamaño de objetos u organismos. MATERIALES Grano de polen, cristales de permanganato de potasio, papel mantequilla milimetrado, computador, programa Fiji, cámara de Neubauer, microscopio e implementos habituales. PROCEDIMIENTO - Medición Indirecta o Determinación del diámetro del campo óptico (Φ) a menor aumento. o Tome una muestra del papel milimetrado, luego agréguele una gota de agua y enfoque en menor aumento un cuadrado, dejando el margen hacia algún extremo del campo visual, como indica la figura. Figura 9. Medición del campo óptico Para realizar la medición aproximada de un objeto u organismo, es necesario primero estimar el diámetro del campo óptico, que se podrá realizar ubicando el cuadrado en el plano diametral y midiendo el diámetro con los objetivos de 4x y 10x, o 8x. Realice el cálculo para conocer el Φ en mm en los objetivos de 10x, 40x o 100x complete la siguiente tabla en los espacios donde aplique. Tabla Nº1 Diámetro aproximado y calculado de los objetivos de 4X, 10X, 40X y 100X Objetivo de ocular Diámetro aprox. Diámetro calculado 10x 40x 100x Entonces podemos observar que a medida que la imagen se aumenta tantas veces, el campo óptico se reduce proporcionalmente con el aumento empleado, teóricamente se podría calcular de la siguiente manera: Después de haber determinado el del campo óptico a menor aumento y haberlo calculado a mayor aumento, realice micropreparados indicados por el auxiliar del laboratorio, obsérvelos y determine el tamaño de la célula o del objeto muestra, a menor y mayor aumento. Realice los dibujos de sus observaciones y complete la tabla con sus resultados: - Programa Fiji o Tome la cámara de Neubauer y ubicándolaen el microscopio tome una foto en cada aumento. Figura 10. Cámara de Neubauer a 40x Fuente: Los autores Posteriormente se realiza el montaje del objeto u organismo a medir y se toma una fotografía en el aumento que se enfoque mejor. Se realizan los siguientes pasos: 1. Descargar las fotografías en el computador y abrir el programa Fiji. 2. Inicialmente se debe establecer la escala en la que se va a realizar la medición, por lo tanto se selecciona en qué aumento se observa mejor el objeto u organismo a medir y se abre en Fiji la imagen de la cámara de Neubauer correspondiente al mismo aumento con el siguiente comando: File - Open y se selecciona el archivo. 3. Una vez abierta la imagen de la cámara de Neubauer con la herramienta de “Straight” que permite realizar líneas rectas, seleccionamos un segmento de línea en la imagen (Figura 11). 4. A continuación vamos a “Analyze” – “Set Scale”. En el recuadro que aparece, dentro de la opción “Known distance” se coloca la medida del segmento de la cámara de Neubauer que se conoce, y en “Unit of leght” se apunta la unidad de medida que se está usando, en este caso milímetros, y se selecciona la opción “Global” para que este parámetro se aplique a todas las imágenes en adelante al pulsar “Ok” (Figura 12 a). 5. Finalmente, se cierra la imagen de la cámara de Neubauer y se abre la imagen donde se encuentra el objeto u organismo a medir y se realiza la medición de la misma manera pero en lugar de elegir la opción “Set scale” se elige la opción “Measure” que inmediatamente despliega un cuadro de resultados donde se puede ver la medida del objeto u organismo (Figura 12 b). Figura 11. Selección de un segmento de longitud con el programa Fiji Figura 12. Recuadros que se despliegan (a) al entrar a “Set scale” y (b) al obtener los resultados Ahora establezca el tamaño del objeto u organismo: Muestra Aumento Tamaño Finalmente, establezca una comparación entre los dos métodos de medición. Halle ventajas, desventajas y márgenes de error en cada metodología. DETERMINACIÓN DE BIOMOLÉCULAS: GLÚCIDOS Y LÍPIDOS Fuente. J. Gualtero Todos los seres vivos están constituidos cualitativa y cuantitativamente por los mismos elementos químicos. De todos los elementos que se hallan en la corteza terrestre, sólo unos 25 son componentes de los seres vivos. Esto confirma la idea, que la vida se ha desarrollado sobre unos elementos concretos que poseen unas propiedades físico-químicas idóneas, acordes con los procesos químicos que se desarrollan en los seres vivos. Se denominan elementos biogénicos, bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos (C, H, O, N). Son los elementos mayoritarios de la materia viva, constituyen el 95% de la masa total y al formar enlaces covalentes dan lugar a biomoléculas muy importantes para la vida como son los glúcidos, lípidos, proteínas yADN. Los carbohidratos comúnmente llamados glúcidos o azúcares, son derivados aldehídos o cetónicos de alcoholes polivalentes, es decir de varios grupos OH en su estructura. Las unidades más pequeñas de los carbohidratos, son los monosacáridos, cuyo principal representante es la glucosa. Cuando dos o más unidades de monosacáridos se unen entre sí mediante enlaces glucosídicos se forman los compuestos más complejos como disacáridos (con dos monosacáridos), los oligosacáridos (3 a 15 unidades) y los polisacáridos (con más de 15 unidades) cuyos principales representantes son el almidón (en vegetales) y el glucógeno (en animales). Los lípidos son macromoléculas esenciales para las células porque hacen parte fundamental de su estructura. Químicamente son ésteres formados por la reacción entre un alcohol con varios ácidos grasos, estableciéndose entre ellos un enlace éster. Los lípidos se clasifican en dos grandes grupos de acuerdo a la complejidad de sus moléculas, lípidos simples y lípidos compuestos. Los lípidos son moléculas que contienen una gran cantidad de energía potencial almacenada, 9 Kcal/mole, mientras que los carbohidratos y las proteínas contienen 4 Kcal/mole. Esta energía potencial se encuentra almacenada en los ácidos grasos que están esterificados con el alcohol, los cuales pueden ser saturados (sin doble enlaces) o insaturado (con doble enlaces); los primeros abundan en las grasas y los segundos en los aceites. Figura 12. Biomoléculas. Fuente: Lehninger, 2005. OBJETIVOS ✓ Comprender el papel fisiológico que tienen las biomoléculas en todos los organismos. ✓ Conocer algunas pruebas bioquímicas específicas para identificar las biomoléculas. ✓ Reconocer mediante pruebas sencillas la presencia de biomoléculas en algunas muestras de origen orgánico. RECONOCIMIENTO DE GLÚCIDOS MATERIALES Tubos de ensayo, gradilla, pinzas, mechero, pipetas, solución de Lugol, solución de Fehling A y B, solución alcalina (sosa, potasa, bicarbonato, etc.), HCl diluido, soluciones al 5% de glucosa, maltosa, lactosa, fructosa, sacarosa y almidón. 1. ESTUDIO DE AZÚCARES REDUCTORES Fundamento Los monosacáridos y la mayoría de los disacáridos poseen poder reductor, que deben al grupo carbonilo que tienen en su molécula. Este carácter reductor puede ponerse de manifiesto por medio de una reacción redox llevada a cabo entre ellos y el sulfato de cobre (II). Las soluciones de esta sal tienen color azul. Tras la reacción con el glúcido reductor se forma óxido de cobre (I) de color rojo. De este modo, el cambio de color indica que se ha producido la citada reacción y que, por lo tanto, el glúcido presente es reductor. Técnica 1. Poner en los tubos de ensayo 3ml de la solución de glucosa, maltosa, lactosa fructosa o sacarosa (según indique el profesor). 2. Añadir 1ml de solución de Fehling A (contiene CuSO4) y 1ml de Fehling B (lleva NaOH para alcalinizar el medio y permitir la reacción) 3. Calentar los tubos a la llama del mechero hasta que hiervan. 4. La reacción será positiva si la muestra se vuelve de color rojo y será negativa si queda azul o cambia a un tono azul-verdoso. 5. Observar y anotar los resultados de los diferentes grupos de prácticas con las distintas muestras de glúcidos. 2. HIDRÓLISIS DE LA SACAROSA Fundamento La sacarosa es un disacárido que no posee carbonos anoméricos libres, por lo que carece de poder reductor y la reacción con el reactivo de Fehling es negativa, tal y como ha quedado demostrado en el experimento 1. Sin embargo, en presencia de HCl y en caliente, la sacarosa se hidroliza, es decir, incorpora una molécula de agua y se descompone en los monosacáridos que la forman, glucosa y fructosa, que sí son reductores. La prueba de que se ha verificado la hidrólisis se realiza con el reactivo de Fehling, y si el resultado es positivo, aparecerá un precipitado rojo. Si el resultado es negativo, la hidrólisis no se ha realizado correctamente y si en el resultado final aparece una coloración verde en el tubo de ensayo se debe a una hidrólisis parcial de la sacarosa. Técnica 1. Tomar 3ml de solución de sacarosa y añadir 10 gotas de HCl diluido. 2. Calentar a la llama del mechero durante unos 5 minutos. 3. Dejar enfriar. 4. Neutralizar añadiendo 3ml de solución alcalina. (NaOH al 20%) 5. Realizar la prueba de Fehling como se indica en el experimento 1. 6. Observar y anotar los resultados. 3. INVESTIGACIÓN DE POLISACÁRIDOS (ALMIDÓN) Fundamento El almidón es un polisacárido vegetal formado por dos componentes: la amilosa y la amilopectina. La primera se colorea de azul en presencia de yodo debido no a una reacción química sino a la adsorción o fijación de yodo en la superficie de la molécula de amilosa, lo cual sólo ocurre en frío. Como reactivo se usa una solución denominada lugol que contiene yodo y yoduro potásico. Como los polisacáridosno tienen poder reductor, la reacción de Fehling da negativa. Técnica 1. Colocar en un tubo de ensayo 3ml de la solución de almidón. 2. Añadir 3 gotas de la solución de lugol. 3. Observar y anotar los resultados. 4. Calentar suavemente, sin que llegue a hervir, hasta que pierda el color. 5. Enfriar el tubo de ensayo al grifo y observar cómo, a los 2-3 minutos, reaparece el color azul. Fundamento Teórico En la orina se pueden encontrar diversos carbohidratos, el más común es la glucosa en volúmenes apreciables, constituye el fenómeno conocido como glucosuria o glicosuria y es consecuencia de un aumento de glucosa en la sangre (hiperglicemia). Puede presentarse glucosuria producto de emociones violentas (ira, temor, ansiedad) lo cual obedece a una mayor secreción de adrenalina, con la movilización consiguiente a la glucosa almacenada anteriormente como glucógeno. Después de un largo y difícil examen, puede aparecer glucosa en la orina, de un número considerable de estudiantes; también suelen producirse glucosuria después de ingerir carbohidratos en exceso (glucosuria alimentaría) el límite de asimilación varía según el individuo y las condiciones del ejercicio físico. Generalmente se estima el límite de glucosa pura entre 100 y 200 gramos pero, recientemente se ha comprobado que en muchos individuos, cantidades mayores, hasta la máxima que el estómago puede tolerar (400-500g) no provoca glucosuria. La glucosa que sigue a la ingestión de 100g o menos, es anormal e indica un umbral renal bajo, disminución de la capacidad del hígado para almacenar glucosa como glicógeno o trastorno del metabolismo glucídico. La cantidad de glucosa eliminada en la diabetes, es considerable, y en ocasiones hasta de 500g o más de 24h, aunque no guarda relación con la gravedad de la dolencia. Por ultimo debemos señalar que como resultado de la actividad física puede aparecer glucosa en la orina, considerándose un proceso eminentemente funcional. En el caso de cargos físicos intensos y de corta duración, en las cuales la movilización del glucógeno hepático se intensifica y se incrementa el nivel de glucosa sanguínea, se puede observar manifestaciones de glucosa. La glucosa se puede regular casi totalmente, restringiendo con cuidado la dieta. Principios: Todos los azucares (glucosa, levulosa, galactosa, etc) reducen con rapidez, por medio de calor al sulfato de cobre en solución alcalina (reactivo Benedict) haciéndolo pasar a oxido cuproso insoluble, de color amarillo a rojo. Materiales Reactivo: Benedict cualitativo Muestra Orina Técnica 1. Vierta 8 gotas de orina en un tubo de ensayo resistente al calor. 2. Añada 3 ml del reactivo de Benedict cualitativo y mézclelos. 3. Someta el tubo al calor y déjelo hervir durante 2 o 3 minutos. No debe derramarse. Déjelo enfriar espontáneamente. La lectura de esta práctica se realiza observando el color que toma la muestra y que puede dar uno de los siguientes resultados. Color Azul sin Precipitado ...................................................................... Negativa Ligero Precipitado Verde ................................................................ Ligeros Indicios Aproximadamente Amarillo ................................................. Débilmente positivo Color Naranja ........................................................................................ Positiva Rojo Ladrillo ...................................................................... Fuertemente Positiva Realice la prueba utilizando Comburtest. Indique en el diagrama algunas de las pruebas realizadas y coloree su resultado. RECONOCIMIENTO DE LÍPIDOS MATERIALES Tubos de ensayo, gradilla, varillas de vidrio, mechero, vasos de precipitados, pipetas, solución de NaOH al 20%, solución de Sudán III, tinta china roja, éter, cloroformo o acetona, aceite de oliva. SAPONIFICACIÓN Fundamento Las grasas reaccionan en caliente con el hidróxido sódico o potásico descomponiéndose en los dos elementos que las integran: glicerina y ácidos grasos. Éstos se combinan con los iones sodio o potasio del hidróxido para dar jabones, que son en consecuencia las sales sódicas o potásicas de los ácidos grasos. En los seres vivos, la hidrólisis de los triglicéridos se realiza mediante la acción de enzimas específicas (lipasas) que dan lugar a la formación de ácidos grasos y glicerina. Técnica . Colocar en un tubo de ensayo 2ml de aceite y 2ml de NaOH al 20%. . Agitar enérgicamente y colocar el tubo al baño María de 20 a 30 minutos. . Pasado este tiempo, se pueden observar en el tubo 3 fases: una inferior clara que contiene la solución de sosa sobrante junto con la glicerina formada, otra intermedia semisólida que es el jabón formado y una superior lipídica de aceite inalterado. 2. TINCIÓN Fundamento Los lípidos se colorean selectivamente de rojo-anaranjado con el colorante Sudán III. Técnica 1. Disponer en una gradilla 2 tubos de ensayo colocando en ambos 2ml de aceite. 2. Añadir a uno de los tubos 4-5 gotas de solución alcohólica de Sudán III. 3. Al otro tubo añadir 4-5 gotas de tinta roja. 4. Agitar ambos tubos y dejar reposar. 5. Observar los resultados: en el tubo con Sudán III todo el aceite tiene que aparecer teñido, mientras que en el tubo con tinta, ésta se irá al fondo y el aceite no estará teñido. 3. SOLUBILIDAD Fundamento Los lípidos son insolubles en agua. Cuando se agitan fuertemente en ella se dividen en pequeñísimas gotas formando una emulsión de aspecto lechoso, que es transitoria, pues desaparece en reposo por reagrupación de las gotitas de grasa en una capa que, por su menor densidad, se sitúa sobre el agua. Por el contrario, las grasas son solubles en disolventes orgánicos, como el éter, cloroformo, acetona, benceno, etc. Técnica 1. Poner 2ml de aceite en dos tubos de ensayo. 2. Añadir a uno de ellos 2ml de agua y al otro 2ml de éter u otro disolvente orgánico. 3. Agitar fuertemente ambos tubos y dejar reposar. 4. Observar los resultados: Se verá cómo el aceite se ha disuelto en el éter y, en cambio no lo hace en el agua y el aceite subirá debido a su menor densidad. Escribas los resultados obtenidos y sus conclusiones en las hojas en blanco RESULTADOS (Apoyarse con un diseño de lo observado) 1. SAPONIFICACIÓN 2. TINCIÓN 3. SOLUBILIDAD DETERMINACIÓN DE BIOMOLÉCULAS: PROTEÍNAS Y ADN Fuente: Audesirk- Audesirk 2003 Las proteínas son moléculas compuestas de una o más cadenas de aminoácidos. Las proteínas desempeñan muchas funciones. Las enzimas son proteínas importantes que dirigen casi todas las reacciones químicas que se llevan a cabo dentro de las células, dado que cada enzimas ayuda sólo en una o unas cuantas reacciones específicas, casi todas las células contienen cientos de enzimas distintas. Hay otros tipos de proteínas que se utilizan para fines estructurales como la elastina, que confiere la elasticidad la piel; la queratina, que es la principal proteínas del pelo, de los cuernos de los animales y de las uñas. Hay también proteínas que se usan para almacenar energía y materiales (álbumina), para transporte (hemoglobina) y para movimiento celular (proteínas contráctiles de los músculos), hormonas (insulina, hormona del crecimiento), anticuerpos (que ayudan a combatir las enfermedades e infecciones) y muchos venenos (como el de la serpiente cascabel) también son proteínas. Las proteínas son polímeros de aminoácidos. Todos los aminoácidos tienen la misma estructura fundamental que consiste en un carbono central unido a cuatro grupos funcionales distintos: un grupo amino (-NH3), que contiene nitrógeno; un grupo carboxilo; un hidrógeno; y un grupo variable (representado por la letra R). El grupo R difiere entre los aminoácidos y confiere a cada uno sus propiedades distintas. En las proteínas
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