Visualización de procesos biológicos
¿Alguna vez ha escuchado la frase, ‘Lo creeré cuando lo vea’? Si bien esta frase puede tener sentido en nuestra vida diaria, hay tantas cosas en biología que simplemente no podemos ver con nuestros propios ojos. Los organismos como las bacterias están constantemente absorbiendo compuestos químicos y reorganizando los átomos, usando algunos para construir componentes celulares, digerir algunos y respirar otros. ¿Cómo podemos rastrear u observar un proceso que está sucediendo a esta escala casi incomprensiblemente pequeña? Una respuesta son los isótopos radiactivos.
¿Qué son los isótopos radiactivos?
Déjame refrescar tu memoria sobre los isótopos . Cada elemento de la tabla periódica tiene un número determinado de protones, pero puede tener un número variable de neutrones . Los átomos del mismo elemento que tienen un número diferente de neutrones se denominan isótopos del elemento. Por ejemplo, el carbono tiene tres formas principales de isótopos estables: C-12, que tiene seis protones y seis neutrones; C-13, que tiene seis protones y siete neutrones; y C-14, que tiene seis protones y ocho neutrones. ¿Entiendes el patrón?
Entonces, todos los elementos pueden tener múltiples formas isotópicas. Pero algunas de estas formas de isótopos son aún más especiales y se conocen como isótopos radiactivos . Estos isótopos son inestables y se convertirán espontáneamente en una forma de isótopos más estable, liberando partículas energéticas en el proceso. Algunos isótopos radiactivos se convierten increíblemente rápido, con tiempos de vida medidos en segundos o menos, mientras que otros son moderadamente rápidos, con tiempos de vida medidos en minutos a horas o días, mientras que algunos son mucho más lentos, con tiempos de vida medidos en décadas, siglos o milenios.
En biología, podemos aprovechar los isótopos radiactivos que tienen una vida útil moderadamente larga para rastrear átomos y moléculas. Podemos hacer esto detectando o midiendo la energía o las partículas que se liberan cuando el isótopo se convierte en una forma más estable. Algunos isótopos radiactivos útiles utilizados en experimentos de microbiología incluyen hidrógeno-3, carbono-14, fósforo-32 y azufre-35.
Seguimiento de átomos en macromolecas principales
Usemos isótopos radiactivos para ver cómo funciona esto y para aprender algo sobre las principales macromoléculas de la célula. Recuerde que las macromoléculas principales son cosas como lípidos, carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos como ADN y ARN. Las macromoléculas están formadas por bloques de construcción que contienen ciertos elementos, como ilustra esta tabla.
¿Qué son las Moléculas Simples? Definición, ejemplos y tipos
Para que las bacterias crezcan y se reproduzcan, deben tener una fuente de todos estos elementos. En la naturaleza, las bacterias tienen que eliminar del medio ambiente compuestos que contienen estos elementos. Pero en el laboratorio, podemos proporcionarles las fuentes de estos elementos y rastrear su incorporación a la célula.
Digamos que estamos interesados en determinar qué elementos se pueden incorporar en ácidos nucleicos y proteínas. Para responder a esta pregunta, haremos una serie de experimentos. Primero, cultivaremos algunas bacterias en un matraz con una fuente de fósforo. El truco es que la fuente de fósforo está formada por el isótopo radiactivo fósforo-32. Ahora dejamos que las células crezcan por un tiempo. Luego recolectamos las células, las rompemos y las separamos y recolectamos los ácidos nucleicos y las proteínas.
Entonces tenemos un tubo que contiene los ácidos nucleicos celulares y un tubo que contiene las proteínas celulares. Ahora medimos los tubos para detectar la radiación o, más concretamente, la emisión de partículas radiactivas. ¿Qué tubo crees que emitirá radiación? Si dijera el tubo de ácido nucleico, estaría en lo cierto. Podemos ver que los ácidos nucleicos contienen fósforo, mientras que las proteínas no.
Ahora, ¿qué pasa si cultivamos nuestras células con una fuente de azufre-35 radiactivo? ¿Detectaríamos radiación en el tubo de ácido nucleico o en el tubo de proteínas? Si dijeras el tubo de proteínas, tendrías razón de nuevo. Esto puede haber parecido un conjunto de experimentos sin sentido, ya que ya sabemos cuáles son los elementos principales en las macromoléculas principales de la célula, pero este tipo básico de experimento puede usarse para aprender mucho sobre el crecimiento y el metabolismo bacteriano.
Uso de radioisótopos en microbiología
Las bacterias viven en comunidades complejas que consisten en muchas especies diferentes. Estas comunidades habitan una amplia gama de hábitats, desde el suelo hasta el intestino humano y la atmósfera. En todos los casos, varios organismos pueden trabajar juntos para llevar a cabo varios procesos químicos y metabólicos. Estos microbios juegan un papel importante en el control de muchos de los ciclos de elementos globales. Esto significa que los microbios pueden desempeñar un papel en cosas como el cambio climático o la descomposición de contaminantes en el medio ambiente. Pero los científicos tienen que encontrar una manera de medir y detectar las actividades microbianas para poder explicar con precisión su contribución.
Grupos funcionales en moléculas orgánicas: Resumen, lista y ejemplos
Pero hay un problema. Cuando llevamos bacterias al laboratorio y comenzamos a cultivarlas por separado en cultivo, se vuelven mansas y domesticadas y perdemos las complejas interacciones que tienen lugar en la naturaleza. Algunos científicos usan radioisótopos para intentar capturar algunas de las reacciones químicas que tienen lugar en comunidades bacterianas complejas. Dejame darte un ejemplo.
Las comunidades de bacterias que crecen en la naturaleza llevan a cabo procesos importantes, como capturar el dióxido de carbono de la atmósfera y convertirlo en componentes celulares. Recuerde, la vida en la Tierra está basada en carbono, por lo que básicamente todos los componentes celulares requieren una fuente de átomos de carbono. En las comunidades bacterianas, no todas las especies podrán realizar este proceso de captura de dióxido de carbono; algunas bacterias tienen que utilizar otros compuestos de carbono.
Para detectar si una comunidad tiene estos especialistas, un científico puede proporcionar una fuente de dióxido de carbono marcado con el isótopo radiactivo carbono-14. Si las células pueden absorber el dióxido de carbono marcado radiactivamente y convertirlo en componentes celulares, las células se etiquetarán y esto se podrá detectar. Los científicos están estudiando cómo las bacterias utilizan el carbono para comprender mejor el ciclo global del carbono y cómo las bacterias desempeñan un papel en el cambio climático.
Resumen de la lección
Repasemos lo que hemos aprendido sobre los isótopos radiactivos.
Los isótopos son átomos del mismo elemento que tienen diferente número de neutrones. Los isótopos radiactivos son isótopos que son inestables y se convierten espontáneamente en una forma isotópica más estable, liberando partículas energéticas en el proceso. Los isótopos radiactivos importantes en biología incluyen hidrógeno-3, carbono-14, fósforo-32 y azufre-35.
Elementos Radiactivos y Desintegración: Definición y ejemplos
Podemos rastrear la incorporación de isótopos radiactivos en las principales macromoléculas , que son cosas como lípidos, carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos como el ADN y el ARN. Hicimos un experimento que mostró que el isótopo radiactivo azufre-35 se incorporó a las proteínas, mientras que el isótopo radiactivo fósforo-32 se incorporó a los ácidos nucleicos. Finalmente, vimos un ejemplo de cómo los isótopos radiactivos pueden permitirnos aprender más sobre las capacidades metabólicas de comunidades bacterianas complejas que viven en la naturaleza.
Los resultados del aprendizaje
Cuando haya terminado esta lección, debe tener la confianza para:
- Definir isótopos y explicar qué diferencia a los isótopos radiactivos de otros isótopos.
- Explicar cómo se pueden usar los isótopos radiactivos para rastrear átomos y moléculas.
- Enumere las macromoléculas principales
- Describir cómo se pueden utilizar los isótopos radiactivos para ayudarnos a medir y detectar actividades microbianas.
- Comprender algunas de las aplicaciones más amplias del estudio de la actividad microbiana.
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