RODOPSINAINTRODUCCIÓN

El término proteína se deriva de la palabra proteios, que significa de primer

orden, ya que son esenciales en la formación de estructuras celulares así como

en el control de las funciones que esta realiza. Estas moléculas figuran entre los

componentes más abundantes en la mayoría de los seres vivos; en los animales

representan un 50% o un poco más de su peso seco, mientras que en los

vegetales constituyen un poco menos de la mitad de su peso seco.

Los seres vivos utilizan a las proteínas como materia prima para su desarrollo y

control de los procesos químicos propios del metabolismo. La ingestión adecuada

de proteínas favorece, entre otras cosas, la formación de musculatura, dientes,

pelo, uñas, sangre, la oxigenación de las células, transporte de desechos del

metabolismo, etc.

FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS

Las proteínas determinan la forma y la estructura de las células y dirigen casi

todos los procesos vitales. Las funciones de las proteínas son específicas de cada

una de ellas y permiten a las células mantener su integridad, defenderse de

agentes externos, reparar daños, controlar y regular funciones, etc...Todas las

proteínas realizan su función de la misma manera: por unión selectiva a

moléculas. Las proteínas estructurales se agregan a otras moléculas de la misma

proteina para originar una estructura mayor. Sin embargo,otras proteínas se unen

a moléculas distintas: los anticuerpos a los antígenos específicos, la hemoglobina

al oxígeno, las enzimas a sus sustratos, los reguladores de la expresión génica al

ADN, las hormonas a sus receptores específicos, etc...

A continuación se exponen algunos ejemplos de proteínas y las funciones que

desempeñan:

Función ESTRUCTURAL

-Algunas proteínas constituyen estructuras celulares:

Ciertas glucoproteinas forman parte de las membranas celulares y actuan como

receptores o facilitan el transporte de sustancias.

Las histonas, forman parte de los cromosomas que regulan la expresión de los

genes.

-Otras proteínas confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejidos:

El colágeno del tejido conjuntivo fibroso.

La elastina del tejido conjuntivo elástico.

La queratina de la epidermis.

-Las arañas y los gusanos de seda segregan fibroina para fabricar las telas de

araña y los capullos de seda, respectivamente.

Función ENZIMATICA

-Las proteínas con función enzimática son las más numerosas y especializadas.

Actúan como biocatalizadores de las reacciones químicas del metabolismo celular.

Función HORMONAL

-Algunas hormonas son de naturaleza protéica, como la insulina y el glucagón

(que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas segregadas por la

hipófisis como la del crecimiento o la adrenocorticotrópica (que regula la síntesis

de corticosteroides) o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio).

Función REGULADORA

-Algunas proteínas regulan la expresión de ciertos genes y otras regulan la

división celular (como la ciclina).

Función HOMEOSTATICA

-Algunas mantienen el equilibrio osmótico y actúan junto con otros sistemas

amortiguadores para mantener constante el pH del medio interno.

Función DEFENSIVA

Las inmunoglogulinas actúan como anticuerpos frente a posibles antígenos.

La trombina y el fibrinógeno contribuyen a la formación de coágulos sanguíneos

para evitar hemorragias.

Las mucinas tienen efecto germicida y protegen a las mucosas.

Algunas toxinas bacterianas, como la del botulismo, o venenos de serpientes, son

proteínas fabricadas con funciones defensivas.

Función de TRANSPORTE

La hemoglobina transporta oxígeno en la sangre de los vertebrados.

La hemocianina transporta oxígeno en la sangre de los invertebrados.

La mioglobina transporta oxígeno en los músculos.

Las lipoproteínas transportan lípidos por la sangre.

Los citocromos transportan electrones.

Función CONTRACTIL

La actina y la miosina constituyen las miofibrillas responsables de la contracción

muscular.

La dineina está relacionada con el movimiento de cilios y flagelos.

Función DE RESERVA

La ovoalbúmina de la clara de huevo, la gliadina del grano de trigo y la hordeina

de la cebada, constituyen la reserva de aminoácidos para el desarrollo del

embrión.

La lactoalbúmina de la leche.

En la siguiente tabla se resumen las funciones de las proteínas y algunos

ejemplos:

Tipo Función Ejemplos

1.- Almacenadoras 2.- Reserva Albúminas, ovoalbúminas,

gliadina

 2.- Transporte  Transporte de grupos  Hemoglobina, hemocianina

 3.- Contráctiles  Contracción muscular  Actina, miosina y dineina

 4.- Conectivas  Unión  Colágeno

 5.- Hormonas  Control  Insulina

 6.- Estructurales  Estructura Queratina, glucoproteínas,

fibroina

 7.- Anticuerpos  Inmunidad  Gama globulinas

 8.- Enzimas  Catalizadores Alcohol deshidrogenasa,

amilasa

 9.- Reguladoras de

genes Inhiben genes  Histonas

 10.- Proteoreceptoras Recepción de impulsos

nerviosos Rodopsina (retina del ojo)

La gliadina es una proteína de reserva de aminoácidos en el grano de trigo; la

hemoglobina se encarga del transporte de oxígeno en los animales vertebrados,

mientras que la hemocianina realiza la misma función en los invertebrados. La

dineina es una proteína contráctil relacionada con el movimiento de cilios y

flagelos, mientras que la fibroina es una proteína estructural segregan las arañas

y los gusanos de seda para fabricar las telas de araña y los capullos de seda.

FUENTES DE OBTENCIÓN

Las fuentes tradicionales de proteínas para el hombre son: carne, pescado, aves

de corral, leche, productos lácteos, frijoles y guisantes, nueces, semillas y

granos. Casi todos los alimentos proporcionan abundantes proteínas, salvo las

verduras y frutas. Las fuentes de proteínas pueden ser de dos tipos, de buena

calidad y de baja calidad; las proteínas de buena calidad contienen el mayor

número de aminoácidos esenciales, mientras que las proteínas de baja

calidad casi no contienen dichos aminoácidos.

En las semillas vegetales encontramos la mayoría de los aminoácidos esenciales.

Las plantas suelen ser pobres en dos de ellos, lisina y triptófano, por lo que se

recomienda el consumo de carne, huevo, leche, jamón, queso parmesano entre

otros alimentos.

ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

Una proteína se forma por una secuencia específica de subunidades llamadas

aminoácidos. Estas subunidades son moléculas mixtas ya que tienen dos grupos

funcionales: amino (-NH2) y ácido carboxílico (-COOH). En su estructura

encontramos un carbono α, ubicado entre los dos grupos funcionales; además, se

observa un grupo distintivo representado por la letra “R”, el cual está enlazado al

carbono α (Fig. 1).

Fig. 1: Fórmula general de los aminoácidos

En la estructura de las proteínas pueden participar hasta 20 aminoácidos

diferentes, los cuales se unen a través de enlaces peptídicos. Este enlace se

forma entre el grupo carboxilo del primer aminoácido y el grupo amino del

siguiente aminoácido (Fig. 2).

Fig. 2: Representación del enlace peptídico

La unión de dos aminoácidos forma un dipéptido, tres aminoácidos unidos forman

un tripéptido y la unión de un gran número de ellos forma un polipéptido. Las

proteínas son polipéptidos con un número variable de aminoácidos, algunas tienen

secuencias de 8 o 9 aminoácidos, mientras que otras tienen más de 100.

Entre las proteínas humanas más pequeñas tenemos a la oxitocina y

vasopresina con 9 aminoácidos; glucagón con 29, la adrenocorticotrofina

(ACTH) con 39 y a la insulina con 50 aminoácidos. La ACTH es una hormona que

secreta la hipófisis y estimula, en las glándulas suprarrenales, la producción de

cortisol y de hormonas esteroides. La insulina, participa en la regulación del

metabolismo de carbohidratos.

CLASIFICACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS:

En la estructura de las proteínas de los seres vivos, incluyendo a los virus,

participan 20 tipos de aminoácidos diferentes; de acuerdo a la forma en que se

obtienen, se clasifican como esenciales y no esenciales.

Los aminoácidos no esenciales, son aquellos que el organismo puede

sintetizar; en el caso del hombre, los aminoácidos no esenciales son diez:

Aminoácidos no

esencialesRepresentación

 1.- Ácido aspártico  Asp

 2.- Ácido glutámico  Glu

 3.- Alanina  Ala

 4.- Asparagina  Asn

 5.- Cisteina  Cis

 6.- Glicina  Gli

 7.- Glutamina  Gln

 8.- Prolina  Pro

 9.- Serina  Ser

 10.- Tirosina  Tir

Los aminoácidos esenciales son aquellos que no pueden ser sintetizados por

el organismo; para el hombre son esenciales ocho y dos son semiesenciales.

Aminoácidos esenciales Representación

 1.- Fenilalanina  Fen

 2.- Isoleucina  Ile

 3.- Leucina  Leu

 4.- Lisina  Lis

 5.- Metionina  Met

 6.- Treonina  Tre

 7.- Triptófano  Trp

 8.- Valina  Val

Aminoácidos semiesenciales

Representación

 9.- Arginina  Arg

 10.- Histidina  His

La histidina es esencial en los niños, quienes a pesar de que la sintetizan, la

cantidad producida no es suficiente para cubrir las necesidades, por lo que debe

ser suministrado a través de la dieta. Este aminoácido se relaciona con:

Regulación y utilización de oligoelementos esenciales como el cobre, zinc,

manganeso y molibdeno. Los metales como el zinc, cobre y níquel se enlazan a la

histidina facilitando así la excreción rápida del metal excesivo. La histidina puede

elevar los niveles de histamina la cual es responsable de los síntomas de las

alergias, además de facilitar el orgasmo en ambos sexos.

La arginina es un aminoácido esencial en los humanos bajo ciertas condiciones

como: presencia de amoniaco excesivo, lisina excesiva, crecimiento rápido,

embarazo, traumatismo, deficiencia de proteínas y mala nutrición. Este

aminoácido está relacionado con la curación de heridas ya que facilita la

producción de colágeno, así mismo, se utiliza en el tratamiento de infertilidad

masculina ya que interviene en la producción de espermatozoides.

Los aminoácidos no solamente intervienen en la formación de proteínas, también

intervienen en otros procesos como podemos observar en el caso de la histidina y

la arginina.

CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

Desde el punto de vista estructural, las proteínas se clasifican en: primarias,

secundarias, terciarias y cuaternarias.

ESTRUCTURA PRIMARIA:

La estructura primaria de una proteína, describe la secuencia de aminoácidos

que forma al polipéptido; cada proteína tiene una estructura primaria particular

(Fig. 3).

Fig. 3: Estructura primaria de las proteínas

ESTRUCTURA SECUNDARIA:

La estructura secundaria fue descubierta por dos investigadores, Linus Pauling y

Robert Corey en 1939. Ellos encontraron dos estructuras que podían ser resultado

de la formación de puentes de hidrógeno entre los aminoácidos; una de estas

recibió el nombre de hélice alfa y la segunda hoja o lámina plegada beta. A las

proteínas con estructura secundaria se les conoce como proteínas fibrosas y

desempeñan funciones estructurales en los organismos.

La hélice alfa se describió al estudiar la estructura de la α-queratina de la piel

mediante la técnica de difracción de rayos X. La hélice alfa es semejante a un

resorte que tiene un giro en el sentido de las manecillas del reloj o giro alfa. Los

aminoácidos que integran la estructura de este tipo de proteínas favorecen la

formación de la hélice (Fig. 4).

Fig. 4: Hélice alfa

Como ejemplo de proteínas con estructura secundaria podemos mencionar a los

colágenos (triple hélice) que participa en la formación de la piel, tendones, huesos

y córneas; fibrina, proteína que coagula la sangre; miosina, proteína de los

músculos y la queratina, proteína del cabello.

La lámina beta se describió a partir del estudio de β-queratinas, como la fibroina

de la seda. En este tipo de estructura, las cadenas de polipéptidos están

dispuestas en láminas plegadas, unidas transversalmente por puentes de

hidrógeno; las cadenas se sitúan de tal manera que los grupos amino y carboxilo

adyacentes quedan uno frente a otro. Los grupos R están ubicados por encima y

por debajo de los planos en forma de zig-zag de la lámina.

Fig. 5: Hoja plegada beta

Como ejemplo de proteínas con estructura de hoja plegada beta tenemos a la

fibroina de la seda y las proteínas que forman las telas de araña.

ESTRUCTURA TERCIARIA:

La posición de ciertos aminoácidos en la cadena polipeptídica hace que la

dirección de la hélice alfa sufra súper plegamientos y enrollamientos que dan lugar

a una estructura compacta denominada estructura terciaria o globular. Las

enzimas y los anticuerpos son ejemplos de proteínas globulares (Fig. 6).

Fig. 6: Estructura terciaria o globular

ESTRUCTURA CUATERNARIA:

La estructura cuaternaria de una proteína se forma por la unión de dos o más

subunidades globulares, denominadas monómeros; estas subunidades se

mantienen unidas a través de fuerzas electrostáticas. A este tipo de estructura

también se le conoce con el nombre de proteínas oligoméricas (oligo= poco,

meros= partes). Como ejemplo de este tipo de proteínas tenemoss a la

hemoglobina, la cual está formada por cuatro subunidades de mioglobina (Fig. 7).

Fig. 7: Estructura cuaternaria u oligomérica

PROPIEDADES DE PROTEINAS

ESPECIFICIDAD.

La especificidad se refiere a su función; cada una lleva a cabo una determinada

función y lo realiza porque posee una determinada estructura primaria y una

conformación espacial propia; por lo que un cambio en la estructura de la proteína

puede significar una pérdida de la función.

Además, no todas las proteínas son iguales en todos los organismos, cada

individuo posee proteínas específicas suyas que se ponen de manifiesto en los

procesos de rechazo de órganos transplantados. La semejanza entre proteínas es

un grado de parentesco entre individuos, por lo que sirve para la construcción de

"árboles filogenéticos"

DESNATURALIZACIÓN.

Consiste en la pérdida de la estructura terciaria, por romperse los puentes que

forman dicha estructura. Todas las proteínas desnaturalizadas tienen la misma

conformación, muy abierta y con una interacción máxima con el disolvente, por lo

que una proteína soluble en agua cuando se desnaturaliza se hace insoluble en

agua y precipita.

La desnaturalización se puede producir por cambios de temperatura, (huevo

cocido o frito), variaciones del pH. En algunos casos, si las condiciones se

restablecen, una proteína desnaturalizada puede volver a su anterior plegamiento

o conformación, proceso que se denomina renaturalización.

DESNATURALIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

La estructura nativa de una proteína se puede alterar debido a ciertos agentes,

entre ellos: calor, radiaciones ultravioleta, ácidos y bases fuertes, sales, urea,

metales pesados (plata, plomo, mercurio); solventes orgánicos (alcohol, acetona).

Se le denomina desnaturalización a:

"Cualquier alteración en la estructura nativa de la proteína, que cause cambios en

sus propiedades físicas, químicas y biológicas".

Como ejemplos de desnaturalización de proteínas podemos mencionar: cocción

de un huevo, aplicación de bases en el pelo, quemaduras en la piel por exposición

prolongada a los rayos solares, etc.

MUESTRA PROTEICA-RODOPSINA

ESTUDIOS REALIZADOS

El ambicioso plan de Nathans de aislar los genes que codifican para los tres

colores de proteínas receptoras, dependía de la idea de Wald de que todos los

genes han evolucionado a partir de un ancestro primordial común.

La única proteína receptora visual que había sido estudiada con cierta intensidad

hasta ese momento era la rodopsina bovina, proveniente de las células de tipo

bastón de los ojos de las vacas. Los científicos habían purificado la rodopsina

vacuna y habían deducido la secuencia de un fragmento del ADN que codificaba

para la misma. Nathans usó esa información para construir un cebo—un ADN de

cadena simple—y con el mismo pescó, en un mar de ADN bovino, el gen completo

que codifica para la rodopsina bovina.

Luego, usó parte de este gen bovino como cebo para atrapar, en la mezcla de

ADN de una célula humana, al gen que codifica para la rodopsina humana. Esto le

llevó menos de un año "porque los genes que codifican para las rodopsinas

humanas y bovinas son virtualmente idénticos, a pesar de los 200 millones de

años de distancia evolutiva entre el ganado y los humanos", dice Nathans.

Sin embargo, el intento por descubrir los genes humanos para los receptores del

color, resultó ser más desafiante de lo esperado, dado que estos genes no están

tan íntimamente emparentados con los genes para la rodopsina.

Nathans empezó a escudriñar a través del ADN de sus propias células. "Me di

cuenta que yo podría ser una fuente ilimitada de ADN, mientras me mantuviera

comiendo", dice. Finalmente, pescó algunas piezas de ADN que pertenecían a tres

tipos diferentes de genes, cada uno de los cuales estaba claramente emparentado

con el gen de la rodopsina.

"Esta coincidencia—tres genes, tres tipos de conos—no escapó a nuestra

atención", dice. Además, dos de estos genes estaban presentes en el cromosoma

X—"exactamente lo que uno debiera esperar", dice Nathans, "dado que los

defectos en la visión para el color rojo y verde están asociados con el cromosoma

X".

Alrededor de 10 millones de hombres americanos, el 7 por ciento de toda la

población masculina, ya sea no puede distinguir el color rojo del verde o ven el

rojo y el verde de una forma diferente al resto de las personas. Esta es la forma

más común de las cegueras para los colores, pero sólo afecta al 0,4 por ciento de

las mujeres. El hecho de que la ceguera para los colores sea mucho más

frecuente entre los hombres, implica que el gen involucrado, al igual que en el

caso de la hemofilia, es llevado en el cromosoma X, del cual los hombres tienen

una sola copia. Como en la hemofilia, las mujeres están protegidas porque tienen

dos copias del cromosoma X; un gen normal en uno de los cromosomas

generalmente puede compensar a uno defectuoso presente en el otro cromosoma.

Wald y otros habían identificado que en hombres ciegos al color, los conos verdes

o rojos funcionaban inadecuadamente o no funcionaban para nada. Wald sugirió

que los genes de los receptores para los colores rojos y verdes, estaban alterados

en esos hombres. El también pensó que estos genes debían estar ubicados unos

cerca de otros en el cromosoma X. Este ordenamiento en tándem, que Nathans

confirmó, probablemente resulte de la duplicación de un segmento de ADN, en

primates, que ocurrió alrededor de 40 millones de años atrás.

Los primates de Sudamérica, que provinieron del continente africano por aquel

entonces, poseen sólo una única copia funcional de un gen rojo o verde, de

manera muy similar a los hombres ciegos para los colores. Pero en los primates

del viejo mundo, monos de África y ancestros de los humanos, un gen primordial

rojo y verde debe haberse duplicado y, entonces, divergido levemente en la

secuencia, produciendo la separación de los receptores en tipos rojos y verdes.

En concordancia con este concepto, Nathans encontró que la secuencia de ADN

de los genes para los receptores rojos y verdes, difería sólo en un 2 por ciento,

evidenciando un origen común y una divergencia reciente.

Nathans no es ciego para los colores. Antes de usar su ADN, controló

minuciosamente su visión para los colores para asegurarse que la misma era

normal. Sin embargo, uno de sus descubrimientos iniciales presentó un misterio:

entre el principio y el fin de su cromosoma X, no sólo había dos genes para los

receptores rojos y verdes sino que también había una copia extra del gen para el

receptor verde.

Y esta fue la explicación sobre la frecuencia de la ceguera para los colores que

realizó. Debido a que las secuencias de ADN de los genes de los receptores rojos

y verdes son muy parecidas y debido a que se alinean desde el principio al fin, es

fácil que ocurran errores durante el desarrollo de los óvulos y de los

espermatozoides, dado que el material genético es replicado e intercambiado

entre los cromosomas.

Un cromosoma X, como en el caso de Nathans, puede recibir el gen extra de un

receptor verde, por ejemplo, o tal vez hasta dos genes. Esto no es dañino. Pero,

entonces, el otro cromosoma con el que está intercambiando pedazos de

información genética es dejado con un solo gen del receptor rojo. El hombre que

herede este cromosoma ligeramente truncado, será ciego al color, al ser privado

de la información genética necesaria para hacer un receptor verde.

Más del 95 por ciento de todas las variaciones en la visión de los colores en

humanos, compromete a los receptores rojos y verdes en los ojos de los hombres.

Es muy raro para cualquiera, sea hombre o mujer, ser "ciego" al extremo azul del

espectro. Nathans aportó una explicación genética para este fenómeno. Mostró

que el gen que codifica para el receptor azul se ubica en el cromosoma 7, que se

comparte por igual entre hombres y mujeres, y que este gen no tiene ningún

vecino con una secuencia similar de ADN. La ceguera al color azul es causada por

una mutación simple en este gen.

Rodopsina, la proteína receptora en las células de tipo bastón, cruza la membrana

de los discos.

Generalmente, una copia normal (x azul) de un gen en el cromosoma X es

suficiente para el funcionamiento normal.

EL OJO HUMANO

El ojo humano es un órgano que reacciona con la luz visible y que transmite al

cerebro una sensación de visión. Describiremos brevemente algunos elementos

constitutivos del ojo.

Este órgano es esencialmente una bolsa casi esférica con paredes opacas y con

una abertura por donde entran los rayos de luz. Al frente se encuentra la córnea

(Figura 27), que es una cubierta transparente, lisa y casi esférica que está

formada de cinco capas.

La cámara anterior separa la córnea de un lente cristalino llamado cristalino que

es una sustancia transparente.

La luz incidente es refractada tanto por la córnea como por el cristalino, formando

una imagen en la capa más profunda del ojo, la retina.

La región que se encuentra entre el cristalino y la retina está llena de una

sustancia transparente, gelatinosa, que se llama el cuerpo vítreo.

Figura 27. Esquema del ojo humano.

 

El interior de la bolsa del ojo está siempre oscuro, excepto por los rayos que

entran. En cierta forma, el ojo es muy parecido a una cámara fotográfica. El

interior está cubierto de una capa negra cuyo propósito es evitar que la luz llegue

a la retina excepto por la abertura frontal, que es la pupila. El iris es, de hecho, un

diafragma que regula la cantidad de luz que llega a la retina. El color del iris es el

color de los ojos de una persona. Si llega mucha luz, el iris tiende a cerrarse de

manera que no entre tanta; inversamente, cuando hay poca luz se abre para que

entre la mayor cantidad posible.

El elemento sensible a la luz es la retina, que es un tejido muy delicado, de una

fracción de milímetro de grueso. Al recibir luz la retina reacciona y envía una señal

nerviosa al cerebro a través del nervio óptico.

FORMACIÓN DE IMÁGENES EN EL OJO

Cuando un haz de luz llega al ojo experimenta cambios de dirección en varias

superficies. Los rayos se refractan por la córnea y posteriormente al llegar al

cristalino ocurre una refracción adicional.

Es en la córnea donde ocurre la mayor refracción de los rayos incidentes. La

córnea es una superficie esférica de alrededor de 7.8 mm de radio que tiene en su

interior, una sustancia, que ópticamente posee casi las mismas propiedades que

el agua. Para un ojo normal la potencia de este órgano es de 43 dioptrías.

El cristalino del ojo funciona como una lente convergente o biconvexa, de

alrededor de 3.6 mm de espesor, que tiene una potencia de alrededor de 15

dioptrías.

Después de pasar por el cristalino, los rayos de luz cruzan el cuerpo vítreo que no

causa ninguna desviación adicional y, finalmente; llegan a la retina.

En un ojo que no tuviese el cristalino el único órgano que causaría refracción sería

la córnea. Para la córnea sola la distancia focal del lado exterior del ojo es, en

promedio, 2.3 cm, mientras que la distancia focal hacia el interior del ojo es de 3.1

cm. Esto significa que la imagen de un objeto que se encuentre a una distancia

muy grande del ojo estará a 3.1 cm de la córnea (Figura 28). Pero dado que en el

ojo humano la distancia entre la córnea y la retina es de 2.4 cm resulta que la

imagen que logra la córnea solamente se forma muy atrás de la retina (a 0.7 cm) y

lo que percibiría la retina en este caso sería una imagen borrada. El papel del

cristalino es darle una desviación adicional a los rayos para que lleguen

justamente a la retina.

Figura 28. El foco de la córnea está atrás de la retina. El cristalino da una

desviación adicional a los rayos para que se enfoquen sobre la retina.

Figura 29. La imagen que se forma sobre la retina está invertida y es de menor

tamaño que el objeto.

Lo que acabamos de presentar es el caso en que el objeto se encuentre a una

distancia muy grande del ojo. Sin embargo, también podemos ver objetos a

distancias relativamente cercanas. Cuando un objeto está cerca del ojo la imagen

ya no se formará a la distancia focal. En este caso, el ojo tiene un mecanismo de

ajuste por medio del cual la curvatura del cristalino cambia, y su potencia se

modifica de tal manera que la imagen se forme en la retina. A este efecto se le

llama acomodación del cristalino, lo que ocurre por medio de un proceso en el que

los ligamentos que sostienen al lente cambian su tensión modificando la curvatura

de sus superficies. Esto se logra gracias a las propiedades elásticas que tiene el

cristalino.

Hemos de mencionar que la córnea no puede realizar esta acomodación. El poder

de acomodación cambia con la edad del individuo. En general, en los jóvenes casi

no se altera; entre los 40 y los 50 años hay un cambio acelerado en la capacidad

de acomodación y después de los 55 años vuelve a cambiar lentamente.

Con respecto al tipo de imagen, en la figura 29 vemos que el conjunto de córnea y

cristalino da lugar, en condiciones reales, a una imagen invertida. Pero nosotros

no la vemos así. Lo que ocurre es que el cerebro al recibir la señal de la retina

reinvierte la imagen y la percibimos erecta.

El ojo humano no es un aparato óptico perfecto. En mucha gente ocurre que la

refracción conjunta tanto de la córnea como del cristalino no es la adecuada para

formar una imagen justamente sobre la retina. En algunos casos no hay suficiente

potencia para desviar los rayos y se forma una imagen muy atrás de la retina. A

este defecto se le llama hipermetropía. Otro fenómeno muy usual es cuando la

potencia del ojo es muy grande y desvía mucho los rayos formándose la imagen

antes de la retina. A este defecto se le llama miopía. Ambos casos se pueden

corregir por medio de lentes adicionales. En la hipermetropía, se usa una lente

convergente que le añada potencia a la del ojo y haga que los rayos se desvíen

más. En el caso de la miopía hay que disminuir la potencia del ojo. Esto se logra,

por ejemplo, con una lente llamada divergente.

Otro defecto del ojo es el astigmatismo. Este ocurre cuando la córnea no es

esférica ya que la curvatura vertical es distinta a la curvatura horizontal. Por tanto,

hay distintos grados de refracción de la luz, según llegue, ya sea horizontal o

verticalmente. Este defecto se puede Corregir por medio de lentes cilíndricos que

disminuyen la potencia ya en una dirección o en otra.

LA RETINA

La retina es el órgano que se estimula cuando le llega luz y donde se inicia la

sensación de la visión. La información que llevan los fotones de la luz externa e

llegan a la retina es transformada en señales nerviosas que el cerebro puede

analizar. Esta transformación ocurre en las células fotorreceptoras (células que

reciben la luz) del ojo. Estas células forman un mosaico en el fondo de la

superficie de la retina. Lo que hacen la córnea y el cristalino es formar una imagen

del mundo externo con la luz que llega al ojo, justamente en la capa de células

fotorreceptoras. Cada célula absorbe la luz de un punto de la imagen y a su vez

genera una señal eléctrica que lleva, en forma codificada, la información de cuánta

luz ha sido absorbida y de las características del color de la luz. Las señales que

produce cada célula se transmiten a través de un conjunto muy complejo de

sinapsis (uniones nerviosas). En estas uniones se juntan las señales que vienen

de diferentes células fotorreceptoras, se combinan y se comparan. Este proceso

permite al sistema visual obtener información acerca de las formas, movimientos y

colores de los objetos externos. Finalmente, se envían por medio del nervio óptico

hasta llegar al cerebro. Nos damos cuenta que las células fotorreceptoras juegan

un papel crucial en la sensación de la visión.

En el ojo humano, así como en el de muchos animales vertebrados, las células

fotorreceptoras son de dos tipos (Figura 3O): a) los bastones y b) los conos. Las

células reciben estos nombres debido a la forma que tienen.

Los bastones son las células que operan cuando el nivel de iluminación es muy

bajo, mientras que los conos son los que operan cuando hay luz de día ordinaria.

Gracias a los bastones es que podemos ver cuando el ambiente está oscuro, pero

solamente nos dan una visión en blanco y negro. En la oscuridad no podemos

distinguir los colores de los objetos. Los bastones son células extremadamente

sensibles que al recibir mucha luz se saturan y de hecho dejan de funcionar,

mientras que los conos solamente empiezan a funcionar a partir de cierto nivel de

iluminación. Es precisamente a través de los conos que se realiza la percepción

de detalles espaciales y de movimiento así como la sensación de los colores. Los

bastones y los conos están distribuidos de manera no uniforme en la retina. En la

retina humana hay alrededor de tres millones de conos y cien millones de

bastones.

Figura 30. Esquemas de células fotorreceptoras: bastón y cono.

Los bastones y los conos tienen formas diferentes pero también tienen ciertas

similitudes. La parte superior (Figura 30) de las células se llama el segmento

exterior que contiene las moléculas que absorben la luz. Al ser absorbida la luz,

las moléculas se modifican y envían una señal a través de la membrana de

plasma, que a su vez la transmite a través del segmento interior hasta la terminal

sináptica, desde donde se envía a otras células de la retina.

En el segmento exterior de cada bastón hay unos dos mil discos, ordenados uno

encima del otro, formando un cilindro. La membrana del disco contiene un

pigmento rojizo (Figura 31), formado de moléculas, llamadas rodopsina, que son

justamente las moléculas que absorben la luz e inician el proceso de visión.

Veamos con un poco de detalle lo que ocurre cuando un fotón de luz llega a la

rodopsina.

La rodopsina tiene dos componentes: el retinal 11-cis y la opsina. El retinal es una

molécula que cuando está sola absorbe principalmente radiación que tiene

longitud de onda de 3 700 A que resulta ser ultravioleta (véase la portada), es

decir, invisible al ojo humano. Sin embargo, al quedar metido el retinal dentro de la

opsina, experimenta fuerzas que modifican sus niveles de energía, cambiando la

longitud de onda de la radiación que absorbe. Dentro de la opsina el retinal

absorbe radiación a longitudes de onda de 5 000 A, que es el color verde, o sea

en el visible. Una vez que el retinal absorbe un fotón de luz, se excita y tiene

energía suficiente para poder realizar un giro que da lugar a que la molécula se

extienda. Así se forma el retinal trans. A este cambio de forma de una molécula se

le llama en química isomerización. Lo que ocurre es lo siguiente: el retinal tiene

una columna de átomos de carbón; en la forma 11-cis los átomos de hidrógeno

asociados con los átomos de carbón 11 y 12 de la columna están del mismo lado

que la cadena, lo que obliga a la cadena a doblarse. En el isómero retinal trans los

átomos de hidrógeno asociados a los carbones 11 y 12 están en lados opuestos

de la cadena de carbones, y la molécula queda extendida.

Figura 31. La luz hace accionar a la rodopsina que se encuentra dentro de la

membrana de los discos del bastón.

Cuando el retinal se extiende, reacciona con otra molécula llamada transducina,

que también se encuentra en la membrana de los discos donde está encerrada la

rodopsina. De esta manera, se inicia una serie de reacciones entre varias

moléculas que se encuentran en la misma membrana y que finalmente generan

una señal eléctrica que es enviada al cerebro.

Ahora bien, hemos de mencionar que ocurre una situación muy interesante.

Cuando una molécula de retinal está en la forma 11-cis hay una probabilidad de

que en forma espontánea se isomerice a la forma trans, es decir, que en ausencia

de factores externos sola cambie de forma. Sin embargo, esta probabilidad es

extremadamente pequeña; de hecho ocurre una vez cada mil años. Esto tiene

como consecuencia que cuando un fotón llega a la retina, la molécula de

rodopsina que lo absorbe reporta el hecho, mientras que los otros millones de

moléculas de rodopsina no reaccionan para nada. Esto significa que la rodopsina

responde con mucha eficiencia, ya que no hay ninguna perturbación de las otras

moléculas de rodopsina que no reciben luz. De hecho, el bastón es, por tanto,

capaz de registrar un solo fotón de luz con la consecuencia de que el ojo es

extraordinariamente sensible a la oscuridad.

Figura 2. Fotoestimulación de la rodopsina. (Darnell y cols. 1990)

Ocurre a veces que en forma espontánea la molécula de retinal se isomeriza, sin

que le llegue ningún fotón. Al isomerizarse, la molécula envía la misma señal que

si hubiera recibido el fotón. El resultado neto es que aun sin haber recibido luz el

bastón reacciona como si tal cosa hubiera pasado. Nuestro cerebro tiene entonces

la sensación de haber visto luz en completa oscuridad. Este fenómeno es

conocido desde hace mucho tiempo. Los psicofísicos, que han investigado estos

temas, le llaman a este efecto "luz oscura".

Tanto en los bastones como en los conos, la molécula que absorbe la luz es el

retinal. Sin embargo, una de las diferencias entre las mencionadas células es que

el retinal se encuentra dentro de proteínas distintas. El retinal, al estar dentro de

distintos tipos de medios, experimenta diferentes fuerzas que hacen que sus

niveles de enegía se modifiquen de maneras distintas, con la consecuencia de que

las longitudes de onda que preponderantemente absorben son distintas.

Recordemos que el retinal sólo absorbe radiación de longitud de onda de 3 700 A,

que corresponde al ultravioleta, invisible al ojo humano. Ahora bien, al estar

metido el retinal dentro de la proteína opsina, cambia la longitud de onda de la

radiación que puede absorber a 5 000 A, que ya cae dentro del visible y

corresponde al verde. En los conos el retinal está acoplado a tres tipos de

proteínas diferentes, que dan lugar a que haya tres tipos de conos: uno, en el cual

el retinal absorbe longitudes de onda de valor de 4 600 A, que corresponde al

azul; otro, en el cual la absorción es de longitud de onda de 5 400A que

corresponde al verde y, finalmente, otro tipo en, el cual absorbe radiación de 6 300

A, que corresponde al rojo.

Nos damos cuenta que es una misma molécula, el retinal, la que absorbe luz, pero

como se encuentra acoplada a cuatro proteínas distintas, se "sintoniza" a

diferentes regiones de longitudes de onda de la región visible.

Por otro lado, el comportamiento de un cono es completamente distinto al de un

bastón. En particular, al llegar al cono un solo fotón, la respuesta es

extraordinariamente pequeña. Se ha estimado que la intensidad de la señal que

produce un cono, como respuesta a la llegada de un fotón, es cien veces menor

que la de un bastón. Esto significa que para que un cono genere respuesta le tiene

que llegar luz de muchísima mayor intensidad que la necesaria para que un

bastón reaccione. A cambio de esto, la respuesta de un cono es alrededor de

cuatro veces más rápida que la de un bastón. Así, por ejemplo, a un bastón le

lleva 300 milisegundos desde que recibe un fotón hasta que termina de enviar la

señal. Este intervalo de tiempo es muy grande; una pelota de beisbol tarda casi

este tiempo desde que es enviada por el lanzador hasta que llega al bateador. Los

conos responden mucho más rápidamente, y son los elementos que codifican los

estímulos visuales que cambian con mucha velocidad, y permiten detectar

cambios rápidos tanto en la intensidad como en los movimientos.

De esta manera, vemos que en realidad en la retina existen dos sistemas de

recepción de señales. Un sistema formado por los bastones que es

extraordinariamente sensible a luz de muy baja intensidad y que se satura cuando

el nivel de iluminación es alto. En ese momento empieza a intervenir el otro

sistema, formado por los conos. Sin embargo, los bastones no tienen capacidad

de registrar movimientos o cambios muy rápidos; eso lo hacen los conos.

Figura 32. Sensibilidad del bastón humano según la longitud de onda. La máxima

sensibilidad ocurre para 5 000 A

Figura 33. Gráficas de las sensibilidades de los tres tipos de conos.

Si se entra de un lugar muy iluminado a otro muy oscuro, sabemos de nuestra

experiencia que en un principio estamos ciegos a lo que se encuentra en la

oscuridad. A medida que pasa el tiempo, decimos que nos vamos acostumbrando

a la oscuridad y empezamos a distinguir los objetos. Lo que ocurre es que al estar

en el lugar iluminado, el sistema que tenemos funcionando en la retina es el de los

conos. Al entrar al lugar oscuro, este sistema deja de ser sensible, y en tanto el

sistema de bastones empieza a funcionar nos quedamos ciegos ya que ninguno

de los sistemas de nuestra retina está respondiendo. Después de cierto tiempo,

los bastones comienzan a registrar los pocos fotones que nos llegan y

empezamos a distinguir las cosas.

Como se mencionó arriba, los bastones absorben, preponderantemente la luz de

longitud de onda de 5 000 A. Sin embargo, también absorben luces de otras

longitudes de onda, aunque no tan efectivamente. La probabilidad de absorber luz

de otra longitud de onda es menor. Mientras mayor sea la probabilidad de

absorber cierta luz de longitud de onda, mayor será la sensibilidad del bastón. Se

ha medido la sensibilidad de los bastones encontrándose los resultados mostrados

en la figura 32. La gráfica muestra un máximo alrededor de 5 000 A y notamos que

a longitudes de onda más grandes hay una disminución muy pronunciada de la

sensibilidad. Esto se debe a que estas longitudes de onda, cercanas al infrarrojo,

casi no son absorbidas por el bastón. Por otro lado, resulta que a longitudes de

onda menores que la del máximo, hacia el ultravioleta, el bastón sí absorbe la luz,

pero ésta casi no llega a la retina ya que es absorbida, en la córnea y en el

cristalino del ojo.

Como ya se vio, se ha encontrado que existen tres tipos de conos que tienen un

máximo de sensibilidad a distintas longitudes de onda. Un tipo de conos tiene su

máximo en 4 600 A, que corresponde a luz azul; otro tipo de conos lo tiene en 5

400 A, que corresponde a la verde, y finalmente, un tercer tipo que tiene su

máximo a una longitud de onda de 6 300 A, que corresponde al color rojo. A estos

conos se les llama conos azules, verdes y rojos, respectivamente.

La existencia de tres tipos de conos, cada uno de ellos con máxima sensibilidad

para un color, da lugar a lo que se llama, y se conoce desde hace mucho tiempo,

la teoría tricromática de la visión humana.

CICLO VISUAL Y VITAMINA A

En la segunda década de este siglo se descubrió una sustancia necesaria para el

crecimiento, que inicialmente se denominó sustancia liposoluble A y más tarde

vitamina A. La concentración en la retina de la vitamina A y de sus derivados

(conocidos como carotenoides) es la más alta de los tejidos humanos, con

excepción del hígado. El epitelio pigmentado de la retina es crucial para la captura,

almacenamiento y movilización de la vitamina A que participa en el ciclo visual.

En experimentos realizados en la década de los 30´s, George Wald determinó que

la vitamina A se podía extraer de las retinas amarillas (expuestas a la luz) pero no

de las rojas. Además, él y otros investigadores encontraron que el compuesto 11-

cis-retinaldehído podía extraerse de las retinas rojas mientras que el todo-trans-

retinaldehído se podía obtener de retinas amarillas. De esta manera se estableció

que la fotoisomerización del 11-cis-retinaldehído es el resultado de la absorción de

la luz por el pigmento visual. La fotólisis (Fig. 5) y la subsecuente regeneración del

pigmento visual es lo que se conoce como ciclo visual.

CONCEPTO GENERAL DE RODOPSINA

La rodopsina es el pigmento visual que se encuentra nivel de los segmentos

externos de los bastones. Esta formada por una molécula proteica, la opsina, que

se fabrica en el aparato de Golgi (situado en los segmentos internos) y el retinal.

La opsina se dirige hacia la zona del cilio de unión gracias a la acción de proteínas

G y desde aquí pasa ya hacia el segmento externo (Papermaster et al., 1985;

Derectic and Papermaster, 1995).

La otra parte del pigmento visual, el retina (derivado de la vitamina A) en

proporcionado a los discos desde el epitelio pigmentaria a través de proteínas

transportadoras ( proteínas IRPB) que se encuentran a nivel de la matriz que

existe entre los distintos fotoreceptores.

Cada molécula de rodopsina consiste en siete porciones transmembranosas que

rodean al 11-cis retinal. Este 11-cis retinal o cromóforo se une mediante un

residuo de lisina a la séptima hélice (Hargrave et al., 1984; Hargrave and

McDowell, 1992). Cada disco de los segmentos externos contienen miles de estas

moléculas. Cuando un foto de luz llega a esta nivel el cromoforo se isomeriza y

pasa de la forma 11-cis a la forma todo trans, lo cual da lugar a cambios

conformacionales de la proteína, que producen lo que se denomina como

blanqueamiento de la rodopsina. Durante este proceso se forman varios

metabolitos intermediarios como la Metarodopsina II que activa a una proteína G

especial, conocida como Transducina que al final va a desencadenar la cascada

de la fototransducción que se presenta en la Fig. 10.

LA OPSINA

La opsina tiene una secuencia de 348 aminoácidos, con 7 segmentos

transmembranales, estructura característica de los receptores acoplados a

proteínas G. El retinal se encuentra unido covalentemente al 7º segmento

transmembranal, en tanto que el sitio de interacción con la transducina, un tipo

particular de proteína G, se encuentra en el tercer asa citoplasmática.

MÉTODOS DE PURIFICACIÓN DE PROTEÍNAS

Se aprovechan las propiedades de las proteínas en solución para separar mezclas

de éstas basándose en su: Tamaño (peso) molecular; Solubilidad; Carga eléctrica;

Afinidad biológica por otras moléculas.

PROCEDIMIENTOS DE SEPARACIÓN BASADOS EN EL TAMAÑO

MOLECULAR.

A. DIÁLISIS Y ULTRAFILTRACIÓN.

Las proteínas globulares en disolución pueden separarse fácilmente de los solutos

de bajo peso molecular por diálisis, en la cual se utiliza una membrana

semipermeable para retener moléculas de proteína, permitiendo que las moléculas

pequeñas de soluto y de agua las atraviesen. En la ultrafiltración se utiliza la

presión de la fuerza centrífuga para hacer pasar por una membrana

semipermeable agua y moléculas pequeñas, reteniendo a las proteínas.

CENTRIFUGACIÓN EN GRADIENTE DE DENSIDAD.

Se usa una solución de sacarosa cuya concentración varía de 20 al 60%, se

puede separar una mezcla de proteínas, que al centrifugar, se separaran en

bandas, según su tamaño, forma y densidad.

B. CROMATOGRAFÍA DE EXCLUSIÓN MOLECULAR.

También se le conoce como filtración en gel. Se utiliza una columna empaquetada

con esferas porosas de un polímero inerte (Sephadex ™, Bio-Gel ™) Las

moléculas de proteína muy grandes no pueden penetrar en los poros de las

partículas y por lo tanto son las primeras en salir (excluídas), mientras que las

proteínas más pequeñas penetran y salen de los poros retardando su salida de la

columna y así se separan.

PROCEDIMIENTOS DE SEPARACIÓN BASADOS EN DIFERENCIAS DE

SOLUBILIDAD.

Las proteínas en solución muestran cambios de solubilidad en función del pH, la

fuerza iónica, propiedades diélectricas del solvente y la temperatura.

A. PRECIPITACIÓN ISOELÉCTRICA.

Las proteínas muestran un mínimo de solubilidad a su pH isoeléctrico, que es el

valor de pH en el cual la proteína no posee carga eléctrica. En estas condiciones,

no existe repulsión electrostática entre moléculas de proteínas vecinas y tienden a

coalescer y precipitar. Cada proteína tiene un pI y estos van desde 1.5 hasta 11.0.

B. SOLUBILIZACIÓN Y PRECIPITACIÓN DE PROTEÍNAS POR SALADO.

Las sales neutras afectan la solubilidad de las proteínas globulares: a bajas

concentraciones, las sales incrementan la solubilidad de las proteínas ya que se

induce la ionización de los grupos R disociables de la proteína. Por otra parte,

conforme aumenta la fuerza iónica, se puede precipitar una proteína ya que la

concentración elevada de sales puede eliminar el agua de hidratación de las

moléculas de proteína. El sulfato de amonio es usado frecuentemente para este

propósito.

C. FRACCIONAMIENTO CON DISOLVENTES.

La adición de solventes orgánicos miscibles con el agua, como lo son el etanol y la

acetona disminuye la solubilidad de la mayor parte de las proteínas globulares, de

tal forma que precipitan. El efecto del solvente es incrementar la fuerza de

atracción entre cargas opuestas, disminuyendo el grado de ionización de los

grupos R de la proteína. Así, las moléculas de proteína tienden a agregarse y

precipitan.

D. EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA SOLUBILIDAD.

Entre los 0 y los 40 °C, la solubilidad de la mayoría de las proteínas aumenta

conforme aumenta la temperatura. A partir de los 50 °C, comienza la

desnaturalización en muchas proteínas, que se agregan y precipitan.

3. PROCEDIMIENTOS DE SEPARACION BASADOS EN LA CARGA

ELECTRICA.

A. CROMATOGRAFÍA DE INTERCAMBIO IÓNICO.

Se utilizan columnas empacadas con derivados sintéticos de la celulosa. Por

ejemplo: dietilaminoetil celulosa (DEAE) contiene grupos cargados positivamente a

pH 7.0 y es por lo tanto un intercambiador aniónico, ya que proteínas con carga

neta negativa van a interaccionar con esta columna. Por otro lado, la carboximetil-

celulosa tiene carga negativa a pH neutro y es un intercambiador catiónico que

retiene a proteínas con carga neta positiva. La elución sucesiva de las proteínas

se logra haciendo pasar soluciones amortiguadoras con pH decreciente o

aumentando la fuerza iónica.

B. MÉTODOS ELECTROFORÉTICOS.

La mezcla de proteínas que se va a analizar se somete a un campo eléctrico en un

gel soporte poroso que generalmente es la poliacrilamida. La migración va a

depender de la carga eléctrica de la proteína. Una variación de este método es el

electroisoenfoque en que se separan las proteínas en un gel donde se ha

establecido un gradiente de pH y al aplicar el campo eléctrico, las proteínas van a

migrar hasta la zona del gel donde el pH sea igual a su punto isoeléctrico y en ese

punto se detendrá.

4. SEPARACION BASADA EN LA ESPECIFICIDAD DE LIGANDOS.

A. CROMATOGRAFÍA DE AFINIDAD.

Esta técnica se basa en la capacidad biológica las proteínas de unirse no

covalentemente a otra molécula llamada ligando. La naturaleza química de los

ligandos es muy diversa ya que pueden ser metales, moléculas orgánicas de bajo

peso molecular u otras proteínas.

La asignatura Enzimología consta de tres partes. La primera, dedicada al

aislamiento y purificación de Proteínas, permite al estudiante conocer las técnicas

fundamentales que se emplean para purificar proteínas así como la manera más

racional de combinarlas para lograr una determinada calidad del producto final. La

segunda parte aborda en detalles el modo de acción de un tipo particular de

proteína, las enzimas, así como los factores que afectan la catálisis enzimática. En

la tercera parte se resumen los aspectos más importantes de la regulación y el

control de la actividad catalítica.

La asignatura se evaluará mediante clases prácticas, seminarios, tareas y otras

actividades extraclase, además consta de una prueba intrasemestral y un examen

final. La prueba intrasemestral evaluará el tema de aislamiento y purificación de

proteínas, mientras que el examen final evaluará la parte dedicada a la cinética

enzimática y los mecanismos de control. La prueba intrasemestral podrá realizarse

de forma escrita u oral dependiendo del tiempo disponible para su ejecución, el

examen final será escrito.

BIBLIOGRAFÍA

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Nutrition Foundation. Champam and Hall. London 1994.

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