LA CÉLULA COMO UNIDAD FUNCIONAL TEMA 7 DEL LIBRO – PÁG. 153

INSTRUMENTOS DE OBSERVACIÓN EN BIOLOGÍA

• El pequeño tamaño de muchos de los materiales biológicos hace necesario utilizar, frecuentemente, instrumentos de observación. • Entre ellos los más frecuentes son: – Lupa binocular – Microscopio óptico – Microscopio electrónico

• A continuación señalaremos las características más importantes de estos tres instrumentos

LUPA BINOCULAR • Proporciona una buena observación de conjunto, pues tiene un campo de visión muy amplio. • Posee dos sistemas ópticos, lo que permite obtener una visión estereoscópica (sensación de relieve). • Sin embargo, sólo permite obtener imágenes moderadamente aumentadas (p.ej. 20 aumentos (20x))

MICROSCOPIO ÓPTICO • Instrumento capaz de proporcionar imágenes muy ampliadas de objetos muy pequeños • La parte óptica del microscopio, la que nos proporciona la imagen, está constituida por dos lentes: el objetivo y el ocular. • El objetivo contiene varias lentes que proporcionan diferentes aumentos de la imagen, que se proporciona invertida • El ocular es la lente a través de la cual se visualiza la muestra

MICROSCOPIO ÓPTICO

MICROSCOPIO ÓPTICO • Un aspecto clave a considerar en el microscopio es el aumento; grado de amplificación de la imagen. • Para obtener el aumento total con que se observa la preparación, se multiplica el aumento del objetivo por el del ocular. • A modo de ejemplo: OBJETIVO

OCULAR

AUMENTO TOTAL

10x

15x

150

MICROSCOPIO ELECTRÓNICO • A diferencia del microscopio óptico, en lugar de un haz de luz utilizan como fuente de radiación un haz de electrones • Los tipos de microscopio electrónico más empleados son: – Microscopio electrónico de transmisión (MET) – Microscopio electrónico de barrido (MEB)

Microscopio electrónico de transmisión (MET) • Se utiliza para observar secciones muy finas de muestras (espesor máximo de 0,5 µm, 500 nm) • Por este motivo, no pueden observarse células completas sino cortes de células • La imagen se obtiene de los electrones que atraviesan la muestra (objetos aparecen más oscuros si absorben electrones) • Aumento puede llegar a ser de 500.000

Microscopio electrónico de transmisión (MET)

Microscopio electrónico de barrido (MEB) • Permite observar con claridad y detalle la superficie de muestras sin seccionar, a diferencia del MET • En este caso, el haz de electrones no atraviesa la superficie de la muestra a observar, sino que la barre • En este barrido, la muestra se excita y emite haces de electrones secundarios que se recogen en una pantalla monocromática de un monitor • Sin embargo, alcanza un aumento menor (hasta 20.000) que el logrado con el MET, pero permite ver células enteras y las imágenes se reproducen de forma tridimensional

Microscopio electrónico de barrido (MEB)

Microscopio electrónico de barrido (MEB)

Microscopio electrónico de barrido (MEB)

RESUMEN COMPARATIVO DE LOS TIPOS DE MICROSCOPIO

Características

M. ÓPTICO

M. ELECTRÓNICO DE TRANSMISIÓN (MET)

M. ELECTRÓNICO DE BARRIDO (MEB)

Portátil

SÍ

NO

NO

Aumento máximo

X 2.500

X 500.000

X 20.000

Tamaño mínimo observable

120 nm

1 nm

10 nm

Fotografía

B/N y color

B/N

B/N

Observación in vivo

Sí

No

No

FORMAS DE ORGANIZACIÓN BIOLÓGICA

ORGANIZACIÓN ACELULAR

FORMAS DE ORGANIZACIÓN

ORGANIZACIÓN CELULAR

ORGANIZACIÓN CELULAR

Célula eucariota

ORGANIZACIÓN CELULAR

Célula procariota

• Diferencias entre célula procariota y eucariota CARACTERÍSTICAS

C. PROCARIOTA

C. EUCARIOTA

Organismos

Bacterias y cianobacterias

Tamaño celular

1-10 µm de dimensión lineal

Protoctistas, hongos, plantas y animales 10-100 µm de dimensión lineal

Metabolismo

Anaeróbico o aeróbico

Aeróbico

ADN

Circular en el citoplasma Sintetizadas en el mismo compartimento

Citoplasma

Sin citoesqueleto

División celular

Por fisión binaria

Organizado en cromosomas rodeado de envoltura nuclear ARN sintetizado y transformado en el núcleo, Proteínas sintetizadas en el citoplasma Citoesqueleto formado por filamentos proteicos Por mitosis o meiosis

Organización celular Membrana celular

Unicelulares

Pluricelulares

Pared de mureína (dependiendo del grosor diferenciamos distintas bacterias: gram + mas gruesas y las gram- ) Ribosomas ( 70 S )

C. vegetal ( pared de celulosa ) C. animal ( sin pared )

ARN y Proteínas

Orgánulos

Mitocondria,centrosoma, ribosoma( 80 S ) , ap de Golgi, RE, ….

MEMBRANAS CELULARES - VER APUNTES

Bomba Na-K

CÉLULA EUCARIOTA

• Características generales - Poseen membrana plasmática y en su citoplasma compartimentos rodeados por membranas (orgánulos citoplasmáticos) - Material genético contenido en un compartimento especial denominado núcleo, delimitado por la envoltura nuclear - Dentro del citoplasma se localizan estructuras celulares no membranosas y estructuras membranosas (orgánulos) - Tanto la célula animal como vegetal presentan organización eucariótica.

• Diferencias célula eucariota animal y vegetal

C. ANIMAL

C. VEGETAL

Presencia de centriolos

Ausencia de centriolos

Ausencia de pared celular

Presencia de pared celular

Pocas o ninguna vacuola, de tamaño

Gran vacuola central

reducido Ausencia de cloroplastos

Presencia de cloroplastos

Célula eucariota animal

Célula eucariota vegetal

• Estructura de célula eucariota – Membrana plasmática (YA VISTO) – Citoplasma – Núcleo

• CITOPLASMA A) CITOSOL ( hialoplasma ) B) CITOESQUELETO C) ORGÁNULOS A) CITOSOL ( hialoplasma ) Es la zona que no presenta estructuras y esta formado en un 80% por agua y biomoléculas orgánicas e inorgánicas

B) CITOESQUELETO • Microfilamentos o filamentos de actina Se encuentran en la totalidad de las células( sobre todo en las musculares) y están constituidos por proteínas filamentosas (finísimos hilos elásticos de actina). Tamaño 3-7 nm • Filamentos intermedios Formados por proteínas fibrosas que se trenzan en grupos de tres, tamaño de 10 nm. Importantes en las células que forman la piel o los pelos. Cada célula tiene un tipo de filamento, son útiles para tipificar células • Microtúbulos. Están formados por tubulina (proteína) son subunidades que pueden juntarse y separarse rápidamente para producir alteraciones en la forma de la célula y en la posición de los orgánulos. Tamaño 24 nm La estructura del microtúbulo son 13 filamentos dispuestos en círculo formando un tubo hueco. FUNCIONES: soporte mecánico, transporte intracelular, forma de la célula, movimientos citoplasmáticos, intervienen en la distribución de los filamentos intermedios Estos microtúbulos crecen a partir del centrosoma de la célula.

C) ORGÁNULOS

C) ORGÁNULOS • Ribosomas

C) ORGÁNULOS • Retículo endoplasmático rugoso (REr) y liso (REl)

Retículo endoplasmático rugoso

Retículo endoplasmático rugoso

C) ORGÁNULOS • Aparato de Golgi

TRANSPORTE INTRACELULAR

C) ORGÁNULOS • Centrosoma

C) ORGÁNULOS • Lisosomas

C) ORGÁNULOS • Peroxisomas Orgánulos con que contienen gran variedad de enzimas oxidativos, como las oxidasas (en su degradación producen H2O2, muy toxico) y catalasas (eliminan el H2O2). Son capaces de eliminar gran cantidad de sustancias tóxicas, sobretodo en hígado y riñón

C) ORGÁNULOS • Vacuolas Orgánulos celulares a modo de cisternas membranosas, más característicos de cel. Vegetales pero también se encuentran en cel. animales. Su función es el mantenimiento de la turgencia celular, almacenamiento de sustancias de reserva (almidón, grasas, proteínas) y también digestión intracelular (en cel. vegetales)

C) ORGÁNULOS • Vacuolas

C) ORGÁNULOS • Mitocondrias (VER APUNTES DE CLASE)

C) ORGÁNULOS • Mitocondrias (VER APUNTES DE CLASE)

C) ORGÁNULOS • Cloroplastos (VER APUNTES DE CLASE)

C) ORGÁNULOS • Cloroplastos (VER APUNTES DE CLASE)

C) ORGÁNULOS • Cloroplastos (VER APUNTES DE CLASE)

• NÚCLEO Alberga el material genético. Envoltura nuclear Está rodeado por una membrana nuclear formada por dos membranas, una interna y otra externa En estas membranas hay dos puntos donde se encuentran unidas dejando pequeños orificios que son los poros nucleares.

• NÚCLEO Nucleoplasma En el interior del núcleo está la matriz nuclear o el nucleoplasma de composición similar al hialoplasma Nucléolo Al microscopio electrónico se observa como una estructura mas densa. El número de nucléolos dentro del núcleo es de uno o de dos, la composición es de ARN y proteínas. Sintetiza las subunidades ribosómicas (ARN y proteína) que se ensamblaran posteriormente en el citoplasma. El ARN se sintetiza a partir de ADN que se encuentra en el nucléolo (organizador nucleolar)

Cromosomas • Se forman a partir de la cromatina, son cadenas de ADN apareadas y enrolladas en una doble hélice, cada cadena está formada por la repetición de un grupo fosfato una base nitrogenada y una pentosa. • Las bases nitrogenadas son adenina unida con timina por dos puentes de H y guanina unida con citosina por tres puentes de H. • Cuando la célula se va a dividir estos filamentos se van a agrupar más ocupando menos espacio (se condensan gracias a proteínas histónicas) y van a dar lugar a los cromosomas. • Cada uno de los brazos del cromosoma duplicado se llama cromátida.

EL CICLO CELULAR EN CÉLULAS EUCARIOTAS - REPASO

• Ciclo celular; conjunto de cambios que sufre una célula desde que se forma, por división de otra preexistente, hasta que se divide para dar origen a dos células hijas • En células eucarióticas el ciclo celular se divide en dos etapas: – Interfase – Fase M. Tiene lugar la mitosis y la citocinesis (división del citoplasma)

INTERFASE

Interfase • Es el periodo de tiempo que transcurre entre dos mitosis sucesivas • Ocupa la mayor parte del ciclo celular • Durante la interfase, la célula aumenta su tamaño, duplica su material genético y se produce una gran actividad metabólica • Dentro de la interfase se distinguen tres periodos o fases: – Fase G1 – Fase S – Fase G2

Interfase. Fase G1 • En esta fase se sintetizan proteínas necesarias para que la célula aumente de tamaño • Duración variable, depende del tipo celular • Durante G1 la célula puede abandonar el ciclo celular y pasar a estado quiescente (fase G0). Se dice entonces que la célula está en estado de reposo o quiescencia • En células diferenciadas, como neuronas, es habitual detener el ciclo celular

Interfase. Fase S (de síntesis) • En esta fase se produce la replicación (duplicación) del ADN y se sintetizan las histonas • Además, en la fase S se inicia la duplicación de los centrosomas (en células animales)

Interfase. Fase G2 • En esta fase se trascriben y traducen genes que codifican proteínas necesarias para que la célula se divida en la fase M (por ejemplo tubulina) • Culmina la duplicación de centriolos que se van separando para el inicio de a mitosis • Esta fase finaliza en el momento que se inicia la condensación de los cromosomas para comenzar la mitosis

FASE M

MITOSIS

Mitosis • Es el proceso de reproducción o división celular • Tiene lugar en todas las células somáticas (en c. sexuales se denomina meiosis) • Resultado; 2 células hijas con misma información genética (idéntica) que 1 célula madre (2n)

2n

2n 2n

1. Profase – – – –

Envoltura nuclear se dispersa y desaparece Desaparece nucléolo Cromosomas siguen condensándose y ya se hacen visibles Cada pareja de centriolos, ya duplicados en la interfase, se va a un polo de la célula – Aparecen fibras de proteínas de los dos polos celulares. Se produce la formación del huso mitótico (o acromático) – Unión de cromosomas al huso mitótico

1. Profase

1. Profase Cuando ya ha desaparecido la membrana nuclear, los centriolos migran hacia los polos (extremos) de la célula (4), apareciendo entre los dos pares de centriolos una serie de fibras de proteína dispuestas de polo a polo que reciben el nombre en conjunto de HUSO ACROMÁTICO (5). Los cromosomas ya formados se mueven y se unen a una fibra del huso por su centrómero (un sólo cromosoma por fibra) (6), de manera que las cromátidas miran hacia los polos de la célula.

2. Metafase – Cromosomas se sitúan en el centro de la célula (plano ecuatorial) – Fibras del huso acromático se unen al centrómero de cada cromosoma – Cada cromátida del cromosoma queda orientada a un polo

3. Anafase – Fibrillas del huso acromático se rompen por el plano ecuatorial – Cada fibrilla “arrastra” a una cromátida hermana a un polo. De esta forma se separan las cromátidas hermanas de cada cromosoma

4. Telofase – En cada polo se forma la envuelta nuclear – Los cromosomas comienzan se descondensan (dejan de ser visibles) y se convierten en cromatina – Aparece el nucléolo – Desaparece huso acromático

4. Telofase

CITOCINESIS

• Tras telofase: célula con dos núcleos hijos con las misma información genética • Aún es necesario que el citoplasma se divida entre las dos células hijas y que los orgánulos citoplasmáticos se repartan de la manera más equitativa posible • Este proceso tiene lugar al final de la telofase se denomina citocinesis y ocurre de modo diferente en las células animales y vegetales

Citocinesis. Célula animal • A la altura de la placa ecuatorial aparece un anillo contráctil formado por filamentos de actina y miosina • Este anillo se va estrechando hasta que produce el estrangulamiento total y la separación de las dos células hijas

Citocinesis. Célula vegetal • A al altura de la palca ecuatorial se forma un tabique de separación entre las dos células hijas denominado fragmoplasto. Se forma por fusión de vesículas del aparato de Golgi y los restos de los microtúbulos que forman el huso acromático • El fragmoplasto se halla perforado por plasmodesmos que aseguran la comunicación entre las dos células hijas

MEIOSIS

Meiosis • Proceso de división celular que da lugar a células sexuales (gametos), con la mitad de la información genética (n) que la célula madre (2n) • 2 etapas; mitosis reduccional + mitosis normal n n n MEIOSIS II

2n n n MEIOSIS I

n

Meiosis. Fases I. Meiosis I (Mitosis reduccional / Primera mitosis) Profase I • Cromosomas asociados en parejas de homólogos • Se produce intercambio de material genético entre cromosomas homólogos (recombinación). Así aumenta la variabilidad genética

Las diferencias con la profase normal se dan en el comportamiento de los cromosomas, ya que éstos antes de unirse a las fibras del huso se van moviendo y se agrupan por parejas de manera que los cromosomas que son iguales (CROMOSOMAS HOMÓLOGOS) quedan formando pares unidos cromátida contra cromátida Esta unión va a permitir que se lleve a cabo el proceso más importante de la reproducción sexual ya que es el que permite que las generaciones filiales sean diferentes a las parentales, es la RECOMBINACIÓN GENÉTICA, que consiste en que las cromátidas de los cromosomas homólogos que quedan juntas se intercambian trozos de sus cadenas de ADN, apareciendo cromátidas nuevas que antes no existían, las cromátidas recombinadas, que darán lugar a la aparición de individuos adultos nuevos que tampoco existían anteriormente.

• Animación recombinación genética

Meiosis. Fases I.

Meiosis I

Metafase I • Fibrillas de uso acromático se unen a pareja de cromosomas, no a cromosomas individuales

Meiosis. Fases I. Meiosis I Anafase I • A cada polo celular se dirige 1 cromosoma completo

Meiosis. Fases I.

Meiosis I

Telofase I • Similar a telofase de mitosis normal

Meiosis. Fases II. Meiosis II • El proceso es similar a una mitosis normal, con las mismas características de cualquier mitosis • Los cromosomas de dividen en sus cromátidas • Cada célula hija recibe 1 cromátida

Meiosis. A modo de resumen, la meiosis da lugar a 4 células hijas con la mitad de cromosomas (n) que la célula madre inicial (2n)

n n n

2n n n n

CÉLULA PROCARIOTA

Características generales • Siempre dan lugar a seres unicelulares (“procariotas”), aunque pueden formar colonias o agrupaciones • Material genético no limitado por membrana nuclear • Distintas formas – – – – –

Esférica (cocos) Cilíndrica (bacilos) En espiral (espirilos) Forma de “coma”, curvadas y con un flagelo (vibrios) Etc.

• Tamaño: 0,1 -50 m ancho, 1 – 500 m largo

Estructura y composición de célula procariota

Estructura y composición de célula procariota Vaina o cápsula bacteriana • No aparece en todas las bacterias • Formada por polímeros glucídicos (polisacáridos) que no llegan a formar una estructura definida. • Funciones – Adherente a distintas superficies – Defensiva (impide la acción fagocítica de otras células dificultando el reconocimiento de la bacteria) – Reservorio de agua – Facilita movilidad (estas bacterias no presentan flagelos)

Estructura y composición de célula procariota Pared celular bacteriana • Pared celular de peptidoglicano (polisacáridos y péptidos unidos). Ej; mureína • Funciones – Da forma a la célula y consistencia – Aísla del exterior – Protección, p.ej. frente entrada masiva de agua

• Se puede identificar por tinción. 2 tipos: – Gram + – Gram -

Estructura y composición de célula procariota Pared celular • Bacterias Gram + (“gram positivas”) – Pared celular gruesa, formadas por gran cantidad de capas de peptidoglicano, que envuelve a la membrana lipídica – Tinción azul oscuro - violeta por la tinción de Gram

Estructura y composición de célula procariota Pared celular • Bacterias Gram – (“gram negativas”) – NO se tiñen de azul oscuro o violeta por la tinción de Gram, y lo hacen de un color rosado tenue – Presentan una capa de peptidoglicano más delgada – De forma externa a la capa de peptidoglicano, se encuentra una capa de lipopolisacáridos (confiere toxicidad generalmente) – Presentan por lo tanto dos membranas lipídicas, y entre medias la pared celular

Estructura y composición de célula procariota Membrana plasmática • Formada por una bicapa de fosfolípidos atravesada por gran cantidad de proteínas (80%). No contiene colesterol. • Presenta grandes repliegues, denominados mesosomas; sirven de anclaje para el ADN bacteriano, intervienen en la división celular (bipartición), o son el lugar donde se realiza parte de la respiración celular en las bacterias aerobias. • También se encuentran las moléculas necesarias para realizar la fotosíntesis en bacterias fotosintéticas. • Funciones – – – –

Transporte Síntesis de la propia membrana Obtención de energía Control de material celular durante reproducción

Estructura y composición de célula procariota Citoplasma • Contiene inclusiones cristalinas, sustancias de reserva, gotas lipídicas, enzimas y otras proteínas. • Se encuentran ribosomas 70 S y una región densa, no separada del resto del citoplasma por ninguna membrana, donde se encuentra el ADN bacteriano, bicatenario y circular • Algunas bacterias presentan ADN extracromosómico, denominado plásmido. Los plásmidos están relacionados con la resistencia a antibióticos u otras sustancias tóxicas para la célula. También son necesarios para unir la bacteria a una superficie, ya sea a una macromolécula alimenticia, a un líquido, o a otra célula para realizar un tipo concreto de reproducción, denominada conjugación.

Estructura y composición de célula procariota Citoplasma Otros elementos presentes en el citoplasma bacteriano: • Carboxisomas; estructuras poliédricas con enzimas para captar CO2 atmosférico y emplearlo en fotosíntesis

Estructura y composición de célula procariota Endosporas • Estructura interior muy resistente con contenido cromosómico. • Permite la reproducción en condiciones muy adversas

Estructura y composición de célula procariota Flagelo • Filamento externo (formado por proteínas de tipo flagelina) • Gancho (curvatura) • Cuerpo basal (anclaje a membrana plasmática)

REPRODUCCIÓN EN PROCARIOTAS

• Formas de reproducción bacteriana: – Bipartición (fisión binaria) – Transformación Reproducción – Transducción parasexual – Conjugación

Bipartición • Es el mecanismo de reproducción habitual en bacterias. • Mediante este mecanismo se obtienen dos células hijas, con idéntica información en el ADN circular, entre sí y respecto a la célula madre, y de contenido citoplásmico celular similar. • La bipartición se produce cuando la célula ha aumentado su tamaño y ha duplicado su ADN. El ADN bacteriano se une a un mesosoma, que separa el citoplasma en dos y reparte cada copia del ADN duplicado a cada lado. Al final del proceso el mesosoma se ha unido al resto de la membrana plasmática y se han formado dos células hijas genéticamente iguales

Bipartición

Bipartición

Bipartición

En ocasiones, la célula bacteriana tiene la oportunidad de intercambiar información genética por procesos de recombinación; transformación, transducción y conjugación • Transformación Fragmentos de ADN que pertenecían a células lisadas (rotas) se introducen en células normales. El ADN fragmentado recombina con el ADN de la célula receptora, provocando cambios en la información genética de ésta.

Video - Transducción Video 2 - Transducción • Transducción Cuando una célula es atacada por un virus bacteriófago, la bacteria genera nuevas copias del ADN vírico. En la fase de ensamblaje se pueden introducir fragmentos de ADN bacteriano en la cápsida del virus. Los nuevos virus ensamblados infectarán nuevas células. Mediante este mecanismo, una célula podrá recibir ADN de otra bacteria e incorporar nueva información.

• Conjugación Se lleva a cabo si la célula presenta el plásmido F, que contiene la información genética para formar pili, puentes que sirven de unión citoplásmica entre dos bacterias. Se produce la transferencia de plásmido (de una hebra). La célula que presenta el plásmido se denomina F+; la célula que no lo contiene se llama F-. La bacteria F+(donadora de información) se une a una bacteria F- (receptora) mediante uno de sus pili. A través de él introduce una hebra del plásmido F, de forma que la bacteria F- se convierte en bacteria F+. En ocasiones el plásmido se introduce en el anillo del ADN bacteriano. Video - Conjugación

• Conjugación

• Conjugación

FORMAS ACELULARES

Priones

ORGANIZACIÓN ACELULAR

Viroides

Virus

Organización acelular - Estructuras de nivel macromolecular, sin organización celular - Carecen de metabolismo propio - No realizan todas las funciones vitales (por este motivo, en sentido estricto, no se consideran seres vivos) - Parásitos de organismos celulares (carácter infeccioso) - Formas acelulares: - Priones - Viroides - Virus

Organización acelular PRIONES Son variantes patogénicas de ciertas proteínas naturales que son producidas por cél. nerviosas y algún otro tipo de célula Un prion es una proteína patógena que tiene alterada su estructura terciaria, teniendo un plegamiento incorrecto. Está compuesto sólo por aminoácidos, al contrario que otros agentes infecciosos ( bacterias, virus, hongos… ) que contienen ac. nucleicos. De carácter infeccioso, asociadas a enfermedades degenerativas del Sistema Nervioso Central (Ej; encefalopatía espongiforme – “Mal de las vacas locas”)

Organización acelular VIROIDES • Moléculas de ARN monocatenario (de una sola cadena) circular y constituyen los patógenos más pequeños conocidos. • La molécula de ARN no contiene genes que codifiquen proteínas. Aparecen en el núcleo de la célula hospedadora interfiriendo en su regulación • En vegetales provoca enfermedades relacionadas con el crecimiento (como el tubérculo filiforme de la patata o el atrofiamiento de la planta del tomate )

Organización acelular VIRUS • Estructura biológica acelular • Presenta material genético propio, pero precisa de una célula para reproducirse (parásito intracelular obligado) • Componentes – Molécula de ácido nucleico, que puede ser ADN o ARN, circular o lineal, monocatenario o de doble cadena – Alrededor del ácido nucleico, cápsida proteica con distintas formas – En algunos virus, de forma externa a la cápsida, se presenta envoltura membranosa de lípidos y glucoproteínas

VIRUS CON ENVOLTURA EXTERNA

• Ciclo de los virus – Lisogénico. Ciclo que se caracteriza por la integración del genoma vírico en el material genético de la célula hospedadora, pudiéndose mantener por tiempo indeterminado inactivo hasta producir nuevos virus y provocar la lisis (paso a ciclo lítico) – Lítico. Célula infectada por un virus muere por rotura (lisis en griego), al liberarse las nuevas copias virales.

• VER LIBRO, TABLA PÁG. 180 • VER APUNTES