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Idea Fundamental: La evoluciónde los organismos multicelularespermitió la especialización celulary el reemplazo de células.
Germán Tenorio
Biología 12º
BLOQUE 2. BIOLOGÍA CELULAR
2.1 Estructura celular
Teoría Celular Hasta el siglo XV se creía que los seres vivos estaban formados por una
sustancia que a su vez estaba formada por cuatro jugos.
El término célula fue acuñado por elcientífico inglés Robert Hooke en1665 (siglo XVII), al observar almicroscopio las “celdillas”cosntituyentes del corcho.
En 1674, el comerciante de telasholandés, A. van Leewenhoek,describió que la sangre estaba formadapor diminutos glóbulos rojos que fluíana lo largo de delgados capilares.
Teoría Celular En 1838 el botánico Schleiden y el zoólogo Schwann enunciaron el
postulado básico de la teoría celular, según la cual todos losorganismos vivos están compuestos de células, a las que consideraronlas unidades vitales fundamentales.
Posteriormente, Virchow, entre otros,establecieron que todas las célulasproceden de otras preexistentes.
La teoría celular se basa en lossiguientes 4 principios:
1. Todos organismos vivos están compuestos por células (unidadestructural). Los organismos pluricelulares tienen células especializadas en llevara cabo diferentes funciones.
2. La célula es la unidad viva más pequeña (unidad fisiológica). Loscomponentes celulares no pueden sobrevivir por sí solos.
3. Las células se forman a partir de otras células preexistentes. Cada célulaprocede de la división de otra preexistente.
4. Cada célula contiene y transmite a la siguiente generación toda lainformación hereditaria (unidad genética). Esta información es necesaria parael control de su propio ciclo y el del desarrollo y funcionamiento de un organismo.
El microscopio Los organismos unicelulares están formados por una única célula y por
tanto, no son visibles directamente al ojo humano.
Las moléculas que forman las células tienen un tamaño relativo en torno a 1nm, el grosor de las membranas celulares es de 10 nm, el tamaño de losvirus 100 nm, de las bacterias 1 µm, de los orgánulos celulares hasta 10 µm,y de la mayoría de las células hasta 100 µm.
Todas las entidades biológicas anteriores quedan fuera de nuestra capacidadde percepción directa y para observarlas debemos utilizar dispositivostecnológicos tales como el microscopio óptico o el electrónico.
Para observar un objeto de tamaño inferior almilímetro, debemos ampliarlo utilizando unmicroscopio, de manera que la imagen observada noestá a tamaño real, sino magnificada.
Magnificación = Ocular · Objetivo
x400 = x10 · x40
El microscopio óptico tiene unpoder de resolución de 0,2μm, unas mil veces la del ojohumano.
El microscopio óptico
El microscopio óptico no puede producir imágenes claras de estructurasinferiores a 1 µm, que son la mayoría de los componentes celulares, porlo que la invención de los microscopios electrónicos condujo auna mejor comprensión de la estructura celular.
El microscopio electrónico
El microscopio electrónico permite observar estructuras de hasta0.001μm, es decir, mil veces más pequeñas que con el óptico. Elmicroscopio electrónico utiliza electrones para iluminar la muestra.Dado que los electrones tienen una longitud de onda mucho menor quela de la luz pueden mostrar estructuras mucho más pequeñas.
El microscopioelectrónico fueinventado en Alemaniaa comienzos del sigloXX, usándose en lainvestigación científicaa mediados de siglo.
Todos los microscopios electrónicos disponen de un cañón de electronesque emite los electrones que chocan contra la muestra, creando unaimagen aumentada. Se utilizan lentes magnéticas para crear camposque dirigen y enfocan el haz de electrones.
El microscopio electrónico
El sistema de vacíoes una parterelevante delmicroscopioelectrónico, dado quelos electrones puedenser desviados por lasmoléculas del aire,de forma que tieneque hacerse un vacíocasi total en elinterior de unmicroscopio de estascaracterísticas.
El microscopio electrónico permitió demostrar que la estructura celularera mucho más compleja de lo que en un principio se había pensado,permitiendo distinguir la crestas mitocondriales y las granas en lasmitocondrias y cloroplastos, respectivamente, no visibles al microscopioóptico.
El microscopio electrónico
El microscopio electrónico permitió revelar la ultraestructura de las células,lo cual queda ilustrado con el descurbimiento de los ribosomas, lisosomasy retículo endoplásmico a partir del desarrollo del microscopio electrónico.
Resolución de los microscopios El ojo humano no puede distinguir dos objetos como separados si poseen
un tamaño inferior a 0.1 mm (100 µm). Para ello, deben usar elmicroscopio.
Se denomina resolución a la capacidad delo ojo de distinguir dos objetoscomo seprados. La máxima resolución del microscopio óptico es de0.2 µm, dado que está limitando por la longitud de onda de la luz blanca.
Los microscopioselectrónicos tienen unaresolución mucho mayorque los microscopiosópticos, dado que el haz deelectrones tiene unalongitud de onda muchomenor que la del visible(400-700nm).
Su resolución es de 0.001µm, permitiendo visualizarla ultraestructura de lascélulas y a los virus.
La célula procariota Las células procariotas no tienen verdadero núcleo. Su ADN es una doble
hélice cerrada, sin extremos, que está libre en el citoplasma (ocupa unaregión denominada nucleoide).
Las bacterias son las células procariotas típicas. Tienen pequeño tamaño(de 1 a 10 micras) y su organización es sencilla, supuestamente parecidaa las primeras células.
La célula procariota
1 x 3 µm
La ausencia casi total de compartimentos separados hace que sumembrana plasmática delimite un único espacio interno, el citoplasma,donde la síntesis de proteínas se inicia antes de que finalice la síntesis dela molécula de ARNm, lo que, como veremos, impide el posibleprocesamiento o maduración de dicho ARNm. La mayor parte poseenpared celular rígida y pueden presentar externamente una cápsula.
La célula procariota En su citoplasma tienen una doble hélice de ADN circular que forma el
nucleoide, NO un verdadero núcleo, pues carece de membrana que losepare del citoplasma. Tiene ribosomas y pequeñas moléculas circularesde ADN llamadas plásmidos.
Algunas se muevenmediante flagelos.Los pili sonsemejantes aflagelos, pero máscortos, y su funciónes la unión a unsustrato, a otrasbacterias (pilisexuales) o a célulaseucariotas.
Excepto el reino Moneras (bacterias y arqueobacterias), el resto de los seresvivos (los demás reinos) presentan una organización celular eucariota.
Los eucariotas presentan una estructura celular compartimentada.Varias son las ventajas de esta compartimentalización:
La célula eucariota
- Cada compartimiento uorgánulo contiene supropia dotación deenzimas, otras moléculasespecializadas y uncomplejo sistema dedistribución que transportaespecíficamente loscompuestos de uncompartimiento a otro. Porlo tanto, lacompartimentación, osubdivisión celular encompartimientos, conducea la especializaciónfuncional.
La célula eucariota- Las proteínas confieren a
cada compartimiento suspropiedades estructurales yfuncionales. Catalizan lasreacciones que tienen lugaren cada orgánulo ytransportan selectivamentepequeñas moléculas haciadentro y hacia fuera delinterior del orgánulo olumen. También actúan comomarcadores específicos desuperficie de los orgánulosque dirigen el destino deproteínas y de lípidos alorgánulo apropiado.
La célula eucariota- Todas las células eucariotas tienen la misma dotación básica de orgánulos
rodeados de membrana. Muchos procesos bioquímicos vitales ocurren en,o sobre, superficies de membrana. Por ejemplo, el metabolismo lipídicocatalizado por enzimas unidas a membranas; o la fosforilación oxidativa(formación de ATP) y la fotosíntesis, que requieren de una membranasemipermeable para acoplar el transporte de protones H+ con la síntesisdel ATP.
Hay dos tipos principales de células eucariotas: la célula animal y la vegetal,pero ambos se caracterizan por poseer:
- Citoplasma celular, que contiene los orgánulos, enzimas y solutos endisolución, y que está formado por un entramado de filamentos proteicos(citoesqueleto).
- Complejo sistema internode membranas constituidopor el retículo endoplásmico,conectado con la doblemembrana nuclear, y elcomplejo de Golgi. Otrosorgánulos membranosos sonlas vacuolas, los lisosomas,las mitocondrias y loscloroplastos.
- Núcleo delimitado por unadoble membrana con ADN ensu interior asociado aproteínas histonas.
La célula eucariota
Comparación célula procariota y eucariota
Característica Célula procariota Célula eucariota
Núcleo No Sí (membrana nuclear doble)
Organismos Moneras (bacterias y arqueobacterias)
Protoctistas, hongos, vegetales y animales
Tamaño célula 1-10 µm 10-100 µm
Metabolismo Anaerobio/aerobio aerobio
ADN Único circular no asociado a histonas + plásmidos
Lineal en varias moléculas asociado a histonas y organizado en cromosomas
ARN y proteínas Ambos sintetizados en citoplasma
ARN sintetizado en núcleo y proteínas en citoplasma
Orgánulos membranosos
No, salvo inclusiones Sí
Ribosomas 70S (50S + 30S) 80S (60S + 40S)
Citoplasma Citoesqueleto poco estructurado
Citoesqueleto más complejo formado de microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios.
Pared celular Sí (con peptidoglucano) Sí en algunos protistas, en vegetales (celulosa) y hongos (quitina)
División celular Bipartición Mitosis
Organización celular unicelular Principalmente pluricelular
Comparación célula procariota y eucariota
Es un tipo de célula que presenta una gran complejidad y una granactividad metabólica. La información genética se almacena en moléculasde ADN asociadas a histonas, formando la cromatina, que se localiza enel núcleo, separado del citoplasma por la membrana nuclear doble (conporos de comunicación).
La célula eucariota animal
La división celular supone ladivisión del núcleo por mitosis,en la que la cromatina secondensa y forma loscromosomas. Tras la divisióndel núcleo se divide elcitoplasma (citocinesis).
La membrana plasmática esuna bicapa de lípidos conproteínas que tienen una granvariedad de funciones:receptores de señales, canalesiónicos, transportadores demoléculas, anticuerpos, etc.
El citoplasma presenta un sistema de endomembranas que constituyenestructuras como el retículo endoplásmico, el complejo de Golgi, olos lisosomas. Además hay otros orgánulos con membranas -todas lasmembranas tienen igual estructura que la plasmática- como lasmitocondrias.
La célula eucariota animal
Esta organización produce unaserie de compartimentos celularesdiferentes que permiten laseparación de procesos metabólicosincompatibles, o de los procesos detranscripción y traducción. Latranscripción (formación de ARN apartir del ADN) tiene lugar en elnúcleo, donde el ARN sufre unproceso de maduración, mientrasque la síntesis de proteínas(traducción) se realiza en losribosomas, situados en el citosol,la parte líquida del citoplasma quebaña los orgánulos.
Su estructura es semejante a laanimal, pero presenta orgánulosexclusivos, como son loscloroplastos, responsables de lafotosíntesis, o los glioxisomas.Tienen un sistema vacuolar muydesarrollado (grandes vacuolas) yuna membrana de secreción, lapared celular, que da soporte yprotección a los tejidos vegetales.
La célula eucariota vegetal
Preguntas PAU*
Preguntas PAU*
Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbiótica
Según las hipótesis más aceptadas, la vida se originó en la Tierra hacemás de 3 800 millones de años en forma de células muy sencillas deorganización procariota, los protobiontes.
Eran estructuras membranosas con un ácido nucleico (probablementeARN) capaz de autorreplicarse y de utilizar su información para la síntesisde proteínas. Su posterior evolución condujo a la diversidad que hoyconocemos.
Las protocélulas o protobiontes
Las células eucariotas son el resultado de la evolución de organismosprocariotas primitivos semejantes a algunas de las bacterias actuales.Las células eucariotas son mucho más complejas y tienen un tamañomayor que las procariotas.
Este aumento de volumen(hasta un millón de vecesmás) implica la necesidadde un aumento desuperficie.
¿Cómo resolver esteproblema? Puede hacersemediante el plegamientode la membrana externa omediante la incorporacióna la misma de algún tipode especialización
Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbiótica
Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbiótica
La existencia de membranas internas (endomembranas) permite uncontinuo intercambio de sustancias entre los compartimentosmembranosos internos y el exterior de la célula (proceso exclusivo deeucariotas). La existencia de estas endomembranas permitió laespecialización de los distintos compartimentos de la célula en funcionesdiferentes.
Las bacterias (procariotas) fueron los únicos organismos sobre la Tierradesde ese momento hasta hace unos 2 000 Ma., momento en el que elprecursor de la célula eucariota (urcariota) aparecería como unaramificación de la línea evolutiva de las bacterias. El aumento del tamañocelular necesitó la presencia de estructuras proteicas que le dieranconsistencia (en las células actuales eucariotas constituyen elcitoesqueleto). A partir de ahora, el precursor pudo hacerse una célulahospedadora de endosimbiontes bacterianos.
Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbiótica
Esta teoría ampliamenteaceptada se deomina teoríaendosimbiótica y fuepropuesta por Lynn Margulisen 1967, postulando que loseucariotas han evolucionado apartir de los procariotas.
Por tanto, el origen de lascélulas eucarioticas puedeexplicarse por medio de lateoría endosimbiótica.
Según esta teoría, los orgánulos membranosos que contienen ADN, comolas mitocondrias y los cloroplastos, presentan muchas característicassemejantes a las de las células procariotas, por lo que podrían derivar deellas.
El núcleo y el sistema endomembranoso pudieron haber surgido apartir de invajinaciones de la membrana plasmática. Respecto al núcleo,también se piensa que pudo haberse originado por la captura de unaarqueobacteria
Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbiótica
Los peroxisomas sería podrían heber surgido a partir de fagocitarpequeños procariotas con la capacidad de eliminar sustancias tóxicasoriginadas por la presencia de oxígeno.
El origen de las mitocondrias tuvo lugar apartir de la incorporación de bacteriasaerobias, adquiriendo la capacidad deconsumir oxígeno en un proceso deoxidación completo, la respiraciónaeróbica.
Los cloroplastos procederían de lascianobacterias, adquiriendo un tipo denutrición fotoautótrofa.
Los flagelos y microtúbulos pudieronhaber sido adquiridos a partir deespiroquetas simbióticas.
Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbiótica
Membranaplasmática
Citoplasma
ADNProcariota ancestral
Retículo endoplásmicoEnvoltura nuclear
Invajinación de lamembrana plasmática
Fagocitosis de procariotas aeróbicos
heterotróficos
Núcleo
Célula con núcleo y sistema endomembranoso
Fagocitosis de procariotas fotosintéticos
por algunas células
Cloroplasto
Mitocondria
Eucariota heterótrofo ancestral
Eucariota fotosintético ancestral
Mitocondria
Esta teoría mantiene que los orgánulosque se encuentran en el interior de lascélulas eucariotas, una vez fueronprocariotas independientes, pero que unacélula heterótrofa de mayor tamaño losendocitó.
Algunas células digirieron estas bacterias,alimentándose de ellas, pero aquellascélulas que no tenían enzimas capaces dedigerir a estas procariotas fotosintéticos,adquirieron una ventaja por selecciónnatural, ya que adquirieron sumetabolismo fotosintético o aerobio.
Dichos procariotas permanecieron en suinterior, encontrando protección a cambiode sus servicios: endosimbiosis.
Esto podría explicar como los orgánulosmembranosos como la mitocondria o loscloroplastos llegaron a formar parte delas células eucariotas evolucionando apartir de procariotas independientes.
Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbiótica
Esta teoría se apoya en que las características que comparten mitocondrias ycloroplastos, y que las hacen más parecidos a un procariota independiente,que a cualquier otro orgánulo celular:
Al igual que otras teorías, también tiene sus objeciones:
- Tienen doble membrana.
- Tienen ADN desnudo circular propio.
- Pueden sintetizar proteínas usandopequeños ribosomas.
- Sus ribosomas son de igual tamañoque los procariotas (70S).
- Se dividen por fisión binaria.
- Mismo tamaño que procariotas.
- No se puede demostrar, ya que predice algo que ocurrió en el pasado.
- No explica el origen de los cromosomas lineales o la meiosis.
- Existen débiles evidencias de que los cilios y los flagelos evolucionaron a partirde la unión de bacterias espiroquetas.
Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbiótica
Diversidad celular Los organismos multicelulares (o pluricelulares) póseen células que llevan a
cabo funciones diferentes, es decir, células especializadas que adquierenuna determinada forma para llevar a cabo una función específica.
Un grupo de célulasespecializadasconstituyen un tejido,por lo que puede decirseque en los organismosmulticelulares lostejidos especializadospueden desarrollarsepor diferenciacióncelular. Ejemplos decélulas diferenciadas enanimales son célulasintestinales, célulashepáticas, musculares,neuronas, etc.
Diversidad celular El desarrollo de un organismo pluricelular está determinado por la división,
el crecimiento y la diferenciación de las células.
Los organismos pluricelularesprovienen de una única célula, elcigoto, que se divide numerosasveces. Todas las células resultantestienen la misma informacióngenética y comparten muchasproteínas, pero contienen algunasproteínas diferentes (según los tiposcelulares), lo que hace que tenganformas y funciones distintas.
Esto se debe a que unos genes seexpresan en unas células y no enotras. Hay mecanismos deregulación de la expresión de losgenes distintos (entre otras cosas,debido a los distintosmicroambientes celulares). Esta esla diferenciación celular.
Diversidad celular En vegetales, las células se
organizan en tejidos, en los queuna de las características másimportantes es la naturaleza y elgrosor de la pared celular. Losprincipales tejidos son:meristemáticos, parénquimas,protectores, de sostén,conductores y secretores.
En animales adultos (como en el cuerpo humano) se pueden encontrarhasta 250 tipos celulares diferentes. Se agrupan en tejidos: epiteliales,conjuntivos, de sostén, musculares, nervioso y la sangre.
Diferenciación celular* Todas las células de un
organismo poseen los mismosgenes en su núcleo.
Las células se diferencian apartir de células madre duranteel desarrollo embrionario.
La diferenciación implica laexpresión de unos genesconcretos del genoma de lacélula y no de otros. Lo quehace a un tipo celular diferentede otro, son los genes que seexpresan o inactivan, lo cuáldepende del ambiente en el quese encuentre, entrando encontacto con ciertas hormonas,sustancias químicas u otrascélulas.
