Introducción al estudio de la Biología Celular y Molecular

Introducción al estudio de la Biología Celular y Molecular

Departamento de Histología, Biología Celular , Embriología y Genética de la

Facultad de Medicina de la UBA

Cuál es el objetivo de la asignatura Biología Celular y Molecular? La Biología Celular y Molecular aporta los conocimientos referentes a la estructura, el ciclo vital y la función de la célula, que es la unidad anátomo-funcional de los organismos vivientes. En la Carrera de Medicina, esta asignatura hace hincapié en el estudio de la célula eucarionte como unidad anátomo-funcional de organismos pluricelulares en los cuales las células interaccionan coordinadamente para mantener la vida del organismo. Específicamente se trata de obtener conocimientos referentesal ser humano, pero la mayor parte de los mismos provienen de investigaciones realizadas en otros organismos que sirven de modelos de experimentación. De esta forma, la Biología Celular y Molecular constituye la base y el fundamento de la mayor parte del conocimiento médico y el avance actual en el campo de la Biología Molecular la ha constituido en una ciencia de utilidad fundamental para que el médico, cualquiera sea su especialidad, comprenda la fisiología, fisiopatología y las bases de la terapéutica. El conocimiento de esta ciencia es de importancia fundamental para comprender1) La estructura del organismo humano a nivel macroscópico (Anatomía) y microscópico (Histología) comprendiendo cómo los distintos tipos celulares y la matriz extracelular constituyen los tejidos y cómo éstos se organizan para formar los órganos que forman parte de los aparatos y sistemas del organismo. 2) Se desarrolla el organismo humano a partir de una única célula huevo que se ha formado por la fusión de las gametas (Embriología).3) Las bases celulares y moleculares de la herencia de los rasgos (Genética).

• El cuerpo humano está formado por más de doscientos tipos distintos de células, todas ellas provienen de una única célula por sucesivas divisiones y por procesos de diferenciación celular.

• Todas las células tienen la misma información genética, por tanto la diferente estructura y función que cada una cumple, depende de la activación y silenciamiento de distintos conjuntos de genes y todo esto depende en gran medida de las señales que la célula recibe de su entorno. La complejidad de nuestro cuerpo depende de la diferente función que cada tipo celular tiene.

• Entre las células existe matriz extracelular que el resultado de la secreción de las propias células.

El organismo humano

• Todas las células del cuerpo humano surgen a partir de una única célula huevo (que se origina por la fecundación de un ovocito por un espermatozoide), seguida de procesos de división mitótica y posterior diferenciación. De la célula huevo, al dividirse mitóticamente surgen dos células iguales, pero que tienen zonas particularmente diferentes (zona en contacto con la otra célula y zona de contacto con el medio ambiente). Al volver a dividirse éstas, surgen ahora 4 células equivalentes, cada una con zonas bien diferenciadas. Al volver a dividirse en sucesivas divisiones mitóticas se va formando una masa de células (mórula), donde las células ya no son todas equivalentes y así siguen los distintos procesos, ya que unas se volverán a dividir a una velocidad mayor que otras, se formarán cavidades, estructuras.

• Como vemos la funcionalidad de una célula depende de su composición pero también y de su relación con su microambiente, dentro del cual se encuentra las otras células del organismo.

Sucesivas divisiones mitóticas: Células iguales, amplificación del número de células

Proceso de diferenciación celular

Células enteroendócrinas

Células epiteliales absortivas

Célula secretora

Una célula madre da lugar a otra célula madre y a una célula diferente

• Todas las células del cuerpo humano están relacionadas entre sí directa o indirectamente, por lo que analizaremos las células como componentes fundamentales a partir de las cuales se organizan los tejidos, éstos conforman los distintos órganos que están funcionalmente relacionados en los diferentes aparatos, y existen además sistemas que permiten la adecuada señalización e interacción entre las distintas partes del cuerpo.

• Se define a la célula como la unidad anatómica y funcional de todo ser vivo. O sea que la célula es capaz de realizar todas las funciones básicas, que son:

• Autorreplicarse, ya que poseen la información genética.• Realizan la síntesis de macromoléculas para su propia

organización estructural.• Sintetizan y secretan moléculas que le permiten interaccionar

con el medio.• Reciben señales del medio ambiente y las procesan.• Son capaces de obtener la energía para sus procesos vitales.• Digieren sustancias que toman del medio ambiente o sus

propios componentes.

La célula eucarionte

• La célula eucarionte es el elemento fundamental del cuerpo humano, está constituída por un núcleo y un citoplasma rodeado de una membrana plasmática. • La característica principal de toda célula eucarionte es su compartimentalización. • Los distintos organoides del citoplasma tienen una composición química, una estructura y una distribución espacial especial.

Célula eucarionte

Compartimentalización

CICLO CELULAR

Dogma central de la biología molecularDogma central de la biología molecular

La información contenida en el ADN se expresa dando lugar a proteínas, mediante los procesos de transcripción, paso por el que la información se transfiere a una molécula de ARN mensajero (ARN-m) y, mediante el proceso de la traducción el mensaje transportado por el ARN-m se traduce a proteína.

EXPRESIÓN GENÉTICA Y SU REGULACIÓN

DNATranscritp

de ARN RNAm RNAm

Degradación del RNAm

RNAm inactivo

Control de Traducción

proteína Proteína inactiva

Control de actividadproteica

Transporte de RNA y control de

localización

Controlde

procesamientodel RNA

Controltranscripcional

CitosolNúcleo

Mitocondria

CrestaMatriz Membrana interna

Membrana externa

Espacio intermembranoso

ADN desnudo

(matriz)

Mitorribosomas

(matriz)

Fosf. Oxidativa, ATP

Síntesis de proteínas mitocondriales

Duplicación

Transcripción

Traduccion

METABOLISMO

Respiracion celular, formación de ATP

Fosforilación oxidativa.

Oxigeno (O2)

Por difusión sale al citosol

Por difusión entra a la mitocondria

Membrana interna, se genera

ATP

Las mitocondrias tienen una forma alargada de tamaño variable, diámetro entre 0,5 a 10µm .

La distribución y el número de crestas varía según el tipo celular.

• La ubicación de las mitocondrias en las distintas células es variable, según la función celular predominante.

Ej. Distribución alrededor de los canalículos en las células parietales del estomago

Reposo Estimulado Activa

Tubulovesicular Ca

Canalículos

El Espermatozoide es una célula en que las mitocondrias se ubican en la pieza media rodeando al axonema, tal como se ve en el esquema:

Peroxisomas

Contienen enzimas que participan en el metabolismo energetico, por reacciones oxidativas generan peroxido de hidrógeno

Sus enzimas se sintetizan en el citosol en polirribosomas libres.La membrana deriva del Retículo Endoplasmático.

Se forman nuevos peroxisomas por división de los antiguos

• El tamaño de las células del cuerpo humano varía entre amplios límites, las más pequeñas de 4 μm de diámetro (células grano del cerebelo) y las más grandes de 250 μm de diámetro (ovocito).

DIVERDSIDAD DE LOS TIPOS CELULARES EN LOS ORGANISMOS PLURICELULARES

• La forma de las células del cuerpo humano también es muy variada:

• esferoidales, totalmente simétricas como el linfocito(núcleo central, organelas igualmente distribuídas, membrana plasmática sin variaciones en toda su superficie)

• cilíndricas con marcada polaridad celular como la célula del epitelio intestinal (núcleo en el tercio basal, distribución diferencial de sus organoides, diferenciaciones de membrana según sea apical o laterobasal)

• células absolutamente asimétricas con un cuerpo o soma estrellado con diferentes tipos de ramificaciones como las neuronas de Purkinje.

fibroblasto

Capilar sanguíneo

Fibras proteicas

Sustanciaamorfa

En otros tejidos como el tejido conectivo, las células interaccionan con gran cantidad de matriz extracelular que ellas mismas generan

Hay tejidos en que las células que lo componen están muy relacionadas y hay poca sustancia intercelular (tejido epitelial).

Célula epitelial

Célula cilíndrica

Célula plana

Célula fusiforme

Elementos formes: glóbulos rojos

Matriz extracelular =

sustancia amorfa y

fibras proteicas

Cuál es la composición química de la célula y cómo se organizan esos componentes para que tengan una estructura determinada y un tamaño dado.

El cuerpo humano y por ende sus células constituyentes tienen las mismas propiedades de todo ser vivo

Niveles de organización de la materia

Las propiedades de los seres vivos resultan de una serie de niveles de organización

integrados

SUB-ATÓMICO

ATÓMICO

MOLECULAR

MACROMOLECULAR

MACROMOLECULAR COMPLEJO

CELULAR

TISULAR

ÓRGANOS

SISTEMAS DE ÓRGANOS

COMPLEJIDAD

En cada nivel aparecen nuevas propiedades (‘propiedades

emergentes’), que constituyen un salto cualitativo respecto del nivel

anterior

...

En ese sentido, entendemos a la vida biológica como un conjunto de

propiedades emergentes a partir del nivel de organización celular.

SUB-ATÓMICO

ATÓMICO

MOLECULAR

MACROMOLECULAR

MACROMOLECULAR COMPLEJO

CELULAR

TISULAR

ÓRGANOS

SISTEMAS DE ÓRGANOS

COMPLEJIDAD

...

1 mm 10-3 m

1 μm 10-6 m

1 nm 10-9 m

10-10 m1 Å

Las estructuras de los niveles más bajos tienen dimensiones muy pequeñas....

Por eso se utilizan las siguientes unidades métricas...

Recordar que: Ejemplos en el hombre (diámetro aproximado)______________________________________________________________________

1cm= 0,01 m globo ocular : 2,5 cm

1mm = 0,001 m = 0,1 cm grosor del pelo: 0,07 mm ovocito maduro: 0,25 mm

1µm = 0,001 mm = 10-6m eritrocito: 7,5 µm mitocondria: entre 0,5-10 µm

1nm=0,001 µm = 10-9m microtúbulo: 25 nm microfilamento: 5 nm

1Å = 0,1 nm= 10-10m grosor de la membrana plasmática: 75 Å

Los componentes orgánicos de las células

Tanto las células procariontes como eucariontes están formadas por

Biomoléculas

1- Hidratos de Carbono

2- Lípidos

3- Proteínas

4- Ácidos Nucleicos


Biomoléculas


ribosa

glucosa

Monosacáridos

Isómeros

Derivados de azúcares


Biomoléculas


Disacáridos


Biomoléculas


Polisacáridos


Biomoléculas

1- Hidratos de Carbono2- Lípidos

Ácidos grasos

saturadosinsaturados


Biomoléculas

1- Hidratos de Carbono2- Lípidos

Fosfolípidos

fosfatidilcolina

Esteroides


Biomoléculas

1- Hidratos de Carbono2- Lípidos3- Proteínas

aminoácido polipéptido


Biomoléculas

1- Hidratos de Carbono2- Lípidos3- Proteínas

Su función depende de su forma tridimensional

Membrana plasmatica: asimetrica,

H de C del lado externo.


Biomoléculas

1- Hidratos de Carbono2- Lípidos3- Proteínas4- Ácidos Nucleicos

Nucleótido

puede ser

ADN versus ARNADN versus ARN

Estructura química del ARN

(Fosfato-azúcar-base nitrogenada)


El ARN adopta estructuras tridimensionales


Biomoléculas

1- Hidratos de Carbono2- Lípidos3- Proteínas ADN



Nivel de Organización Celular

PROCARIOTAS EUCARIOTAS

Los tres dominios del mundo viviente

Cómo se estudian las células?Todas las células comparten propiedades que se conservaron a través de la evolución.Todas utilizan ADN como material genético, están rodeadas por una membrana plasmática y usan los mismos mecanismos básicos para el metabolismo energético.

Los organismos se pueden clasificar en unicelulares ( bacterias, amebas y levaduras) y pluricelulares (en los que los distintos tipos de células funcionan coordinadamente cumpliendo cada una funciones particulares).

Diversos tipos de células y organismos son utilizados para estudiar diferentes aspectos de la biología celular y molecular; existiendo modelos experimentales que permiten estudiar diferentes características.

Podemos dividir a las células en dos tipos principales: Procariontes y Eucariontes.

Célula procariótica típica• Escherichia Coli (está habitualmente en el tracto intestinal

humano), es el modelo experimental ideal para estudiar mecanismos de biología molecular y bioquímica incluídos los estudios genéticos.

Pared celular (polisacáridos, péptidos, porosa)Membrana Plasmática (bicapa fosfolipídica, proteínas asociadas, verdadera separación funcional entre interior y exterior celular)Citoplasma (es el protoplasma celular, de apariencia granular por la presencia de ribosomas)ADN circular (molécula única)

Célula eucariótica

Membrana plasmáticaCitoplasma (citosol con citoesqueleto y sistema de endomembranas).

Entre los orgánulos dependiente delsistema de endomembranas :Núcleo (Varias copias de ADN)Aparato de GolgiLisosomasRELRERVacuolas

MitocondriasPeroxisomasLa célula eucariótica más simple es la levadura, utilizada como modelo experimental de célula eucariótica.

Modelos para estudiar organismos multicelulares

• El nematodo C. Elegans, se utiliza paraestudios de desarrollo y diferenciación celular.

•La mosca de la fruta, Drosophila Melanogaster,

modelo para el estudio de los mecanismos moleculares del desarrollo por su fácil reproducibilidad.

Xenopus laevis, modelo para el estudio

del desarrollo embrionario

Pez cebra, modelo para estudiosgenéticos del desarrollo de los vertebrado

El ratón y la rata como modelos del desarrollo humano

• Estudios de comportamiento, estudios del sistema nervioso, respuestas a fármacos.

• Además algunas alteraciones genéticas dan lugar a defectos del desarrollo similares a los humanos.

Rata realizando unaPrueba conductual

Operación cesárea paraEstudiar al feto

Control EtanolEstudios de alcoholismo maternofetal

Instrumentos de la biología celular

• Lupa y Microscopio óptico• Microscopio electrónico• Homogeinizador, Centrífuga y ultracentrífuga.• Agitador• Cámaras de cultivo, Estufas• Termociclador• Cuba electroforética

Microscopio optico• Limite de resolución del MO es 0,2 µm, es la distancia mínima de separación de

dos objetos para verlos como distintos. Este valor depende de dos factores: longitud de onda de la luz visible y la apertura numérica de la lente.

Tener en cuenta que: 1µm=0,001mm=10-6 m y que: LR= 0,61 λ÷ AN Siendo AN=ŋsenα ŋ es el índice de refracción del medio que está entre el objetivo y el preparado α es el ángulo del cono de luz que entra al objetivo

Pedí al docente del TP de histo que te muestre donde figura la AN del microscopio con el que estás trabajando

Lente objetivo

Luz

Tipos de MO

• MO de campo claro, la luz visible atraviesa el preparado, es necesario teñir las células para poder verlas, no son apropiados para ver células vivas.

• MO de contraste de fase y de interferencia, utilizan sistemas ópticos que convierten variaciones de densidad o grosor en diferentes contrastes, son útiles para ver células vivas sin teñir.

Luz visible

A- campo claro B- interferenciaC- contraste de fase

Preparado tejido fijado y teñido

Preparado sin teñir- células vivas

•MO de fluorescencia, se utiliza una tinción fluorescente que absorbe a una longitud de onda y emite en otra, se utilizan filtros especiales para cada long de onda.

MO confocal, combina la microscopía fluorescente con el análisis electrónico de la imagen para obtener imágenes tridimensionales.

MO de excitación por dos fotones, imágenes tridimensionales de células vivas.

Microscopios electrónicos• Microscopio Electrónico de Transmisión, MET, el haz de

electrones atraviesa la muestra fijada y contrastada con metales pesados. Existe tinción positiva y tinción negativa. Por el desvío del haz de electrones, en la pantalla fluorescente habrá una gama de grises, el LR= 0,2nm=2Å

• Microscopio Electrónico de Barrido o Scanning, MEB, se utiliza para obtener imágenes tridimensionales de las células. El haz de electrones no atraviesa la muestra, la célula se cubre con un metal pesado y los electrones se recogen generando la imagen tridimensional.

Microscopía electrónica de transmisión

Tinción positiva Tinción negativa

Sombreado metàlico Congelación-fractura

Fotomicroscopio óptico

Diferencias entre ME y ME: El ME utiliza un haz de electrones en lugar de luz visible o fotones. La resolución es mayor, o sea es menor el Límite de resolución ya que la longitud de onda de los electrones es mucho menor. Utiliza lentes electromagnéticas para centrar el haz de electrones.

MET

MO: Inclusiones en parafina

MET:

Inclusiones en resinas epoxi

La preparación del material es diferente. Distintos fijadores y distintas inclusiones

Portaobjetos con preparadoGrillas con cortes

ULTRAMICROTOMOMICROTOMO

Distintos equipos para realizar los cortes

Microscopía óptica Microscopía electrónica

Vibrátomo

Crióstato

Taco

Cuchilla de vidrio

Ultramicrótomo


Portaobjetos de vidrio

Grillas de cobre


Taco

Cuchilla de vidrio

Ultramicrótomo

Micrótomo rotatorio tipo Minot

Separación subcelular

1) Homogeinizar o licuar 2- centrifugar

Ultracentrífuga

Centrifugación en gradiente de densidad

Cultivos celulares

Camara de seguridad biologica,flujo laminar: allí se realiza la Siembra.

Estufa gaseadamantenimientodel cultivo

La ciencia avanza…• GFP – Proteína verde fluorescente

• Aislada de Aequorea victoria por Osamo Shimomura en 1962

• En 1994, el laboratorio del Dr Chalfie publica la expresión de esta proteína en la especie C. elegans

• En 2008, Martin Chalfie, Osamu Shimomura y Rogen Tsien obtienen el Premio Nobel de Química por su descubrimiento y desarrollo de la proteína verde fluorescente.

• Actualmente, es usada como un reportador de la expresión de diferentes genes.

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