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Barquisimeto, Noviembre 2012
UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL
LISANDRO ALVARADO
SISTEMA DE EDUCACION A DISTANCIA
DECANATO DE CIENCIAS DE LA SALUD
DIRECCIÓN DE PROGRAMA DE MEDICINA
CURSO PREUNIVERSITARIO
NIVELES DE ORGANIZACION
BIOTICOS
CURSO PREUNIVERSITARIO DE MEDICINA
DECANATO DE CIENCIAS DE LA SALUD.
Unidad I. Niveles de Organización Bióticos
Curso Preuniversitario. Biología Celular. Niveles de Organización, 2012. Chávez, A y Olivares, M,
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Dra. Aura Chávez Zobel
Dra. María Elena Olivares
UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL
LISANDRO ALVARADO
SISTEMA DE EDUCACION A DISTANCIA
DECANATO DE CIENCIAS DE LA SALUD
DIRECCIÓN DE PROGRAMA DE MEDICINA
CURSO PREUNIVERSITARIO
1ra. PARTE
NIVELES DE ORGANIZAION
BIOTICOS
CURSO PREUNIVERSITARIO
DECANATO DE CIENCIAS DE LA SALUD.
Unidad I. Niveles de Organización Bióticos
Curso Preuniversitario. Biología Celular. Niveles de Organización, 2012. Chávez, A y Olivares, M,
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TABLA DE CONTENIDOS
Página
INTRODUCCIÓN 4
OBJETIVOS 4
Objetivo General 4
Objetivos Específicos 4
Niveles de Organización……………………………………………………. 5
Átomos………………………………………………………………….. 6
Moléculas……………………………………………………………….. 6
Macromoléculas………………………………………………………… 6
Organelas……………………………………………………………….. 7
Tejidos………………………………………………………………….. 7
Órganos………………………………………………………………… 7
Sistemas………………………………………………………………… 7
Actividad Control 1……………………………………………………….. 9
Células Procariotas y Células Eucariotas……………………………... 10
Virus……...…………………………………………………………… 14
Prion…………………………………………………………………… 18
Plásmidos………………………….…………………………………… 20
Actividad Control 2………………………………………………………... 24
Reproducción Celular………………………………………………………. 25
Ciclo Celular…………………………………………………………… 26
Interfase………………………………………………………………. 27
Mitosis…………………………………………………………………. 29
Células germinales y somáticas…………………………………….. 29
Etapas de la Mitosis………………………………………………… 30
Actividad Control 3………………………………………………………… 39
Meiósis…………………………………………………………………. 40
Actividad Control 4………………………………………………………… 42
Bibliografía…………………………………………………………………. 43
Unidad I. Niveles de Organización Bióticos
Curso Preuniversitario. Biología Celular. Niveles de Organización, 2012. Chávez, A y Olivares, M,
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INTRODUCCION
Al observar la materia viva se pueden distinguir varios grados de complejidad
estructural, que van desde el nivel subatómico hasta el sistémico en el cuerpo
humano. Cada uno de ellos representa un nivel jerárquico de complejidad que
proporciona propiedades específicas a la materia viva que no se encuentran en los
niveles inferiores.
En la presente unidad se analizarán los niveles de organización que van desde el
nivel atómico hasta el nivel celular, con énfasis en las diferencias y semejanzas entre
células eucariotas y procariotas.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Analizar los niveles de organización en los seres vivos.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Establecer diferencias estructurales entre los niveles de organización de los seres
vivos.
2. Describir las diferencias y semejanzas entre células procariotas y eucariotas.
3. Describir las diferencias entre plásmidos y priones.
4. Describir las características estructurales de un virus.
5. Describir los pasos conducentes a la construcción de ADN recombinante.
6. Describir los tipos de división de las células humanas.
7. Establecer las diferencias y semejanzas entre mitosis y meiosis.
Unidad I. Niveles de Organización Bióticos
Curso Preuniversitario. Biología Celular. Niveles de Organización, 2012. Chávez, A y Olivares, M,
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Niveles de Organización
Los niveles de organización de la materia viva representan sus diversos grados
de complejidad estructural y funcional. Estos niveles pueden definirse en una escala
de organización que va de menor a mayor complejidad. Tanto en los organismos
unicelulares como en los pluricelulares, podemos distinguir diversos niveles de
organización interna que influyen en su estructura y función. Para ambos tipos de
organismos su organización empieza a nivel químico y adquiere mayor complejidad a
nivel celular en el caso de los unicelulares y, a nivel sistémico en el caso del cuerpo
humano.
Las combinaciones de átomos forman agregados químicos más grandes,
denominados moléculas (Figura 1).
Figura 1. Modelo computacional de una molécula.
Las moléculas, a su vez, se combinan con frecuencia con otros átomos y moléculas,
formando moléculas más complejas denominadas macromoléculas. A menudo el
término macromolécula se refiere a las moléculas que pesan más de 10.000 Dalton de
masa atómica. Las macromoléculas pueden ser lineales o ramificadas (Figura 2).
Figura 2. Modelo computacional de una macromolécula.
Unidad I. Niveles de Organización Bióticos
Curso Preuniversitario. Biología Celular. Niveles de Organización, 2012. Chávez, A y Olivares, M,
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Las moléculas que tienen capacidad de reconocerse y ensamblarse mediante
interacciones intermoleculares no-covalentes, tales como, puentes de hidrógeno,
fuerzas de Van der Waals y atracciones electrostáticas, forman por ensamblaje
estructuras poliméricas a un nivel supramolecular.
Macromoléculas biológicas, como las proteínas y ácidos nucleicos pueden
reconocer selectivamente a otras especies moleculares y formar complejos más
grandes, a un nivel supramolecular. En la Figura 3 se ilustra la organización de la
cromatina en nucleosomas (ADN y proteínas histonas)
Figura 3. Organización de la cromatina.
Diversos complejos supramoleculares se ensamblan para conformar compartimientos
dentro de la célula llamados organelos con funciones muy especializadas e
interrelacionadas para permitir la vida dentro de la célula. Las células similares o
relacionadas que funcionan de una manera particular o tienen una finalidad común se
agrupan en tejidos. Los cuatro tejidos básicos (epitelial, conectivo, muscular y
nervioso) que componen el cuerpo están ensamblados para formar órganos que, a su
vez, se agrupan en sistemas con funciones específicas. En la figura 4, se ejemplifica
parte del sistema muscular del cuerpo humano.
Unidad I. Niveles de Organización Bióticos
Curso Preuniversitario. Biología Celular. Niveles de Organización, 2012. Chávez, A y Olivares, M,
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Figura 4- Sistema muscular humano.
Los organismos se aprovechan de la contracción de las células para permitir su
locomoción, constricción, bombeo y otros movimientos de propulsión. Las células
musculares, especializadas poseen la capacidad de contraerse. Además de los
músculos voluntarios o esqueléticos que tienen capacidad para contraerse cuando son
estimulados y están bajo control consciente, el sistema muscular también contiene
músculos lisos o involuntarios, y el músculo cardíaco. Los músculos no solo
producen movimientos (o mantienen la posición del cuerpo), sino también son
responsables de generar el calor necesario para mantener una temperatura central
constante.
Unidad I. Niveles de Organización Bióticos
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NIVELES DE ORGANIZACIÓN EN LOS SERES VIVOS
S
UB
CE
LU
LA
R
Nivel Componentes/Ejemplos Subatómico Protones, neutrones y electrones
Atómico Oxigeno, hidrógeno, carbono, nitrógeno, hierro y otros
Molecular Monosacáridos, Aminoácidos, Nucleótidos, plásmidos
Macromolecular Polisacáridos, Proteínas, Ácidos nucleicos, Lípidos
Supramolecular Citoesqueleto.
Membrana plasmática
Ribosomas.
Nucléolo
Glucoproteínas, Prión
Glicolípidos
Complejos multienzimáticos
Complejo enzima-sustrato
Virus
Cromatina, Nucleosomas Organelos Núcleo, Retículo Endoplasmático, Complejo de Golgi,
Lisosomas, Mitocondrias
CE
LU
LA
R
Célula Procariota Bacterias
Célula Eucariota Unicelular Protozoos
Levaduras
Célula Eucariota de
Mamíferos
Células que componen los diferentes tejidos, ejemplos:
adipocitos, hepatocitos, linfocitos, neuronas,
cardiomiocitos.
PL
UR
ICE
LU
LA
R Tisular Tejidos: Conectivo, Epitelial, Muscular, Nervioso,
Hematopoyético.
Orgánico Corazón, pulmones. estómago, hígado, intestino,
Sistémico
Circulatorio, linfoide, endocrino, respiratorio, digestivo,
urinario, reproductor y tegumentos.
Actividad Control 1: Tomando en consideración la lectura realizada y la tabla
anterior realiza un esquema de llave sobre los niveles de organización en los seres
vivos.
Unidad I. Niveles de Organización Bióticos
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Características Estructurales de los Niveles Celular,
Macromolecular y Molecular
Células Procariotas y Células Eucariotas
Todas las células son procariotas o eucariotas. Las células procariotas y
eucariotas, comparten algunas características estructurales que las hacen semejantes,
así como también otras que las diferencian.
Las células procariotas constan de un único compartimiento cerrado rodeado
por la membrana plasmática, carecen de un núcleo definido y su organización interna
es sencilla cuando se comparan con las células eucariotas.
Las células procariotas sólo se encuentran entre las bacterias y las algas verde-
azules. Son organismos unicelulares que no poseen compartimientos rodeados por
membranas. Las bacterias son procariotas, no tienen compartimientos internos
rodeados por membranas, poseen un citoplasma organizado en el que se localizan
múltiples estructuras subcelulares (figura 5).
a. b.
b. Figura 5: Célula procariota: a. Esquema de una bacteria, b: Bacterias intestinales
A diferencia de los procariotas, las células eucariotas contienen un núcleo
definido rodeado por una envoltura membranosa y otros compartimientos internos,
los organelos, rodeados por membranas. La región de la célula que se extiende entre
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la membrana plasmática y el núcleo es el citoplasma, compuesto del citosol (fase
acuosa) y los organelos.
Los protozoos, muchos de los cuales son parásitos para animales, están
constituidos por una sola célula en la que se distingue núcleo y citoplasma, (aunque
algunos presentan estadios multicelulares en su ciclo vital). El núcleo, por lo general
es único, pero en algunos casos pueden ser de mayor número. El núcleo está
delimitado por una envoltura nuclear. Los protozoos presentan ciertas
especializaciones como seudópodos, flagelos, cilios y vacuolas. Dentro de los
ciliados, el mejor conocido y más ampliamente distribuido es el Paramecium (Figura
6).
Figura 6. Paramecium
Entre otros protozoarios se encuentran las amibas, parásitos del hombre que se
localizan en el tubo digestivo, el plasmodium causante del paludismo y leihsmania
causante de la leishmaniasis.
A un nivel superior, las células eucariotas de los animales son más complejas.
Además del núcleo, poseen una variedad de organelos delimitados por membranas,
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dentro del citoplasma. Estos organelos proporcionan diferentes compartimientos, con
funciones específicas (Figura 7).
A. B.
Figura 7. Esquema de una célula eucariota: A. Célula animal. B. Célula vegetal
Las similitudes entre las células procariotas y eucariotas son un reflejo de la
evolución de las células eucariotas a partir de ancestros procariotas. Ambos tipos de
células comparten un lenguaje genético idéntico, vías metabólicas comunes y varios
rasgos estructurales similares.
Ambos tipos de células pueden estar rodeados por una pared celular rígida, tal
es el caso de las plantas y las bacterias. Aunque las paredes celulares de procariotas y
eucariotas pueden tener funciones semejantes, existen diferencias en su composición
química.
En su interior, las células eucariotas son más complejas que las células
procariotas tanto en estructura como en función. Los dos tipos celulares contienen
una “región nuclear”, que aloja el material genético de la célula, rodeada de
citoplasma. En las células procariotas el material genético se encuentra en un
nucleoide, región no delimitada por membranas que se distingue del citoplasma.
Unidad I. Niveles de Organización Bióticos
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Las células eucariotas poseen un núcleo, una región delimitada por una
estructura membranosa compleja denominada envoltura nuclear. Esta diferencia en la
estructura del núcleo es la base de los términos procariota (pro, antes; carion, núcleo)
y eucariota (eu, verdadero; carion, núcleo). En las células procariotas las cantidades
de ADN son relativamente más pequeñas, que las existentes en las células eucariotas.
En las células eucariotas existe un número determinado de cromosomas,
mientras que las células procariotas poseen un cromosoma circular único. En las
células eucariotas el ADN se encuentra asociado a proteínas, tipo histonas; por el
contrario, en las células procariotas el ADN no se asocia a estas proteínas.
En los dos tipos celulares el citoplasma es muy diferente. En el citoplasma de
las células eucariotas existe una diversidad de organelos limitados por membranas,
tales como, mitocondrias, retículo endoplásmico, complejo de Golgi, lisosomas,
endosomas y peroxisomas. En el citoplasma de las células procariotas no se observan
organelos membranosos, sin embargo, en las cianobacterias se proyectan hacia el
citoplasma, vesículas membranosas fotosintéticas.
Las células eucariotas poseen también estructuras intracelulares no delimitadas
por membranas, entre las cuales se encuentran los elementos del citoesqueleto que
son complejos supramoleculares que participan en la contractilidad celular,
movimiento y soporte. Hasta hace poco tiempo se pensaba que las células procariotas
no poseían citoesqueleto, pero ha sido encontrado en algunas bacterias filamentos de
citoesqueleto primitivo.
Las células procariotas y eucariotas contienen ribosomas que son complejos
supramoleculares no delimitadas por membranas. Los ribosomas procarióticos son
más pequeños que los eucarióticos y sus componentes estructurales son menos
numerosos que los de los ribosomas eucarióticos.
Las células eucariotas se dividen por mitosis, proceso mediante el cual los
cromosomas duplicados se condensan en estructuras compactas, que se separan por
medio de la participación del huso mitótico, lo que permite que cada célula hija reciba
un ordenamiento equivalente de material genético. En procariotas ese proceso de
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Curso Preuniversitario. Biología Celular. Niveles de Organización, 2012. Chávez, A y Olivares, M,
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condensación de los cromosomas no ocurre ni se forma el huso mitótico, el ADN se
duplica y las dos copias se separan de forma precisa.
En su mayoría los procariotas son organismos asexuados, puesto que contienen
un cromosoma único razón por lo que carecen de procesos comparables a la meiosis
de los organismos eucariotas, formación de gametos o fecundación verdadera.
En relación a las características comunes entre células procariotas y eucariotas
se puede mencionar:
-Estructura similar de la membrana plasmática.
-Mecanismos similares para la transcripción y traducción de la información genética.
- Rutas metabólicas similares.
-Mecanismo similar para conservar la energía química en forma de ATP, en
procariotas se ubica en la membrana plasmática y en eucariotas en la membrana
mitocondrial interna.
Virus
Los virus son parásitos intracelulares obligatorios, es decir, no pueden
reproducirse a menos que se encuentren dentro de una célula huésped que puede ser
una célula animal, vegetal o bacteriana. La estructura del virus comprende una
pequeña cantidad de material genético, que según el virus, puede ser ARN o ADN de
cadena simple o doble. El material genético del virus está rodeado por una cápsula
proteica o cápside, por lo general, constituida por un número específico de
subunidades. Muchos virus poseen una cápside donde las subunidades se organizan
en formas poliédricas. En virus animales, como el virus de la inmunodeficiencia
humana (HIV) causante del SIDA, la cápside proteica está rodeada por una cubierta
externa que contiene lípidos derivados de la membrana plasmática de la célula
huésped. Proteínas virales se integran a la bicapa lipídica derivada de la célula
huésped, antes de la gemación del virus (Figuras 8 y 9).
La interacción entre las proteínas virales y las del huésped, determina la
especificidad del virus. Por ejemplo la proteína que se proyecta desde la
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superficie de la partícula de VIH interactúa con una proteína sobre la superficie del
linfocito, lo que facilita la entrada del virus al interior de la célula huésped.
Figura 8. Virus del VIH.
Figura 9. Visión microscópica del Virus VIH
Dentro de los virus de las bacterias el bacteriófago T, consta de una cabeza
poliédrica que contiene ADN, un tallo cilíndrico a través del cual inyecta ADN al
interior de las células bacterianas y una cola de fibras (Figura 10).
Unidad I. Niveles de Organización Bióticos
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Figura 10. Bacteriófago T.
Se distinguen dos tipos de infección viral. En la mayor parte de los casos, el
virus detiene las actividades normales de síntesis en el huésped y reorienta a la célula
para emplear sus materiales disponibles en la elaboración de ácidos nucleicos y
proteínas virales, que se ensamblan para formar nuevos viriones. La célula infectada
se rompe (lisis) y libera una nueva generación de partículas virales, capaces de
infectar a las células vecinas. En otros casos, el virus intacto no provoca la muerte de
la célula huésped, introduce e integra su ADN al del cromosoma de la célula huésped.
El ADN viral integrado se denomina provirus y puede tener varios tipos de efectos
según el tipo de virus y la célula huésped. Por ejemplo el virus de la
inmunodeficiencia humana (HIV), produce una nueva progenie viral por gemación en
la superficie de la célula sin lisis de la célula infectada (figuras 11 y 12).
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Figura 11. Gemación de virus del virus VIH
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Figura 12. Ruta lítica y lisogénica viral
Prión
En 1982 Stanley B. Prusiner propuso el nombre de "prión" para el agente
causante de un grupo de enfermedades degenerativas del sistema nervioso central
caracterizadas por ser patologías crónicas y progresivas. En 1997, Prusiner fue
galardonado con el premio Nobel de fisiología y medicina por los trabajos llevados a
cabo para la identificación del agente infeccioso de las encefalopatías espongiformes
transmisibles. Estas enfermedades incluyen la encefalopatía espongiforme bovina y el
scrapie de las ovejas y cabras. El hombre se ve afectado más raramente que los
animales, tal es el caso de la enfermedad Creutzfeldt-Jakob que se caracteriza por
ataxia, demencia y parálisis. La forma infecciosa se observó por primera vez en los
nativos de Nueva Guinea que manifestaban una encefalopatía espongiforme,
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denominada Kuru, transmitida por la práctica del canibalismo. La encefalopatía
espongiforme bovina o mal de las vacas locas se transmitió a los seres humanos por
carne de ganado infectado con tal afección.
En el genoma de los mamíferos existe un gen que codifica la proteína priónica
PrPc
que se expresa normalmente en varios tejidos, principalmente en neuronas del
sistema nervioso central. Este gen se encuentra en el hombre en el cromosoma 20. La
proteína PrPc, es una glicoproteína localizada preferentemente en el lado externo la
membrana de las neuronas.
La proteína prión infecciosa denominada PsPsc
(proteína del prion del scrapie)
presenta el mismo PM que la proteína PrPc
y se diferencia de ésta, en su plegamiento
erróneo respecto al de la proteína denominada PrPC. Ambas formas proteicas poseen
idéntica secuencia de aminoácidos y la única diferencia entre ellas es en su estructura
secundaria, es decir en la forma de plegamiento en ciertas regiones de la cadena
polipeptídica, lo que se traduce en un cambio en la estructura secundaria de la
proteína, de hélice alfa a hoja plegada β, dando como producto final un cambio
conformacional en la proteína (Figura 13).
Figura .13. Esquema de la proteína prion.
El suceso crítico en la patogénesis parece estar relacionado con un cambio
estructural que transforma a la PrPC en la PrP
Sc, el componente principal de las
partículas infecciosas. Se propone que la forma alterada de la proteína PsPsc
, adquiere
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la capacidad de transformar la forma normal en patológica. La patología se manifiesta
probablemente por la acumulación de la proteína anormal.
La proteína celular madura, purificada en su forma nativa, tiene una estructura
secundaria compuesta por un 43% de α-hélice y un 3% de lámina β. Por el contrario,
estudios espectroscópicos permitieron establecer que la estructura secundaria de la
PrPSc
contiene un 43 % de lámina β lo que le confiere la capacidad de formar
agregados proteicos.
Plásmidos
Los plásmidos son moléculas de ADN extracromosómico circular que se
replican y transcriben independientes del ADN cromosómico. Están presentes
normalmente en bacterias, y en algunas ocasiones en organismos eucariotas como las
levaduras. Cada bacteria puede tener uno o varios plásmidos a la vez.
Las moléculas de ADN plasmídico, adoptan una conformación tipo doble hélice
al igual que el ADN de los cromosomas. (Figuras 14 y 15). A diferencia del ADN
cromosomal, los plásmidos no tienen proteínas asociadas. Se han encontrado
plásmidos en casi todas las bacterias.
Figura 14. Plásmido.
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A B
Figura15. A. Plásmidos. B. Conjugación
El tipo de genes que portan los plásmidos es variado, tratándose generalmente
de genes que aportan ventajas adaptativas a la bacteria que los porta: genes de
resistencia a antibióticos, genes de producción de sustancias tóxicas para otras
bacterias o genes que codifican enzimas útiles para degradar sustancias químicas
Algunos plásmidos tienen la capacidad de insertarse en el cromosoma
bacteriano. Estos rompen momentáneamente el cromosoma y se sitúan en su interior,
con lo cual, automáticamente la maquinaria celular también reproduce el plásmido.
Cuando ese plásmido se ha insertado se les da el nombre de episoma.
Los plásmidos son herramientas muy útiles en ingeniería genética para la
transformación génica y la manipulación genética de procariotas y eucariotas. Esto se
debe a su capacidad de reproducirse de manera independiente del ADN cromosómico
y a la facilidad relativa de manipularlos e insertar nuevas secuencias génicas.
Los plásmidos empleados en ingeniería genética se llaman vectores después
que se les ha insertado el gen de interés. Son muy útiles para sintetizar proteínas con
fines investigativos, mediante un procedimiento conocido como transformación, que
permite la transferencia del ADN plasmídico a las bacterias para su amplificación. El
proceso de transformación comienza con la selección de un plásmido adecuado, en el
que se introduce el gen que se quiere expresar, con protocolos específicos que usan
enzimas de restricción y DNA ligasa. Se formarán colonias a partir de las bacterias
que hayan incorporado la construcción de DNA.
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En la actualidad los avances en biotecnología han permitido introducir
exitosamente vectores recombinantes en levaduras (que son organismos eucariotas).
La expresión de los genes contenidos en estos vectores ha dado lugar a la producción
de gran cantidad de proteínas recombinantes con fines terapéuticos (Figuras 16 y 17).
Figura 16. Plásmido recombinante.
Figura 17: Acción de las enzimas de restricción y ADN ligasa en la producción de un plásmido
recombinante.
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La insulina humana fue la primera molécula de uso terapéutico obtenida
mediante ingeniería genética. Actualmente la proteína recombinante obtenida es
idéntica a la humana, lo que ofrece una alternativa de tratamiento para la diabetes
(Fig. 18).
Figura 18. Producción de insulina recombinante.
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Actividad Control 2: Lea el material, identifique las palabras desconocidos y
busca su significado en el diccionario. Asegúrate de comprender el material
antes de realizar las siguientes actividades.
1. Elabore un cuadro donde establezca las diferencias estructurales entre
las células procariotas y eucariotas.
2. Escriba las semejanzas estructurales entre las células procariotas y
eucariotas.
3. Elabore un esquema en el cual se muestre los dos tipos de infecciones
virales y sus características.
4. Describa la diferencia entre los priones PrPc y la PrPsc.
5. Elabore un cuadro comparativo donde establezca las diferencias y las
semejanzas entre un plásmido y el ADN cromosómico.
6. Explique el procedimiento de transformación.
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REPRODUCCIÓN CELULAR
Las células se reproducen por división, proceso que permite la distribución del
contenido de una célula “madre” en sus células “hijas”.
Los animales crecen a partir de ovocitos provenientes de los ovarios de la
madre. La fecundación de un ovocito por el espermatozoide, produce un cigoto que
posee las instrucciones para construir el cuerpo humano que contiene alrededor de
100 billones de células.
El desarrollo comienza con la división del óvulo fecundado en dos, cuatro y
luego ocho células que forman la fase temprana del embrión. La proliferación
continúa y luego, la diferenciación en distintos tipos de células, dan lugar a cada
tejido de nuestro cuerpo (Figura 19).
MES 1 MES 2
Figura 19. División del óvulo fecundado.
La proliferación celular es el incremento del número de células por división
celular. Este proceso es más activo durante la embriogénesis y en un organismo es
fundamental para la regeneración de tejidos dañados o envejecidos. La diferenciación
celular, se refiere a cambios morfológicos y funcionales de la célula, hacia un estado
más especializado.
La regulación de la proliferación y diferenciación celular, es el resultado de la
interacción entre programas endógenos de expresión génica y señales externas
proporcionadas por hormonas, factores de crecimiento y, por contactos célula-célula.
La integración de estas señales determina que la célula prolifere, se diferencie o sufra
un proceso de muerte celular programada o apoptosis.
La apoptosis, es fundamental en el desarrollo y remodelación de tejidos y
órganos, en la remodelación durante el desarrollo embrionario. Un ejemplo puede ser
Unidad I. Niveles de Organización Bióticos
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la eliminación de las zonas interdigitales, durante la formación de los dedos (Figura
20).
Figura 20. Eliminación de las zonas interdigitales mediante mecanismos que implican apoptosis.
Una célula inicial, el óvulo fecundado (cigoto), genera cientos de diferentes
clases de células que difieren en contenido, forma, tamaño, movilidad y composición.
Así mismo, las células regulan la proliferación de otras, para asegurar que los órganos
y tejidos crezcan en equilibrio y mantengan la arquitectura corporal.
La reproducción celular está supervisada por determinados sistemas de control
extremadamente rigurosos. Para que una célula se divida en dos células hijas
idénticas, se necesita la participación de una gran cantidad de moléculas como
proteínas, enzimas, factores de crecimiento y genes que se activan y desactivan con
precisión. La integración coordinada de estas señales reguladoras del crecimiento
celular, deciden si la célula debe o no pasar a través del ciclo celular.
El tipo de reproducción más simple implica la división de una célula
“progenitora” en dos células “hijas” idénticas. Esto ocurre como parte del ciclo
celular, que incluye la interfase, compuesta de una serie de acontecimientos para
preparar a la célula para dividirse, en el proceso de división denominado mitosis.
CICLO CELULAR
El ciclo celular eucariota suele representarse en cuatro fases, que ocurren de
forma sucesiva en un tiempo que varía de 30 minutos en células embrionarias
tempranas hasta 24 horas, según el tipo de célula y el estadio de desarrollo (Figura
21).
Unidad I. Niveles de Organización Bióticos
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Figura 21. Ciclo celular.
Durante la interfase que comprende G1, S y G2, la célula duplica
aproximadamente su masa. Durante la fase S, se duplica el ADN y los cromosomas
replicados se separan durante la fase mitótica (M), de tal manera que durante la
división celular, cada célula hija, tendrá una copia de cada cromosoma y el
citoplasma se divide aproximadamente a la mitad en la mayoría de los casos. Las
fases S y M están separadas por las fases G1 y G2. La tasa de síntesis de ARN y
proteínas es activa durante la interfase. Durante G1, la célula crece, en G2 prosigue su
crecimiento y se sintetizan proteínas en preparación para la mitosis.
La cantidad de ADN de las células varía en las diferentes etapas del Ciclo
Celular. Las células humanas en G1 son diploides contienen dos copias de cada
cromosoma; es decir, 46 cromosomas por célula y el contenido de ADN por célula es
2n. Luego de la duplicación del ADN en la fase S la célula es 4n de ADN, éste
contenido de ADN se mantiene en las células durante G2. Al finalizar la mitosis el
contenido de ADN se reduce a 2n por célula, concluida la citocinesis. Cada célula
hija tendrá 46 cromosomas al igual que la célula madre.
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En los organismos multicelulares, el control preciso del ciclo celular durante el
desarrollo y el crecimiento es crítico para la generación de los diferentes tipos de
células de cada tejido. La progresión de las células a través del ciclo celular se regula
por señales extracelulares del medio, así como por señales internas que supervisan y
coordinan los diversos procesos que tienen lugar durante las diferentes fases del ciclo
celular.
La regulación del ciclo celular por señales extracelulares lo proporciona el
efecto de los factores de crecimiento sobre la proliferación de las células animales
(Figura 22).
Figura 22. Regulación del ciclo celular.
Además, diversos procesos celulares como el crecimiento celular, la replicación
del ADN y la mitosis han de coordinarse durante el transcurso del ciclo celular. Esto
se consigue mediante una serie de puntos de control que regulan la progresión a
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través de diferentes fases del ciclo celular; tales mecanismos serán ampliados en el
desarrollo de la asignatura Biología Celular.
La duplicación del ADN es controlada por una red compleja de vías de
señalización que integran señales extracelulares relacionadas con la identidad y el
número de células vecinas y, señales intracelulares sobre el tamaño de la célula y el
programa de desarrollo. Las células más diferenciadas abandonan el ciclo celular
durante G1 y, entran en estado G0. Por ejemplo, algunas células diferenciadas como
los fibroblastos y los linfocitos pueden estimularse para que reingresen al ciclo
celular. La proliferación de los fibroblastos se activa por el factor de crecimiento
derivado de las plaquetas, que es liberado por las plaquetas de la sangre durante la
coagulación sanguínea y actúa como señal para la proliferación de los fibroblastos en
la proximidad del tejido dañado.
Sin embargo, muchas células post-mitóticas diferenciadas nunca vuelven a
entrar al ciclo celular para reproducirse de nuevo. Los mecanismos de control del
ciclo celular que operan en células eucariotas serán abordados en la asignatura
Biología Celular.
Reproducción Celular
Mitosis
Las células se reproducen duplicando su contenido y luego dividiéndose en
dos. El ciclo de división es el medio fundamental a través del cual todos los seres
vivos se propagan.
En especies unicelulares como las bacterias y las levaduras, cada división de
la célula única produce un nuevo organismo. En especies pluricelulares se requieren
muchas secuencias de divisiones celulares para crear un nuevo individuo; la división
celular también es necesaria en el cuerpo adulto para reemplazar las células perdidas
por desgaste, deterioro o por muerte celular programada.
En el organismo humano, distinguimos dos estirpes de células, las germinales
y las somáticas. Las gónadas tienen células germinales implicadas en la producción
de gametos; el resto de células del organismo, se conocen como somáticas. Las
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células primordiales germinales, llamadas espermatogonias y oogonias, proliferan por
división mitótica. Estas células crecen y se transforman en espermatocitos primarios y
oocitos primarios, respectivamente que pueden entrar en meiosis y dar origen a los
gametos (espermatozoos y oocitos), células haploides, con 23 cromosomas. A
diferencia de las células germinales, las somáticas se dividen sólo mediante la mitosis
y las células resultantes, al igual que las madres son diploides; es decir, poseen 46
cromosomas.
En la mitosis, los cromosomas replicados se separan y se reparten de manera
uniforme en las células hijas. La mitosis se divide en cuatro etapas: profase.
metafase, anafase y telofase, cada una, caracterizada por una serie particular de
acontecimientos, donde cada etapa corresponde a una parte de un proceso continuo
(Figuras 23 y 24).
Figura 23. Fases de la mitosis
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Figura 24. Representación esquemática de las fases de las mitosis.
Entre los procesos básicos de la mitosis se encuentran la condensación de los
cromosomas, formación del huso mitótico o aparato mitótico, unión de los
cromosomas a los microtúbulos del huso, separación de las cromátidas hermanas,
migración de cromosomas a los polos opuestos y formación de los núcleos de las
células hijas.
Durante la mitosis, en células eucariotas, se forma de manera temporaria el
aparato mitótico que cambia de forma. Esta estructura se especializa en la captura de
los cromosomas, separación y tracción hacia sitios opuestos de la célula en división.
El aparato mitótico, en metafase, consiste en un haz central de microtúbulos con
simetría bilateral con una forma global similar a una pelota de rugby (huso mitótico)
y dos haces de microtúbulos astrales (ásteres), localizados en cada polo. Los
microtúbulos que componen el huso comprenden los microtúbulos cinetocóricos
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que se unen a .los cromosomas en sitios especializados llamados cinetocoros; los
microtúbulos polares que no interactúan con los cromosomas, éstos, parten de los
polos y, se superponen los microtúbulos polares de polos opuestos y los
microtúbulos astrales antes mencionados (Figura 25).
Figura 25. Microtúbulos del aparato mitótico.
El ensamblaje del aparato mitótico depende de la duplicación del centrosoma,
estructura que contiene dos centriolos, rodeados de una matriz proteica, y del
movimiento de los centrosomas hacia las mitades opuestas de la célula (Figura 26).
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Figura 26. Duplicación del centríolo.
El movimiento del centrosoma hacia los polos celulares, conocido como ciclo
del centriolo se representa en la Figura 27.
Figura 27. Ciclo del centríolo.
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Durante G1, se duplica el centrosoma. Al llegar a G2, los dos centriolos ¨hijos¨,
alcanzan su longitud completa y al comienzo de la mitosis los dos pares se separan y
migran hacia lados opuestos del núcleo, estableciendo la bipolaridad de la célula en
división.
Durante el desplazamiento de los centrosomas hacia los polos, los microtúbulos
cinetocóricos captan los cromosomas, hacen una pausa durante la metafase y, durante
la anafase, continúan su movimiento hacia los polos de la célula, donde liberan los
cromosomas. Al finalizar el ciclo de división los microtúbulos del huso se
reorganizan en una red citoplasmática que forma los microtúbulos citosólicos en la
célula en interfase.
En profase, los centrosomas comienzan a acercarse a los polos opuestos de la
célula, los cromosomas comienzan a condensarse y toman el aspecto de hilos largos,
tal como se aprecia en la Figura 28.
Figura 28. Profase.
Conforme avanza la profase, los cromosomas se van condensando y cada
cromosoma aparece compuesto por dos cromátidas hermanas unidas en una región
estrecha, el centrómero, secuencia de ADN a la que se unen proteínas formando el
cinetocoro (lugar de anclaje de los microtúbulos del huso). Cada cromátida contiene
una molécula de ADN y cada cromosoma doble contiene dos moléculas de ADN,
producto de la duplicación del ADN en la fase S del ciclo celular (Figura 29).
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Figura 29. Cromosoma compuesto por dos cromátidas.
Una vez finalizada la profase, la célula entra en prometafase donde la
membrana nuclear se fragmenta en vesículas pequeñas, los cromosomas completan su
condensación, cada cromosoma está compuesto de dos cromátidas unidas por
centrómeros. La ruptura de la envoltura nuclear, permite a los microtúbulos de polos
opuestos unirse a los cinetocoros localizados en lados opuestos del cromosoma,
comienza el movimiento de los cromosomas que caracteriza a la prometafase y se
desplazan hacia la mitad del huso, quedando alineados en la placa metafásica,
momento en que la célula ha alcanzado la metafase. Esta fase se caracteriza por la
alineación de los cromosomas en el plano ecuatorial (Figura 30).
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Figura 30. Cromosomas alineados en la placa metafísica.
La transición de metafase a anafase, viene dada por la ruptura de la unión entre
las cromátidas hermanas, separación y migración de los cromosomas sencillos a los
polos opuestos del huso. La anafase comprende dos etapas, la anafase A y la
anafase B. La anafase A se caracteriza por el acortamiento de los microtúbulos
cinetocóricos cuyos extremos se unen a los cromosomas atrayéndolos hacia los polos.
En la anafase B, los dos polos de la célula se separan aun más, arrastrando a los
cromosomas unidos a ellos (Figura 31).
Figura 31. Anafase.
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La mitosis finaliza con la telofase, donde las envolturas nucleares se forman
nuevamente alrededor de los núcleos hijos y los cromosomas se descondensan
(Figura 32). La citocinesis, normalmente comienza durante la anafase y se completa
al final de la telofase, dando lugar a las células hijas en interfase. El mecanismo de
citocinesis viene dado por un anillo contráctil de filamentos de actina y miosina que
se forma debajo de la membrana plasmática y permite que la célula se estrangule y
divida en dos (Figuras 33, 34). Después de la separación las células hijas entran en el
estadio G1. Analizar las fases de la mitosis en la figura 35.
Figura 31. Anafase
Figura 32. Telofase
Figura 32: Telofase.
Figura 33: Citocinesis.
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Fases del ciclo celular : meristemo radicular de cebolla
Interfase Profase Metafase Anafase
Temprana
Anafase Tardía Telofase temprana
Telofase tardía Dos células
Figura 35: Fases de la mitosis
Figura 34: Citocinesis. Anillo contráctil
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Actividad Control 3:
1. Elabore un diagrama de flujo donde se encuentren representadas las diferentes
fases que conforman el ciclo celular y describa las características de cada una
de ellas.
2. Elabore un cuadro sinóptico que contenga las diferentes fases que conforman la
mitosis, especificando las características de cada una de ellas.
3. Realice un dibujo del huso mitótico, indicando cada uno de sus componentes.
4. Explique en qué consiste la citocinesis.
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MEIOSIS
A diferencia de la mitosis, la meiosis supone la división de una célula
progenitora diploide en una progenie haploide La meiosis genera células germinales
haploides (óvulos y espermatozoides) que luego pueden fusionarse para generar el
cigoto diploide (Figura 36).
Las células pre-meióticas tienen dos copias de cada cromosoma (2n), una
derivada del padre y una derivada de la madre. Todos los cromosomas se replican
durante la fase S antes de la primera división meiótica, produciendo un complemento
cromosómico 4n. A esta sola replicación de ADN, siguen dos divisiones celulares
denominadas meiosis I y meiosis II.
El entrecruzamiento (crossing over) de las cromátidas tiene lugar en la profase
I, permitiendo la recombinación entre los cromosomas paternos. Esto incrementa la
diversidad genética entre los individuos de una especie. Durante la meiosis I, ambas
cromátidas se separan hacia los polos opuestos del huso y cada célula hija producto
de esta primera división tendrá 23 cromosomas, cada uno con dos cromátidas.
Durante la meiosis II, que se parece a la mitosis, las cromátidas de un
cromosoma migran hacia los polos opuestos, lo que genera células germinales
haploides. La meiosis genera cuatro células germinales haploides a partir de una
célula diploide premeiótica.
En la profase de la primera división meiótica conforme los cromosomas se
condensan, los cromosomas homólogos se aparean estrechamente, proceso conocido
como sinapsis, y ocurre intercambio de material genético entre las cromátidas
homólogas o entrecruzamiento (figura 37). Durante este proceso, las moléculas de
ADN se acortan y los fragmentos se vuelven a unir para dar nuevas combinaciones
(recombinación). Los cromosomas homólogos se separan, pero permanecen unidos
en puntos denominados quiasmas. Por lo general, los quiasmas se localizan en los
sitios del cromosoma donde ocurre intercambio genético, durante el entrecruzamiento
previo.
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En la metafase de la primera división meiótica, ambas cromátidas de un
cromosoma se asocian con microtúbulos que provienen de un mismo polo del huso,
pero cada miembro de un par de cromosomas homólogos se asocia con microtúbulos
de polos opuestos.
Durante la anafase de la meiosis I, los cromosomas homólogos, cada uno con dos
cromátidas es traccionado hacia polos opuestos del huso. La citocinesis produce dos
células hijas que entran en la meiosis II, sin duplicar el ADN.
En la metafase de la meiosis II, las cromátidas que componen cada uno de los
cromosomas se asocian a microtúbulos del huso provenientes de polos opuestos como
sucede en mitosis.
La separación de las cromátidas a polos opuestos durante la segunda anafase
meiótica, seguida de citocinesis, genera células germinales haploides.
Figura 36: División meiótica
Figura 37: Sinapsis y entrecruzamiento de cromosomas
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Actividad Control 4: Una vez estudiado el material y observado el video de meiosis,
realice las siguientes actividades:
1.- Escriba las diferencias que observó entre la primera y la segunda división meiótica.
2.- Complete los espacios vacíos de la siguiente tabla:
CARACTERISTICAS MEIOSIS I MEIOSIS II
Cantidad de cromosomas
en células iniciales.
Total de células resultantes.
Tipos de células resultantes
(haploides, diploides)
Recombinación genética
Cantidad de cromatidas
presentes en los
cromosomas que migran
hacia los polos celulares
durante la anafase I.
3.- Escriba tres semejanzas entre la mitosis y la meiosis.
4.- Escriba tres diferencias entre la mitosis y la meiosis.
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BIBLIOGRAFIA
Boyer, Rodney. (2000). Conceptos en Bioquímica. México: Internacional Thomson
Editores.
Casanova Peñuela, María del P. (2006). Investiguemos II Biología. Caracas:
Editorial Excelencia C. A.
Cooper, Geoffrey M. y Hausman Robert E. (2008). La célula. (4ª ed.). Madrid:
Marbán libros S. L.
Herrera, Emilio (Comp.). (1991). Bioquímica. Aspectos estructurales y vías
metabólicas. (2ª ed.). Madrid: Interamericana McGraw-Hill.
Nelson, David; Cox, Michael M.; Lehninger, Albert L. (2005). Lehninger.
Principios de Bioquímica. (4ª ed.). Madrid: Omega.
Proverbio, Fulgencio y Marín, Reinaldo. (2002). Biología 8vo. Caracas: Santillana
Proverbio, Fulgencio y Marín, Reinaldo. (2008). Biología 9no. Caracas: Santillana.
Teixeira, José M. (2004). Ciencias Biológicas Ciclo Diversificado 2. Caracas: Librería
Editorial Salesiana S. A.