4.1 ORIGEN
DE LA CÉLULA Y TEORÍA GENÉTICA
Célula, es una palabra muy sencilla pero con un
gran significado en la historia de la biología. En 1665, el científico inglés
Robert Hooke, utilizando un microscopio primitivo, observó en un pedazo de
corcho muy delgado pequeñas celdas a las cuales llamó células, hasta este
momento dichas celdas no se relacionaban con la vida de las plantas, sino con el
almacenamiento de ciertos "jugos". Desde aquí el microscopio comenzó
a ser una herramienta esencial en el ámbito científico de la época y en el
desarrollo de la biología en general.
Luego, muchos otros científicos en otros países
durante diecisiete décadas y utilizando el microscopio, lograron perfeccionar
el diseño de este instrumento lo que permitió una mejor visualización de las
células.
Reseña histórica de la teoría celular:
ROBERT
HOOKE (1665) Con sus observaciones postuló el nombre célula para
referirse a los compartimentos que encontró en un pedazo de corcho, al observar
al microscopio
ANTON
VAN LEEUWENHOEK (1673), Realizó observaciones de microorganismos de
charcas, eritrocitos humanos, espermatozoides. THEODOR SCHWANN (1839). Postuló el primer concepto sobre la teoría
celular.
Las células son las partes elementales tanto de
plantas como de animales.
RUDOLF
VIRCHOW (1850). Escribió: "Cada animal es la suma de sus
unidades vitales, cada una de las cuales contiene todas las características de
la vida. Todas las células provienen de otras células"
Los postulados que definen como tal la teoría
celular son: Todos y cada uno de los organismos vivos están constituidos por
una (unicelulares) o más células (multicelulares).
4.2 CARACTERÍSTICAS
GENERALES DE LA CÉLULA Y PROCESOS METABÓLICOS
Organización
estructural de las células
Con el desarrollo de la microscopía, en 1937
Chatton propuso dos términos para designar las clases de células presentes en la
naturaleza: células procarióticas y células eucarióticas. Estos términos tienen
significado etimológico (pro = antes, karyon = núcleo, eu = verdadero), debido
a la estructura que presentaban las células al observarse con detenimiento al
microscopio.
estructura celular eucariòtica estructura celular
procariòtica
Los dos tipos de células muestran algunas
características similares, tales como:
Poseen un lenguaje genético idéntico.
Ambas tienen rutas metabólicas comunes.
Presentan estructuras similares en algunos de sus
componentes. Ej: la membrana celular, la cual funciona como una barrera de
permeabilidad selectiva.
Ambos tipos de células pueden estar rodeados por
pared celular que proporciona rigidez a las células sin embargo, su composición
es diferente.
Los dos tipos celulares tienen una región nuclear
donde está el material genético rodeado por el citoplasma. En las procarióticas
se caracteriza como un nucleoide sin envoltura, mientras que en las
eucarióticas dicha región siempre se encuentra separada de citoplasma por la
envoltura nuclear.
Pero también presentan muchas características que
las diferencian y por las cuales se genera la división, entre ellas:
Característica:
procariotas; eucarióticas
Tamaño
celular: 1 a 10 mm de diámetro, 10 a 100 mm de diámetro
Material
genético: Adherido a la membrana plasmática y concentrado en
una región denominada Nucleoide Presente en un núcleo rodeado por una envoltura
Cromosomas: Único,
generalmente circular y sin proteínas Muchos, lineales y con proteínas (histonas
y no histonas)
ADN: 0.25mm -3mm de longitud pares de bases
Citoplasma: En
gran medida indiferenciado.
Contiene una gran cantidad de estructuras, llamadas
organelos subcelulares algunos de ellos con unidad de membrana.
Organelos
subcelulares: Ribosomas: Carente de sistema de citomembranas.
Ribosomas, Sistema de citomembranas (mitocondrias,
cloroplastos, retículo endoplasmático, aparato de golgi, vacuolas, lisosomas,
citoesqueleto)
Pared
celular: Constituido por peptidoglicanos. Excepto en arquea
y micoplasmas.
Compuesta principalmete por celulosa, en algunos
casos presenta lignina, pectina. Excepto células animales.
Movilidad: Flagelos
constituidos por flagelina Cilios y flagelos constituidos por tubulina con
organización 9+2.
Eucariotas
y procariotas: Por su estructura se distinguen dos tipos de
células: procarióticas y eucarióticas:
Procarióticas. Muy
simples y primitivas. Apenas tienen estructuras en su interior. Se caracterizan
por no tener un núcleo propiamente dicho; esto es, no tienen el material
genético envuelto en una membrana y separado del resto del citoplasma. Además,
su ADN no está asociado a ciertas proteínas como las histonas y está formando
un único cromosoma. Son procariotas, entre otras: las bacterias y las
cianofíceas.
Eucarióticas: Células
características del resto de los organismos unicelulares y pluricelulares,
animales y vegetales. Su estructura es más evolucionada y compleja que la de
los procariotas. Tienen orgánulos celulares y un núcleo verdadero separado del
citoplasma por una envoltura nuclear. Su ADN está asociado a proteínas
(histonas y otras) y estructurado en numerosos cromosomas.
Estructura
general de la célula eucariótica: En toda célula
eucariótica vamos a poder distinguir la siguiente estructura:
- Membrana plasmática
- Citoplasma
- Núcleo
El aspecto de la célula es diferente según se
observe al microscopio óptico (MO) o al electrónico (MET). Al MO observaremos
la estructura celular y al MET la ultraestructura.
Diferencias
entre las células vegetales y animales
Por lo general las células vegetales son de mayor
tamaño que las animales, tienen plastos y están envueltas en una gruesa pared
celular, también llamada pared celulósica o membrana de secreción. Sus vacuolas
son de gran tamaño y no tienen centriolos.
Orgánelos
de la célula:
Célula
animal:
1 Membrana plasmática
2 Retículo endoplasmático granular
3 Retículo endoplasmático liso
4 Aparato de Golgi
5 Mitocondria
6 Núcleo
7 Ribosomas
8 Centrosoma (Centriolos)
9 Lisosomas
10 Microtúbulos (citoesqueleto)
CÉLULA
VEGETAL
1 Membrana plasmática
2 Retículo endoplasmático granular
3 Retículo endoplasmático liso
4 Aparato de Golgi
5 Mitocondria
6 Núcleo
7 Ribosomas
8 Cloroplasto
9 Pared celulósica
10 Vacuola
Breve
descripción de la estructura y función de los orgánulos celulares
Membrana
Membrana plasmática: Delgada lámina que recubre la
célula. Está formada por lípidos, proteínas y oligosacáridos. Regula los
intercambios entre la célula y el exterior.
Pared celular: Gruesa capa que recubre las células
vegetales. Está formada por celulosa y otras sustancias. Su función es la de
proteger la célula vegetal de las alteraciones de la presión osmótica.
Citoplasma
Hialoplasma: Es el citoplasma desprovisto de los
orgánulos. Se trata de un medio de reacción en el que se realizan importantes
reacciones celulares, por ejemplo: la síntesis de proteínas y la glicolisis. Contiene
los microtúbulos y microfilamentos que forman el esqueleto celular.
Retículo endoplasmático: Red de membranas
intracitoplasmática que separan compartimen-tos en el citoplasma. Ahí dos
clases: granular y liso. Sus funciones son: síntesis de oligosacáridos y
maduración y transporte de glicoproteínas y proteínas de membrana.
Ribosomas: Pequeños gránulos presentes en el
citoplasma, también adheridos al retículo endoplasmático granular. Intervienen
en los procesos de síntesis de proteínas en el hialoplasma.
Aparato de Golgi: Sistema de membranas similar, en
cierto modo, al retículo pero sin ribosomas. Sirve para sintetizar, transportar
y empaquetar determinadas sustancias elaboradas por la célula y destinadas a
ser almacenadas o a la exportación.
Lisosomas: Vesículas que contienen enzimas
digestivas. Intervienen en los procesos de degradación de sustancias.
Vacuolas: Estructuras en forma de grandes
vesículas. Almacenamiento de sustancias.
Mitocondrias: En ellas se extrae la energía química
contenida en las sustancias orgánicas (ciclo de Krebs y cadena respiratoria).
Centrosoma: Interviene en los procesos de división
celular y en el movimiento celular por cilios y flagelos.
Plastos: Orgánulos característicos de las células
vegetales. En los cloroplastos se realiza la fotosíntesis.
Núcleo
Contiene la información celular.
Nucleoplasma: En él se realizan las funciones de
replicación y transcripción de la información celular. Esto es, la síntesis de
ADN y ARN.
Nucléolo: Síntesis del ARN de los ribosomas.
Envoltura nuclear: Por sus poros se realizan los
intercambios de sustancias entre el núcleo y el hialoplasma.
Postulados de la teoría celular
Los postulados de la teoría celular de nuestra
época incluyen las ideas expuestas por los mencionados investigadores:
1. Todos los seres vivos están compuestos de
células y productos celulares.
2. Sólo se forman células nuevas a partir de
células preexistentes.
3. Todas las células actuales son descendientes de
células ancestrales.
Concepto actual de célula
La célula es la unidad más pequeña de materia viva,
capaz de llevar a cabo todas las actividades necesarias para el mantenimiento
de la vida. Tiene todos los componentes físicos y químicos necesarios para su
propio mantenimiento, crecimiento y reproducción.
CARACTERISTICAS GENERALES DE LA CELULA.
Pese a las muchas diferencias de aspecto y función,
todas las células están envueltas en una membrana —llamada membrana plasmática—
que encierra una sustancia rica en agua llamada citoplasma. En el interior de
las células tienen lugar numerosas reacciones químicas que les permiten crecer,
producir energía y eliminar residuos. El conjunto de estas reacciones se llama
metabolismo (término que proviene de una palabra griega que significa cambio).
Todas las células contienen información hereditaria codificada en moléculas de
ácido desoxirribonucleico (ADN); esta información dirige la actividad de la
célula y asegura la reproducción y el paso de los caracteres a la descendencia.
Estas y otras numerosas similitudes (entre ellas muchas moléculas idénticas o
casi idénticas) demuestran que hay una relación evolutiva entre las células
actuales y las primeras que aparecieron sobre la Tierra.
Hay 2 tipos de células:
Eucariotas
1-Nucléolo 2- Núcleo 3-Ribosoma 4-Vesícula 5-R.E.R.
6-Aparato de Golgi 7-Citoesqueleto 8-R.E.L. 9-Mitocondria 10-Vacuola
11-Citoplasma 12-Lisososoma 13-Centriolos
Procariotas
Fisiología celular:
1).- RELACION: Esta función permite la interacción
con el medio ambiente, y se basa en movimientos internos (ciclosis) o externos
(tropismos, taxismos).
Ciclosis: Movimiento circulatorio que se produce en
el citoplasma por cambios de estado y por acción del citoesqueleto ante
estímulos externos.
Tropismos: Son movimientos de orientación en el
crecimiento de las células vegetales hacia o en contra de un estímulo externo
(Ej: fototropismo positivo en hojas y negativo en raíces).
Taxismos: Son movimientos de traslación de células
animales producido por cilias, flagelos o ameboidales como respuesta a
estímulos.
2).- REPRODUCCIÓN: Es la propiedad de engendrar
organismos similares o iguales asegurando la supervivencia de la especie. Puede
ser por mitosis (la célula madre origina 2 células con igual número de
cromosomas) o por meiosis (la célula madre origina 4 células con la mitad del
número cromosómico).
3).- NUTRICIÓN:Es un conjunto de funciones para
obtener materiay energía por intercambio con el ambiente. En heterótrofos, las
funciones son: ingestión, digestión, asimilación, excreción, respiración y
circulación. En autótrofos, son: fotosíntesis, respiración y circulación.
Heterótrofos:
A. Ingestión: La célula incorpora materia por
endocitosis, y se forma una vacuola alimenticia.
B. Digestión: Un lisosoma primario se acerca a la
vacuola alimenticia, se fusionan sus membranas, y se forma un lisosoma
secundario. Allí las enzimas digestivas desdoblan las moléculas complejas en
simples.
C. Circulación: Por la digestión, las proteínasse
desdoblan en aminoácidos, los lípidos en ácidosgrasos y los hidratos de carbono
en monosacáridos. Las moléculas simples ya pueden ser asimiladas, y para ello
deben circular por medio de la ciclosis.
D. Excreción: Las sustancias no asimilables se
acumulan en vacuolas o se fusionan con la membrana plasmática, y por exocitosis
expulsan su contenido.
E. Respiración: Se produce gracias a la materia y
energía obtenidas de los alimentos digeridos. Es el proceso por el cual la
glucosaes oxidada CO2 y H2O en presencia de O2, con liberación de energía.
Comprende 3 etapas:
Glucósis: Se realiza en el citoplasma donde hay
enzimas que degradan parcialmente la glucosa, liberando energía (ATP).
Ciclo de Krebs: Ocurre en la matriz mitocondrial
por una acción enzimática. Se produce liberación de CO2 y energía.
Cadena respiratoria: Se produce en las crestas
mitocondriales donde hay enzimas que forman la cadena respiratoria. Finalmente,
la glucosa es degradada totalmente.
Autótrofos:
A. Fase lumínica: La energía lumínica es captada
por la clorofila y transformada en energía química. La energía química se
almacena en compuestos como el ADP que al incorporar energía se transforma en
ATP. La energía del ATP se utiliza para romper la molécula de agua y separarla
en H2 y O2, proceso de hidrólisis. El O2 sale por los estomas y el H2 queda
detenido en un compuesto que actúa como aceptor de H2.
Fase oscura: Se utiliza la energía acumulada en el
ATP, el cual cede un ácido fosfórico y origina ADP, liberando energía. Los
aceptores ceden el H2 que se combina con el CO2 usando energía del ATP. Esa
combinación origina glucosa. Este proceso se llama ciclo de Calvin. A partir de
la glucosa se originan azúcares (almidón y sacarosa) o lípidos (que se acumulan
en oleoplastos) o proteínas (en proteoplastos). El transporte de estas
sustancias se realiza por el floema.
B. Fotosíntesis: Los vegetales elaboran glucosa a
partir de agua, sales CO2 y energía luminosa captada por la clorofila. Los
cloroplastos están formados por tres membranas los tilacoides se apilan
formando granas dentro de la matriz, y la clorofila está en la superficie
interna de los tilacoides. La fotosíntesis se realiza en el parénquima
clorofiliano de las plantas y consta de 2 etapas: lumínica (se realiza en los
tilacoides en presencia de luz) y oscura (no necesita luz y ocurre en la
matriz).
C. Circulación: Responde a la teoría tenso-ccheso-transpiratoria.
El aguaentra en la raíz por ósmosis, atraviesa la epidermis (rizodermis), pasa
al apénquima cortical, y luego entra en el xilema, que se encargará de
distribuir el agua las sales a toda la planta. Para que el agua ascienda
requiere de cohesión de sus moléculas que se unen formando columnas, las cuales
permanecen unidas e todo su recorrido por los vasos del xilema. Cuando la
planta transpira por los estomas, se genera un vacío temporario en los vasos
xilemáticos que sufren una tensión que hacen ascender la columna de agua. El
floema es otro tejido conductor compuesto por células vivas y paralelo al
xilema, que transporta la glucosa desde la hoja hasta el resto del vegetal
(camino adverso del xilema).
Mitosis
Es la división celular que consiste en que a partir
de una célula se obtienen 2 células hijas, genéticamente idénticas a la madre.
Se produce en cualquier célula eucarionte, ya sea diploide o haploide y como
mantiene invariable el número de cromosomas, las células hijas resultarán
diploides, si la madre era diploide o alploide. La división del citoplasma se
llama citocinesis, y la división del núcleo, cariocinesis. Algunas células no
realizan mitosis y permanencen en un estado interfásico, pero otras la realizan
frecuentemente (células embrionarias, células de zonas de crecimiento, células
de tejidos sujetos a desgaste.).
Función: crecimiento y desarrollo del organismo
multicelular, y la regeneración de tejidos expuestos a destrucción de células.
En unicelulares, cumple la función de reproducción asexual.
Cada mitosis está precedida por una interfase,
donde se produce la duplicación del material genético. Actúa como un mecanismo
que asegura que cada célula hija reciba la misma información genética.
Etapas: Profase, Prometafase, Metafase, Anafase y
Telofase.
1. PROFASE: La cromatina se condensa para formar
los cromosomas y los 2 centríolos migran a polos opuestos organizando un
sistema de microtóbulos (aparato mitótico) para permitir la migración de los
cromosomas. El aparato mitótico está constituído por:
• Centríolos: Están rodeadas por el centrosoma. A
medida que cada centríolo migra, tiene un hijo y cuando llega al polo se ven 2.
• Ásteres: Conjunto de microtóbulos cortos que se
extienden desde cada centríolo.
• Huso acromático: Tiene forma de ovoide y formado
por muchos microtóbulos sin ramificaciones.
Cada cromosoma está constituido por 2 cromátidas
unidas por el centrómero. La envoltura nuclear se desorganiza y sus fragmentos
no se distinguen del retículo endoplasmático. Desaparece el nucleolo.
1. PROMETAFASE: Los cromosomas condensados migran
hacia la placa ecuatorial del huso acromático.
2. METAFASE: Los cromosomas se alínean en el plano
ecuatorial, y cada uno están unido por su centrómero a una fibra del huso
acromático.
3. ANAFASE: Las 2 cromátides de cada cromosoma se
separan por fisión del centrómero y se dirigen hacia polos opuestos. El
movimiento de los cromosomas hijos hacia los polos se debe a un acortamiento de
las fibras cromosómicas y se alargan las fibras interzonales.
4. TELOFASE: El huso mitótico y los ásteres se
desorganizan. Alrededor de cada grupo cromosómico se organiza una envoltura
nuclear a partir del re´ticulo endoplasmático y de la envoltura original. Los
cromosomas se dispersan y retoman el aspecto de cromatina que tenían antes de
iniciarse la división. Los nucleolos reaparecen a partir de sus organizadores.
División en células vegetales:
• No hay centríolos ni ásteres pero se organiza el
huso acromático.
• Citocinesis: el citoplasma se divide mediante un
tabique, que se forma por la agrupación de microtóbulos y vescículas. Las
vescículas crecen, se ordenan y se funden entre sí originando la placa celular.
Finalmente se arman las paredes celulares a partir de celulosa, hemicelulosa y
pectina.
Meiosis
Es un proceso de reducción cromática por el que los
cromosomas se reducen a la mitad. En la meiosisI (etapa reduccionaria) se
reduce el número diploide de cromosomas a la mitad (haploide) pero aún los
cromosomas son dobles. En la meiosis II (etapa ecuacional) se mantiene el número
cromosómico haploide conseguido en la etapa anterior. Los cromosomas son
simples.
• Meiosis I: Está precedida por una interfase
durante la cual se duplica el materialo genético.
1. PROFASE I: La envoltura nuclear y el nucleolo se
desorganizan, los centríolos migran a polos oppuestos, duplicándose y se ordena
el huso acromáticop. Se divide en 5 etapas: Leptonema, Cigonema, Paquinema,
Diplonema y Diacinesis.
2. PROMETAFASE I: Los cromosomas migran al plano
ecuatorial de la célula.
3. METAFASE I: Los cromosomas se alinean en el
plano ecuatorial. Los 2 cromosomas del bivalente se unen por medio del
centrómero a la misma fibra del uso acromático.
4. ANAFASE I: Los 2 cromosomas homólogos unidos a
la misma fibra dek huso se repelen y migran a polos opuestos. Cada cromosoma
está formado por 2 cromatimas.
5. TELOFASE I: Cuando los cromosomas llegaron a los
polos, se desorganizan el huso acromático y los ásteres, se reprganizan la
envoltura nuclear y los nucleolos y se constituyen los núcleos hijos.
Citocinesis: Se produce simultáneamentye con la
telofase, y da como resultado 2 célula hijas con un número haploide de
cromosomas.
Intercinesis: Es un período que tiene lugar entre
la meiosis I y II y no se realiza duplicación del ADN.
• Meiosis II: Los procesos de esta división son
semejantes a los de una mitosis en una célula haploide.
1. PROFASE II: Se condensan los cromosomas, se
desintegran los nucleolos, los centríolos migran a los polos y se duplican,
formación del huso acromático y se desorganiza la envoltura nuclear.
2. PROMETAFASE II: Los cromosomas condensados
migran a la placa ecuatorial de la célula.
3. METAFASE II: Los cromosomas se alinean en la
placa ecuatorial, y cada cromosoma se une a una fibra del huso acromático.
4. ANAFASE II: Se fusiona el centrómero y se
separan las 2 cromátidas de cada cromosoma. Cada una migra a un polo diferente.
5. TELOFASE II: Los grupos cromosómicos llegan a
los polos, el huso acromático se desorganiza, se reorganizan la envoltura
nuclear y el nucleolo, se dispersan los cromosomas y se transforman en
cromatina.
Citocinesis: Separación de los citoplasmas de las
células hijas.
El proceso melótico parte de una célula diploide
que da como resultado 2 haploides, y a partir de éstas dos (melosis II) se
obtienen 4 haploides.
Melosis, variabilidad genética y evolución
La reproducción sexual introduce una importante
proporción de variaciones genéticas. Cuanto mayor sea la diversidad de gametas
formadas en cada progenitor, mayor será la probabilidad de originar
combinaciones diferentes por fecundación, y mayor será la diversidad de los
descendientes. Una célula diploide, con 2 pares de cromosomas homólogos,
originará por melosis 4 gametas haploides (uno de la madre y otro del padre).
En la Metafase I se va a determinar en qué sentido migrarán en la Anafase I.
Hay dos opciones:
1. Puede ocurrir que los 2 cromosomas paternos
migren juntos a un polo y los dos maternos al opuesto.
2. Puede ocurrir que migren al mismo polo el
cromosoma materno del par homólogo y el paterno del par homólogo. Los otros
cromosomas, migran al polo opuesto.
2. Materia viva y procesos.
Un ser vivo, también llamado organismo, es un
conjunto de átomos y moléculas que forman una estructura material muy
organizada y compleja, en la que intervienen sistemas de comunicación
molecular, que se relaciona con el ambiente con un intercambio de materia y
energía de una forma ordenada y que tiene la capacidad de desempeñar las
funciones básicas de la vida que son la nutrición, la relación y la
reproducción, de tal manera que los seres vivos actúan y funcionan por sí
mismos sin perder su nivel estructural hasta su muerte.1
La materia que compone los seres vivos está formada
en un 95% por cuatro bioelementos (átomos) que son el carbono, hidrógeno,
oxígeno y nitrógeno, a partir de los cuales se forman las biomoléculas:2 3
• Biomoléculas orgánicas o principios inmediatos:
glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
• Biomoléculas inorgánicas: agua, sales minerales y
gases.
Estas moléculas se repiten constantemente en todos
los seres vivos, por lo que el origen de la vida procede de un antecesor común,
pues sería muy improbable que hayan aparecido independientemente dos seres
vivos con las mismas moléculas orgánicas.4 5 Se han encontrado biomarcadores en
rocas con una antigüedad de hasta 3.500 millones de años, por lo que la vida
podría haber surgido sobre la Tierra hace 3.800-4.000 millones de años.6 7 8 9
Todos los seres vivos están constituidos por
células (véase teoría celular). En el interior de éstas se realizan las
secuencias de reacciones químicas, catalizadas por enzimas, necesarias para la
vida.
4.3 PROCESOS
FISIOLÓGICOS, TRANSPORTE MOLECULAR A TRAVÉS DE LA MEMBRANA
En biología celular se denomina transporte de
membrana biológica al conjunto de mecanismos que regulan el paso de solutos,
como iones y pequeñas moléculas, a través de membranas plasmáticas, esto es,
bicapas lipídicas que poseen proteínas embebidas en ellas. Dicha propiedad se
debe a la selectividad de membrana, una característica de las membranas
celulares que las faculta como agentes de separación específica de sustancias
de distinta índole química; es decir, la posibilidad de permitir la
permeabilidad de ciertas sustancias pero no de otras.
Los movimientos de casi todos los solutos a través
de la membrana están mediados por proteínas transportadoras de membrana, más o
menos especializadas en el transporte de moléculas concretas. Puesto que la
diversidad y fisiología de las distintas células de un organismo está
relacionada en buena medida con su capacidad de captar unos u otros elementos
externos, se postula que debe existir un acervo de proteínas transportadoras
específico para cada tipo celular y para cada momento fisiológico determinado;
dicha expresión diferencial se encuentra regulada mediante: la transcripción
diferencial de los genes codificantes para esas proteínas y su traducción, es
decir, mediante los mecanismos genético-moleculares, pero también a nivel de la
biología celular: dichas proteínas pueden requerir de activación mediada por
rutas de señalización celular, activación a nivel bioquímico o, incluso, de
localización en vesículas del citoplasma.
