TEMA 2: LA CÉLULA:

Concepto de Schleiden y Schwann: “La célula es la unidad anatómica y funcional de todo ser vivo”. 136

Brucke, en 1861, dijo que la célula es la unidad más elemental de vida. La célula por tanto, se nutre, se relaciona y se reproduce. La nutrición es el intercambio de energía con el medio. La relación es la capacidad de responder adecuadamente a los estímulos del medio. La reproducción es la capacidad de hacer copias de sí mismo.

Tanto en la organización procariota como en la eucariota hay una membrana plasmática (separa dos medios acuosos) y un citoplasma (laboratorio de la célulametabolismoenergía). El material hereditario (dirige la vida de la célula) se encuentra protegido por la membrana nuclear en las células eucariotas, y sin membrana en las procariotas.

TEORÍA CELULAR:

En el siglo XIX aparecen tres teorías importantes:

• Teoría química de la vida:

Todos los seres vivos están construidos por los mismos compuestos químicos y realizan las mismas reacciones químicas (salvando el nivel autótrofo/heterótrofo). Todos los seres vivos son laboratorios vivientes sometidos a las leyes de la física y de la química.

• Teoría celular:

En 1838 el botánico Schleiden dijo que todos los vegetales estaban formados por células. En 1839, Schwann dijo que todos los animales estaban constituidos por células. Como sólo se conocían dos reinos, dijeron que todos los seres vivos estaban formados por células. Ramón y Cajal fue el que generalizó la teoría celular, pues se decía que el sistema nervioso no estaba formado por células, y él demostró que si. Los puntos esenciales de la teoría celular son:

• Todo ser vivo esta formado por células

• La célula es la unidad anatómica y funcional de todo ser vivo

• Toda célula procede de otra célula, pues tiene autonomía genética y biosintética (se reproduce y pasa su material hereditario). “Omnis cellula e cellula” (Virrchow)

• Teoría de la evolución:

Los seres vivos actuales procedemos de otros más antiguos, llamados ancestros, por pequeños cambios (modificaciones o mutaciones) en el material hereditario. Hasta el siglo XIX, había una teoría llamada “fijismo”, que no admitía la evolución (Dios lo hizo todo bien). En el s. XIX, Lamarck dijo: “Frente al fijismo, transformismo”. El lamarckismo admitía la evolución. El darwinismo aportó el concepto de selección natural, “struggle for life” (lucha por la vida). La teoría actual o neodarwinismo aporta a la teoría de la evolución las fuentes de variabilidad genética: la mutación y la recombinación (factor mendeliano)

ORIGEN Y EVOLUCIÓN DE LAS CÉLULAS:

Dentro de la evolución, la parte menos conocida es la evolución de las células.

- Las células procariotas:

En las células procariotas, se acepta hoy la hipótesis de Oparín, que en su libro “Los orígenes de la vida” explica que hubo una evolución química en el caldo primitivo. Algunas moléculas inorgánicas se convirtieron en biomoléculas (moléculas orgánicas) en una atmósfera reductora (que favorece la polimerización e impide la hidrólisis). Las fuentes de energía son los volcanes, las tormentas, los elementos radioactivos, el sol, etc.

Entre las moléculas que se convirtieron en orgánicas, algunas formaron coacervados espontáneamente, dando lugar en esos compartimentos cerrados a las condiciones óptimas para que la biomolécula que quede dentro (Ej.:carbohidrato) se pueda reducir u oxidar (metabolismo). Si en vez de un carbohidrato queda una molécula de ARN (en un recipiente cerrado puede hacer una copia de sí mismo y además tiene función catalíticaribozima (actúa de enzima)da origen a la vida.

El primer ser vivo tendrá una organización procariota, será de ARN, heterótrofo, con capacidad de evolución, de nutrición, de relación y de reproducción. Recibe diversos nombres: progenote, protobionte, eubionte. Estos seres lo que más hacían era reproducirse, llegaron a ser muchos, y como el alimento escaseaba, algunos evolucionaron para obtener su alimento por sí mismos, gracias a la fotosíntesis anoxigénica, a partir del sol (expulsaban 2H S y 2HO ). Como eran muy venenosos, empezaron a realizar la fotosíntesis oxigénica, con lo cual la atmósfera reductora pasó poco a poco a ser oxidante, provocando una gran mortandad. Los seres que realizaban la fermentación (anaerobios) fueron sustituidos por otros que respiraban.

Dentro de esta evolución, el ARN (muy inestable) se fue convirtiendo en ADN.

- Las células eucariotas:

El origen de las células eucariotas se intenta explicar mediante la teoría endosimbiótica (Lynn Margulis). La teoría endosimbiótica explica como una célula procariota, que aumenta de volumen (de 1-10ð a 10-100ð), se transforma en urcariota y a lo largo de su historia va incorporando organismos procariotas. Si incorpora una arqueobacteria, pasa de ser haploide a ser diploide (tendrá dos cromosomas). Si introduce por endocitosis una bacteria aerobia la convierte en mitocondria, originando el reino animal. Si incorpora una bacteria que realiza la fotosíntesis la convierte en cloroplasto, originando el reino vegetal. Si incorpora una espiroqueta la convierte en flagelo. Por estos procesos se origina la célula eucariota, que ya tiene el material hereditario en un núcleo. 128

DIFERENTES MÉTODOS DE ESTUDIO DE LA CÉLULA:

La aplicación de los avances tecnológicos ha propiciado grandes mejoras en el conocimiento de la célula. La primera técnica que se utiliza es cómo separar las células, mediante un proceso mecánico que rompe la adhesión que hay entre ellas. Para estudiar las estructuras o los orgánulos hay que romper las células, sometiéndolas a una disolución hipotónica (entra H O y la célula revientahemólisis), o por ultrasonidos.

Una vez verificada la rotura de la célula, se separan los oragánulos por tamaño por centrifugación a alta velocidad o en gradiente de densidad. 143

A veces, se emplea la técnica de los cultivos celulares, que nos permiten conocer como responden esas células a los distintos estímulos, observarlas y analizar su composición química. Las condiciones o componentes de un cultivo típico de células son: (TODO ELLO EN AGUA)

• glucosa

• aminoácidos

• sales minerales

• vitaminas

• factores de crecimiento

Realizada la separación, el fraccionamiento y el cultivo, se utiliza para su estudio el microscopio óptico y el microscopio electrónico:

• Microscopio óptico:

Fue inventado en el siglo XVI por los Hnos. Janssen. Es un sistema constituido por dos lentes; una la llamada ocular y otra el objetivo. El poder resolutivo es el producto de las dos. Utiliza la luz (solar o del microscopio) y podemos hacer dos tipos de preparaciones:

• Temporales: muestras muy finas, pues ha de pasar la luz a través. Si son de células vivas hay que teñirlas, pues son incoloras. El colorante vital más frecuente es el azul de metileno.

• Permanentes: Tienen varias etapas. 1.Fijación: una vez que tenemos la muestra, la introducimos en un conservante o fijador, que preserva las células en su composición química, morfología y organización. Es muy importante pues si se altera ya no es útil. Algunos fijadores son: Alcohol etílico al 70%, Formal aldehido(HCOH), glutaraldehido, liquido de Bouin, liquido de Carnoy. 2.Inclusión: si la preparación es de tejidos muy definidos no es necesaria. Es importante en preparaciones de yemas y meristemos (R.V.) y en todas las del R.A. Consiste en verter sobre la muestra parafina(se funde a 60º C.)que impregna la muestra y se solidifica. Como la parafina es hidrófoba, hay que quitarle el agua a la muestra por diluciones seriadas de alcohol (se deshidrata primero al 10%, luego al 20%...) 3.Corte:Las preparaciones han de ser muy finas, así que se cortan con los microtomos, que pueden cortarlas en láminas de 10-12ð. 4.Tinción: Una vez que tenemos la muestra en el portaobjetos, se impregna la muestra con un colorante apropiado, Los colorantes vitales más conocidos son “azul de metileno”, “carmín”, “hematoxilina”, “orceína”, “safanina”, “sudán” y “verde de metilo”. 5.Montaje: Una vez que tenemos las preparaciones teñidas en el portaobjetos, se cubre todo con bálsamo de Canadá si la muestra es no hidrosoluble o goma arábiga y encima se coloca el cubreobjetos, otro pequeño cristal.

- Microscopio electrónico:

Las bases físicas son totalmente distintas al m.o. En lugar de utilizar la luz visible, se utiliza un haz de electrones que va desde el cátodo hasta el ánodo, con una diferencia de 65.000 V. Las lentes no son de cristal, sino que son bobinas electromagnéticas que generan un campo magnético con el cual se condensan los haces de electrones. La imagen se ve en blanco y negro en una pantalla fluorescente. Su capacidad de aumento es un millón de veces mayor al ojo humano (mil veces mayor a la del m.o.). El poder resolutivo de un microscopio es la capacidad de distinguir dos puntos próximos. El cristalino tiene un poder resolutivo de 100ð. El m.o. de 0,2ð. El m.e. de 0,4 nm (4 A). Los cortes del microscopio óptico se realizan mediante el ultramicrotomo, y las preparaciones reciben el nombre de ultraestructuras. No hay tinción y su manejo, así como la fijación y la inclusión, ha de ser realizado por un especialista.

MODELOS TEÓRICOS Y AVANCES EN EL ESTUDIO DE LA CÉLULA:

En cualquier ciencia, un modelo es la manera de describir un proceso o una estructura. El modelo de Robert Hooke (1665), del cual resultó el primer concepto de célula, tuvo su origen en que este científico descubrió espacios vacíos mientras observaba la textura del corcho con el microscopio de los hermanos Janssen, a los que llamó célula.

Entre los siglos XVII y XVIII, Leeuwenhoek encontró michos microorganismos en el agua, tenía curiosidad por la célula y estudió muchas, lo que le da importancia en la microbiología.

Cortti, en 1974, dijo que la célula no esta vacía, sino que hay un medio interno. Fontana (1781) descubre en él corpúsculos, estructuras internas.

En 1831 Robert Brown descubrió el núcleo, y dijo que había un orgánulo entre los que había encontrado Fontana que era constante en todas las células (falso).

Finalmente, Schleiden y Schwann (1939) enuncian la teoría celular. A partir de esta fecha, la teoría celular se generaliza (patología los microbios son células; embriología los gametos son células; etc.).

Las mitocondrias fueron descubiertas en 1894 por Altman. El aparato de Golgi en 1898 por Camillo Golgi. Los ribosomas en los años 50 por Palade.

Modelos de organización Procariotas / Eucariotas relación entre estructura y función.

En biología es fundamental la relación existente entre el binomio “Estructura función”. Una estructura en biología si no realiza el papel para el que ha sido formada, degenera.

PROCARIOTAS:

Las procariotas están dentro del reino monera. Todos los organismos procariotas son microbios. Miden de 1-10ðð Tienen una organización muy simple, parecida a la del primer ser vivo. Las bacterias, las cianofíceas, las arqueobacterias y los micoplasmas constan de las siguientes estructuras:

• Pared

• Membrana plasmática

• Citoplasma

• Ribosomas

• Cromosoma circular y desnudo

Su cromosoma no está rodeado por membrana nuclear. Como las bacterias son los microbios más estudiados, los procariotas más típicos y abundantes, estudiaremos su estructura:

• Cápsula de carbohidratos complejos (en las patógenas): mide de 10-40 nm. Almacena nutrientes y protege a la bacteria de los anticuerpos, de los bacteriófagos y de las células fagocitarias.

• Pared bacteriana (formada por mureína, peptidoglicano de n-acetilglucosamina y n-acetilglucano). Da forma y resistencia a la bacteria. Los antibióticos impiden su formación

• Membrana plasmática: es una membrana típica (lipoproteica) separa dos medios acuosos y presenta una serie de invaginaciones, llamadas mesosomas. En los mesosomas hay enzimas respiratorias, fotosintéticas y fijadoras de nitrógeno. Los mesosomas sirven para sujetar el cromosoma cuando se reproduce. La m.p. regula la entrada y salida de materiales de forma activa y selectiva, y protege el medio interno. Si hay flagelo, no será un flagelo típico, sino una estructura filamentosa formada por flagelina. Generalmente no tienen flagelos, pero si los tienen se clasifican en: monótricas (un flagelo), lofótricas (un penacho), anfítricas (dos penachos) o péntricas (muchos flagelos)

• Citoplasma: en él están los nutrientes necesarios para vivir, es el laboratorio de la célula

• Ribosomas (70 s)

• Cromosoma circular y desnudo

• Plásmidos: si se integran se llama ecdisoma.

TIENEN TODAS LAS ESTRUCTURAS NECESARIAS PARA TENER AUTONOMÍA GENÉTICA Y BIOSINTÉTICA.

LA CELULA EUCARIOTA:

Son eucariotas el reino protoctista, fungi, vegetal y animal (todos menos el reino monera). Es mucho más compleja que la célula procariota. Su tamaño es de 10-100ð. Lo más sobresaliente de la c.e. es que tiene un núcleo definido.

Tiene gran variedad de orgánulos en el citoplasma. La procariota sólo tiene ribosomas. Se supone que el origen de la eucariota se explica con la teoría endosimbiótica (a partir de una célula procariota, aumenta de tamaño y va incorporando bacterias...). La c.e. tiene tres partes fundamentales:

• Membrana plasmática

• Citoplasma

• Núcleo (con doble membrana)

Analogías y diferencias entre una célula animal y una célula vegetal:

Analogías:

• Tanto la c.a. como la c.v. son eucariotas.

• Tienen ambas núcleo, membrana plasmática y citoplasma con muchos orgánulos comunes: mitocondrias, retículo endoplasmático, aparato de Golgi, ribosomas y vacuolas.

Diferencias:

• Con relación a la forma, aunque la forma de la célula es consecuencia de la adaptación a lo que hace, en general, cuando se trata de células no especializadas, las células animales son esféricas y las vegetales son poliédricas.

• Con relación al tamaño, la c.v. es algo más grande que la animal.

• Con relación a la pared celular, sólo las células vegetales tienen una pared rígida (celulosa), que también actúa como esqueleto e impide que se mueva. Las c.a. aunque a veces presentan una matriz extracelular (glucocalix) de naturaleza glucoproteíca, esa pared no es rígida y permite su desplazamiento.

• Orgánulos exclusivos: las c.v. tienen cloroplastos, y sus vacuolas almacenan pigmentos y productos de desecho ocupando mucho espacio en el citoplasma, a veces el 95%. Por otra parte las células animales tienen lisosomas y centriolos.

• En la célula animal el núcleo está en el centro y en la célula vegetal está lateralizado.

ESTRUCTURA Y FUNCION DE LOS COMPONENTES CELULARES.

PAREDES CELULARES:

En el reino animal no hay pared celular, sino que encontramos una matriz extracelular llamada glucocalix. Esta matriz extracelular, que está por fuera de la membrana plasmática y es producto de la propia célula, está adosada a la célula y ocupando los espacios intercelulares.

Sus componentes son:

• Proteínas estructurales fibrosas: el colágeno da resistencia y consistencia a la matriz, y la elastina le da elasticidad.

• Enteropolisacáridos: son el ácido hialurónico y la condrioitina, que juntos forman una gelatina que da viscosidad a la matriz.

• Proteínas de adhesión: son la fibronectina y la laminina, que sirven para unir unas células con otras adyacentes a ellas, y también todos sus componentes.

La función de la matriz extracelular es dar consistencia al tejido conectivo (donde es muy abundante, y además en el cartilaginoso y en el óseo es sólida), unir unas células con otras, favorecer la difusión de diferentes compuestos y nutrientes, y actuar como protección frente a las enzimas proteolípicas.

En el reino vegetal la matriz extracelular se llama pared y está presente en todas las células vegetales menos en los meristemos (tejidos primarios de crecimiento). La pared tiene una serie de capas:

• Lámina media: Sirve de separación entre dos células. Está formada fundamentalmente por peptina (polisacárido complejo).

• Capa primaria: Peptina, hemicelulosa y celulosa

• Capa secundaria: Formada por varias capas de celulosa. Si una capa tiene sus fibras de celulosa dispuestas horizontalmente, las siguientes se colocarán verticalmente.

La pared de las c.vegetales se puede impregnar de diferentes compuestos.

- Si se impregna de lignina lignificación.

- “ “ “ suberina suberinificación.

- “ “ “ cutina cutinificación.

- “ “ “ sales mineralización.

Su función es dar forma y rigidez a la c.v., de tal forma que los vegetales no necesitan tener esqueleto. Esta pared resuelve un problema que tenemos los animales, la homeostasis, pues al tener paredes rígidas puede entrar agua hasta que se llenan, no hay peligro de reventar.

Las c.v. se comunican con otras mediante unos orificios que se originan en el retículo endoplasmático, los plasmodesmos.

MEMBRANA PLASMÁTICA:

Es de naturaleza lipoproteica, es una barrera que separa dos medios acuosos y controla la entrada y salida de H2O. Protege el medio interno y tiene un grosor de 7,5nm (sólo es visible al m. e.). Por el año 1959, Robertson ideó el modelo de unidad de membrana o membrana básica, que quiere decir que todos los sistemas de membrana tienen el mismo origen y la misma estructura.

La membrana unitaria de Robertson: Todos los sistemas de membrana son iguales, pues tienen el mismo origen.

La m.p. esta formada por lípidos (40%) y proteínas (60%). En la parte externa, tiene monosacáridos unidos a los lípidos y a las glicoproteínas, formando el glicocálix. Los lípidos de membrana son los siguientes:

• Glicerolípidos: Lecitina (fosfatidil colina), cefalina (fosfatidil heptanolamina), serina (fosfatidil serina), fosfatidil inositol y fosfatidil glicerol. Todos ellos son fosfolípidos.

• Esfingolípidos: Cerebrósidos, gangliósidos, lactósidos, esfingo-mielina y globósidos.

• Colesterol: HDL, LDL.

LOS LIPIDOS DE MEMBRANA SON ANFIPÁTICOS, tienen dos afinidades, por lo que forman bicapas muy estables, de mínima energía (compartimentos cerrados).

Una característica del colesterol es que sujeta las colas y da estabilidad y resistencia a la membrana plasmática, pero quita fluidez. Aumenta la rigidez al intercalarse entre los fosfolípidos, dando estabilidad a sus colas, hidrófobas. Tienen sus cabezas (hidrófilas) en contacto con el agua.

Las proteínas de la membrana pueden encontrarse de diferentes formas

• Integradas: Están embutidas en la membrana y no se pueden extraer.

• Periféricas: No son estables, están unidas con enlaces débiles y se pueden extraer.

Tienen un gran protagonismo dentro de la membrana plasmática, pues pueden actuar como transportadoras, como enzimas, o como receptores de membrana.

Los carbohidratos de membrana son monosacáridos que forman secuencias (ordenadas). Están en la parte externa de la membrana, formando el glicocálix. Si se unen a los lípidos, dan lugar a glicolípidos; si se unen a proteínas, forman glicoproteínas. Representan el “carnet de identidad” de la célula. Las secuencias que forma el glucocálix sirve como receptor de membrana, según la secuencia detectan si es una hormona, etc.

Modelo del mosaico fluido:

Explica la arquitectura o la construcción de la membrana plasmática. En 1972, Nicholson y Srirfer propusieron este modelo, según el cual todas las membranas responden a un sistema arquitectónico común.

1. - Los lípidos y las proteínas integradas constituyen un mosaico molecular porque tiene muchas unidades, muchos componentes.

2. - Los lípidos y las proteínas pueden desplazarse en el plano de la bicapa, intercambiándose con un elemento igual mediante un movimiento tipo “flip-flop”, lo que da lugar a la idea de mosaico fluido.

3. - Las membranas son asimétricas, por la colocación de las proteínas periféricas y la disposición de los glicolípidos y las glicoproteínas.