TEMA 7Organización celular de los seres

vivos

1.- TEORÍA CELULAR

Los primeros conocimientos sobre la célula datan de 1665, fecha en que Robert Hooke publicó los resultados de sus observaciones sobre tejidos vegetales realizadas con un microscopio de 50 aumentos construido por él mismo.

Este investigador fue el primero que, al ver en esos tejidos unidades que se repetían a modo de celdillas de un panal, llamó a esas unidades de repetición células (del latín cellulae=celdillas). Pero Hooke sólo pudo observar células muertas por lo que no pudo describir las estructuras de su interior

Regnier de Graaf (1641-1673) Descubrió los folículos femeninos, es decir, el envoltorio de los óvulos

Contemporáneo de Hooke, Van Leeuwenhoek construyó un microscopio de 200 aumentos. Con él visualizó pequeños organismos vivos del agua de una charca y pudo ver por primera vez protozoos, levaduras, espermatozoides, glóbulos rojos de la sangre, etc.

Con las aportaciones de todos los científicos desde el siglo XVII y con los postulados de Schleiden y Schwann en el siglo XIX se desarrolló la llamada teoría celular. Esta teoría enuncia los siguientes principios:

La célula es la unidad morfológica de los seres vivos.

La célula es la unidad fisiológica de los seres vivos

Con la aportación de Virchow quedó expreso el tercer principio de la teoría celular:

Las células sólo pueden existir a partir de células preexistentes.

Y con las aportaciones de numerosos científicos del campo de la investigación genética (Sutton y Boveri) se fijó el llamado cuarto postulado:La célula es la unidad genética autónoma de los seres vivos.( el material hereditario pasa de la célula madre a la célula hija )

en resumen, la teoría celular enuncia que la célula es la unidad morfológica, fisiológica y genética de todos los seres vivos.

A principios del siglo XX se discutía si la teoría era cierta para el tejido nervioso, en el que las células no parecian independientes sino que semejaban a una red . Santiago Ramón y Cajal demostró la individualidad de la neurona con lo que la teoría volvía a ser universal

2.- MODELOS DE ORGANIZACIÓN CELULARSe distinguen dos tipos de organización celular diferente: células

procariotas, y células eucariotas

Todas las células tienen unos componentes esenciales comunes:• Presentan una membrana plasmática que las aísla del medio que les

rodea y que constituye una barrera selectiva para el intercambio de sustancias con el exterior

• El interior celular o citoplasma contiene una serie de elementos imprescindibles para el correcto funcionamiento de la célula

• Todas las células poseen información genética en el ADN, así como ribosomas implicados en la síntesis de proteínas

La célula procariota se diferencia de la eucariota en1.- Existencia de un núcleo diferenciado por una membrana en la eucariota y en la procariota no

2.-Las células procariotas son típicas del reino monera (bacterias) mientras que el resto de los reinos (protoctistas, hongos, vegetales y animales) son eucariotas

3.-Bacterias son del tamaño de alguno de los orgánulos de la eucariota (0,4-10 micras) (10-100 micras)

4.-La membrana plasmática procariota no contiene esteroles, mientras que la célula eucariota si

5.-Las células procariotas tienen pared con peptidoglucanos, mientras que la eucariota solo la presenta en algunos protoctistas, hongos y células vegetales en general de celuosa o quitina

6.-La procariota no tiene citoesqueleto, la eucariota sí

7.-Las procariotas en su citoplasma sólo poseen inclusiones mientras que la eucariota posee mitocondrias, cloroplastos, retículo endoplasmático, aparato de Golgi, lisosomas, vacuolas

8.-En procariotas el ADN no está asociado a histonas y en eucariotas sí

9.-En procariotas los ribosomas son 70S y en eucariotas son 80 S

En eucariotas además podemos diferenciar entre célula vegetal y animal:Las células animales poseen centriolos y las vegetales noLas células vegetales poseen cloroplastos, vacuolas grandes y pared mientras que la animal no

3.- EVOLUCIÓN CELULARSegún los cálculos más modernos, la Tierra se formó hace unos 4.500 millones de años y un millón de años después aparecería la vida. La explicación de cómo apareció es especulativa, ya que las condiciones reinantes en aquella primitiva atmósfera no son exactamente reproducibles en un laboratorio. De todas formas, se han diseñado experimentos que pueden ayudar a explicar los distintos pasos ocurridos hasta que surgió la vida.

En 1922, el bioquímico A. Oparin formuló su hipótesis sobre los procesos de evolución química que debieron producirse durante el origen de la vida. Según él, las moléculas orgánicas podrían formarse con los gases de la atmósfera, sometidos a grandes descargas eléctricas que ocurrían durante grandes tormentas. Estas moléculas se irían concentrando en los mares y lagos terrestres, formando lo que denominó como una "rica sopa". La comunidad científica de entonces ignoró sus ideas.

Sin embargo, en 1950 un estudiante de la Universidad de Chicago, Stanley Miller, probó la hipótesis de Oparín. Miller demostró en el laboratorio, utilizando un aparato diseñado por él, similar al que ves en el dibujo, la posibilidad de que se formaran espontáneamente moléculas orgánicas.

Para ello, hizo pasar vapor de agua a través de un recipiente de cristal que contenía una mezcla de gases como metano (CH4),amoníaco (NH3), hidrógeno (H2)entre otras moléculas que se suponía serían las más abundantes en la primitiva atmósfera reductora. Al mismo tiempo, las sometía a descargas eléctricas. El resultado fue la formación de una serie de moléculas orgánicas como ácido aspártico, ácido glutámico, ácido acético, ácido fórmico, urea, alanina y glicocola entre otras moléculas.

El siguiente paso evolutivo tendría que ser la formación de biomoléculas. Se demostró que calentando mezclas secas de aás , estos se polimerizaban y formaban polipéptidos sin embargo no eran capaces de autorreplicarse

En 1980 Altman y Cech demostraron que el ARN es capaz de catalizar reacciones incluida la polimerización de nucleótidos

Hoy día está admitida que lo que llamaríamos primera célula estaría formada por un ARN autorreplicativo rodeado de una membrana compuesta por fosfolípidos (Coacervados)

Carl Woese (1980) denominó protobionte o progenote al antepasado común de todos los organismos y representaría la unidad viviente más primitiva, pero dotada ya de la maquinaria necesaria para realizar la transcripción y la traducción genética. De este tronco común surgirían en la evolución tres modelos de células procariotas :

arqueas ,urcariotas , bacterias.

Durante un período de más de 2000 millones de años, solamente existieron estas formas celulares, por lo que se puede pensar que se adaptaron a vivir en todos los ambientes posibles y "ensayarían" todos los posibles mecanismos para realizar su metabolismo

La evolución celular se produjo en estrecha relación con la evolución de la atmósfera y de los océanos. La teoría más aceptada es que :

Las primeras células serían heterótrofas anaerobias, utilizarían como alimento las moléculas orgánicas presentes en el medio.

Como estas moléculas terminarían por agotarse, podría haber ocurrido una primera crisis ecológica, si no hubiera sido porque en algún momento de la evolución celular...algunas células aprendieron a fabricar las moléculas orgánicas mediante la fijación y reducción del CO2. Se iniciaba así la fotosíntesis, como un proceso de nutrición autótrofa.

El empleo del agua en la fotosíntesis como donante de electrones, tuvo como origen la liberación de O2 y por tanto la transformación de la atmósfera reductora en la atmósfera oxidante que hoy conocemos.

Empezó una revolución del oxígeno que causaría la muerte de muchas formas celulares para las que fue un veneno, otras se adaptarían a su presencia y ... algunas células aprendieron a utilizarlo para sus reacciones metabólicas, lo que dio lugar a la respiración aerobia, realizando una nutrición heterótrofa aerobia.

Estas formas celulares tienen organización procariota y son de pequeño tamaño

El siguiente paso en la evolución celular fue la aparición de las eucariotas hace unos 1.500 millones de años.

Lynn Margulis, en su teoría endosimbiótica propone que se originaron a partir de una primitiva célula procariota, que perdió su pared celular, lo que le permitió aumentar de tamaño, esta primitiva célula conocida con el nombre de urcariota. Esta célula en un momento dado, englobaría a otras células procarióticas, estableciéndose entre ambos una relación endosimbionte. Algunas fueron las precursoras de los peroxisomas, con capacidad para eliminar sustancias tóxicas formadas por el creciente aumento de oxígeno en la atmósfera.

Otras fueron las precursoras de las mitocondrias, encargadas en un principio de proteger a la célula huésped contra su propio oxígeno.

Por último, algunas células procariotas fueron las precursoras de los cloroplastos .

.

La incorporación intracelular de estos organismos procarióticos a la primitiva célula urcariota, le proporcionó dos características fundamentales de las que carecía: 1.-La capacidad de un metabolismo oxidativo, con lo cual la célula anaerobia pudo convertirse en aerobia. 2.-La posibilidad de realizar la fotosíntesis y por tanto ser un organismo autótrofo capaz de utilizar como fuente de carbono el CO2 para producir moléculas orgánicas

De hecho, mitocondrias y cloroplastos son similares a las bacterias en muchas características y se reproducen por división. Poseen su propio ADN y poseen ARN ribosómicos semejantes a los de las bacterias.

Así mismo, la célula primitiva le proporcionaba a las procariotas simbiontes un entorno seguro y alimento para su supervivencia. Se trataría de una endosimbiosis altamente ventajosa para los organismo implicados, ya que todos ellos habrían adquirido particularidades metabólicas que no poseían por sí mismos separadamente, ventaja que sería seleccionada en el transcurso de la evolución

4.-VIRUS4.1 ESTRUCTURALos virus son estructuras acelulares que presentan dos estados:1.- extracelular: metabólicamente inerte denominado virión que esta constituido por:

Ácido nucleico: ADN o ARN monocatenario o bicatenario, nunca los dos juntos. Puede estar en una única molécula lineal o circular , o bien en distintos fragmentos como ocurre en el virus de la gripe

Cápsida: cubierta de proteínas rodeando al ácido nucleico. Está formada por capsómeros , unidades estructurales constituidas por una o varias subunidades proteicas..Por la simetría de la cápsida los virus podemos clasificarlos en :

a) virus con simetría helicoidal: virus alargados en la que los capsómeros se disponen helicoidalmente alrededor del ácido nucleico. EJ: virus del mosaico del tabaco

b) virus con simetría icosaédrica: poseen una estructura poliédrica, compuesta por 20 caras triangulares en las que los capsómeros están formados por 5 0 6 subunidades proteicas. Ejemplo virus de la hepatits A o el de la polio

Virus del mosaico del tabacoAdenovirus

C) Virus complejos: virus constituidos por varias partes, con formas y simetrías diversas. Eje bacteriófagos

Envoltura: similar a la membrana plasmática de la célula que sólo aparece en algunos virus ( virus con envoltura en contraposición con los virus desnudos) Ejemplode virus con envoltura es el virus de la gripe

2.- Intracelular: que se adquiere cuando el virus infecta a una célula huesped, En todo caso carecen de orgánulos y estructuras celulares necesarios para llevar a cabo la vida celular.

Para su reproducción es necesario que el ácido nucleico del virus se introduzca en una célula viva, donde se podrá expresar dentro de la nueva estructura celular. Por esta razón son parásitos obligados.

4.2 CICLO BIOLOGICO DE LOS VIRUSEn estado extracelular, los virus son inertes e incapaces de

reproducirse , por lo que el ciclo de multiplicación tiene lugar cuando el virión penetra en el interior de una célula hospedadora. Puede seguir entonces dos tipos de ciclos:

1.- Ciclo lítico. Sigue las siguientes etapas:a) entrada en la célula hospedadora· Adsorción: reconocimiento y unión de las proteínas de la cápsida o envoltura a receptores específicos de la célula o bien en zonas con heridas· Penetración; por inyección , por endocitosis o por fusión de al envoltura con la membrana· Descapsidación en virus en los que la nucleocápsida penetra en la célula

b) Replicación y síntesis de los componentes viralesTras liberarse el ácido nucleico en el citoplasma de la célula

hospedadora, se produce la replicación de los componentes virales , para lo cual el virus utiliza la maquinaria biosintética del hospedador y la enzimas codificadas por su propio genoma

Esta etapa cumple dos funciones principales:Síntesis de proteínas del virus: ( enzimas y proteínas estructurales)

puede desarrollarse en dos faese y siempre se produce en el citoplasma

Replicación del ácido nucleico viral: puede ocurrir en el citoplasma ( virus con ARN, excepto los retrovirus) o bien en el núcleo ( virus con ADN)

c) Maduración: una vez sintetizados los componentes de los nuevos viriones las cápsidas se ensamblan con el ácido nucleico.

d) Liberación: los nuevos viriones salen de la célula por lisis o lentamente por gemación. En esta fase los virus con envoltura adquieren su mb a partir de la mb de la célula hospedadora

2.- Ciclo lisogénicoExisten virus denominados atemperados que pueden incorporar su ácido nucleico al genoma del hospedador, replicándose con él ( estado de profago), sin que se produzca la síntesis de los componentes virales y la liberación. Sólo ciertos agentes inductores provocan la liberación del ácido nucleico del virus, que seguirá entonces un ciclo lítico

Entre los virus animales y vegetales, la infección vírica puede ocasionar la destrucción de la célula hospedadora ( infección lítica) o alteraciones citológicas y de crecimiento en los que las partículas virales son liberadas por gemación (infección persistente)También pueden permanecer latentes (infección latente) y se reactivan en presencia de ciertos estímulos. Esa latencia puede deberse a una estado de provirus donde se pueden o no producir partículas viralesAlgunos virus tienen la capacidad de transformar las células hospedadoras en células cancerígenas ( virus oncogénicos)

5.-LA CÉLULA PROCARIOTA

Este concepto engloba a los seres procariotas, recientemente dividido en dos dominios, las arqueobacterias y las eubacterias

Las células procarióticas se caracterizan porque el DNA asociado a proteínas está en el citoplasma y no hay organulos limitadas por membranas.

En el citoplasma se destaca el nucleoide , donde está situado el cromosoma . En la membrana celular , que es similar a la de los eucariotas, se encuentran los sistemas de enzimas ligados a la respiración y a la fotosíntesis .

Las bacterias exhiben una considerable diversidad de formas: los cocos, con forma de esfera, los bacilos, que son como bastones, los espirilos, que son células helicoidales y los vibrio en forma de coma ortográfica

Clostridium botulinum Streptococcus mutans

Treponema pallidum

Vibrio cholerae

.1.- Pared celular procariota

Cubierta rígida, que da forma a la bacteria y resistencia a las fuertes presiones osmóticas de su interior.Presente en todas las bacterias excepto los micoplasmas

En eubacterias está compuesta por peptidoglucanos o mureína, que forma un entramado rígido externo.Es un heteropolisacárido formado por cadenas polisacáridas de dos glúcidos: N-acetilglucosamina (NAG) y N-acetilmurámico (NAM) unidos por enlaces glucosídicos beta 1-4

; una corta cadena de 4 aas unidos a los restos de NAM. Se pueden establecer enlaces peptídicos entre los tetrapéptidos

5.1 estructura

Según la composición de esta pared las bacterias se dividen en

·Gram positivas (paredes gruesas con numerosas capas de mureina (90%)reforzadas con ácido teicoico)

·Gram negativas (mas estrecha y compleja, con una capa de mureina interna (10%) y una membrana lipídica externa con lipopolisacáridos,lipoproteínas y fosfolípidos formando una bicapa llamada LPS, permeable gracias a los canales de porina). Estos poros le dan distinto comportamiento ante los colorantes. La tinción de Gram es una técnica muy frecuente en microbiología

Las arqueobacterias poseen pared pero sin mureínaAlgunas arqueobacterias metanogénicas poseen la pared celular formada por un compuesto similar al peptidoglicano de las bacterias, por lo que denomina pseudopeptidoglicano, con enlaces glucosídicos 1,3 en lugar de los 1,4 de los peptidoglicano. En otras archaeas la pared se compone de polisacaridos, glicoproteínas o proteínas.

Las funciones de la pared:- mantenimiento de la forma y prevenir la lisis osmótica

( alta concentración de solutos en el citoplasma)- Poseen componentes con capacidad antigénica- Proporciona carga negativa a la superficie celular

Halobacterium salinarium  

Función

Esta cápsula es capaz de retener agua, con lo que actúa como reservorio de agua

Sirve de sustrato para los desplazamientos de las células que la poseen, pues éstas no disponen de flagelos.

Sirve además como matriz adherente entre bacterias y con las células hospedadoras ( bacterias patógenas) .

Impide la acción fagocítica de otras células dificultando el reconocimiento de la bacteria, por lo que también cumple una función defensiva

Este componente no aparece en todas las bacterias. Está formada por polímeros glucídicos que no llegan a formar una estructura definida.

2.-Cápsula bacteriana klebsiella aerogenes

3.-Membrana plasmática

Envoltura que rodea al citoplasma. está formada por una bicapa de fosfolípidos. No contiene colesterol.La bicapa lipídica está atravesada por gran cantidad de proteínas (80%), relacionadas con las distintas actividades celulares.

En la membrana aparecen grandes repliegues, denominados mesosomas. Estos mesosomas realizan varias funciones, tales como servir de anclaje para el ADN bacteriano, intervenir en la división celular (bipartición), o ser el lugar donde se realiza parte de la respiración celular en las bacterias aerobias. También se encuentran las moléculas necesarias para realizar la fotosíntesis en bacterias fotosintéticasFunción: actúa como barrera selectiva para la entrada de nutrientes

Rhodospirillum rubrum, una bacteria roja del azufre

4.-Citoplasma

Formado por una matriz gelatinosa denominada protoplasma, con un alto contenido en agua que contiene proteínas , enzimas , inclusiones de variada naturaleza y función que la bacteria acumula en momentos de abundancia y residuos metabólicos sin membrana

También pueden existir vesículas pequeñas delimitadas por proteínas que acumulan sustancias gaseosas

Sus únicos orgánulos son:

• 4.1 los ribosomas (70s), más pequeños que los eucariotas (80s) y aparecen siempre libres

4.2 Cromosoma bacteriano. Es una única molécula de ADN circular de doble cadena, enrollada y asociada con pocas proteínas, no histónicas, localizado en una zona menos densa llamada nucleoide.

Puede haber una o varias moléculas de ADN libres, conocidas como plásmidos, que pueden unirse temporalmente al cromosoma bacteriano, en ese caso se llaman episomas.y que aportan características adicionales como la resistencia a antibióticos o a sustancias tóxicas

Neisseria gonorrhoeae.

5.-Apéndices externos• Flagelos, mas sencillos que los eucariotas, carecen de membrana y están formados por una proteína fibrilar la flagelina, trenzada helicoidalmente como una soga, que se ancla mediante discos a la membrana, teniendo movimiento rotatorio. Su presencia, número y distribución es un rasgo identificativo de las especies bacterianas

-Bacterias monótricas: un solo flagelo-Bacterias iofótricas: Varios flagelos distribuidos en toda la superficie bacteriana-Bacterias perítricas: Varios flagelos formando un penacho

· fimbrias y pili. Las fimbrias son cortas, fina y numerosa en algunas bacterias y tienen una función adhesiva (gram negativas)Los pelos (pili) son de mayor longitud, son poco numerosos y están implicados en procesos de conjugación ( intercambio de ADN)Ambos están formados por proteínas globulares con disposición helicoidal