JUSTO EMILIO EMILIO PINZÓN ESPINOSA MD-39
Resumen: Biología Molecular de DeRobertis Cap. 1: La Célula Domingo, 27 de Abril de 2008 01:44 p.m. •
1.1 Las células son los bloques con los que se construyen todas las formas de vida • Biología celular y molecular es el análisis de las moléculas y células que constituyen los bloques con los cuales se construyen todas las formas de vida. • Una célula aislada puede constituir un organismo entero. • Célula es una entidad estructural y funcional fundamental de los seres vivos. • Átomo es la unidad fundamental de las estructuras químicas. • En el mundo inanimado existe la tendencia continua a un equilibrio termodinámico, con contribución al azar de materia y energía. • Un organismo vivo mantiene un alto grado de estructura y función durante la transformación de la energía y la materia, basado en el ingreso y egreso constante de éstas. • Constituyentes celular: proteínas, proteínas, grasas, hidratos de carbono y ácidos nucleicos. • Tipos principales principales de organismos organismos:: eucariotas y procariotas. procariotas. NIVELES DE ORGANIZACIÓN
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1.2 En Biología Biología celular celular y molecular La biología trata de los niveles de organización que van desde la célula a poblaciones y ecosistemas. Una serie de niveles de organización integrados dan por resultado las manifestaciones vitales del organismo. La diversidad del mundo viviente depende de un programa genético codificado por los ácidos nucleicos. Las características de los diferentes tipos celulares se basan en su estructura y en los componentes moleculares, moleculares, resultantes de la expresión de los genes.
1.3 Niveles de Organización y poder resolutivo de los instrumentos utilizados • El ojo humano puede resolver (discriminar) dos puntos separados por más de 0,1 mm (100 micras) • Poder resolutivo del microscopio óptico: 0,2 micras • Estructuras celulares requieren de la resolución del microscopio microscopio electrónico; sus tamaños oscilan entre 0,4 y 200 nm. • Estudio de configuración molecular (proteínas, ácidos nucleicos, complejos moleculares): difracción de rayos X.
JUSTO EMILIO PINZÓN ESPINOSA MD-39 Peso de componentes importantes de la célula: picogramos (1 pg = 10 g); peso de las moléculas se expresa en dalton (Da) = 1 átomo de H = 1 uma
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HISTORIA DE LA BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR 1.4 Desarrollo de la teoría celular Esencia: Todos los organismos vivos están compuestos por células y productos celulares. Se inicia en el siglo XVII con el desarrollo de lentes y su combinación para hacer el microscopio (gr. mikros, pequeño, y skopein, ver). Célula (gr. kytos, célula, y del latín cella, espacio vacío) fue empleado por Robert Hooke (1655) por primera vez. Observó la "textura del corcho". Observaciones repetidas por Grew y Malphigi (vesículas de la pared celular). Van Leeuwenhoek (1674) descubrió células libres. El botánico Schleiden (1838) y zoólogo Schwann (1839) hicieron descubrimientos de los tejidos vegetales y animales. Brown (1831) descubrió núcleos en todas las células. Luego, el concepto de célula se transformó en el de una masa de protoplasma limitada en el espacio por una membrana celular y que posee núcleo. Protoplasma que rodea al núcleo se llama citoplasma; el del núcleo, carioplasma o protoplasma del núcleo. 1855: Virchow, "Omniscellulae e cellula" (todas las células se originan en células preexistentes). Establece la división celular como el fenómeno central de la reproducción de organismos. Flemming: mitosis (1880); división de cromosomas: Waldeyer (1890). Fecundación: Hertwig, 1875. Antes de finalizar s. XIX, se dijo que gametos se forman por meiosis, manteniendo el número de cromosomas constante. Teoría moderna: • Células constituyen unidades morfológicas y fisiológicas de todo organismo vivo. • Propiedades de un organismo depende de las células individuales. • Las células surgen de otras células y su continuidad se mantiene por material genético. • La unidad más pequeña de la vida es la célula.
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1.5 Desarrollo de la biología celular submicroscópica y molecular. Rápido desarrollo de la biología: • Mayor poder de resolución (electrónicos y difracción de rayos X) • Convergencia con genética, fisiología y bioquímica. 1865: Mendel descubre leyes de la herencia 1901: Correns, Tschermak, De Vries redescubrieron, indep., leyes de la herencia.
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Morgan et al establecieron teoría cromosómica de la herencia, atribuida a los genes (Johanssen) loci específicos dentro de los cromosomas. Citología + genética = citogenética. 1871: Miescher aisló nucleína (DNA) 1953: Watson y Crick proponen modelo de doble hélice del DNA. Nirenberg y Ochoa descifran código genético.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS CÉLULAS • o
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1.6 Existen procariotas y eucariotas Whittaker: Cinco reinos: Móneras, protistas, hongos, vegetales y animales. Woesse et al: Tres dominios: Eukarya, Archea y Bacteria. Dos tipos de células: • Procariotas: no núcleo ni organelos con membrana. Móneras (bacterias y algas azules) • Eucariotas: núcleo verdadero y organelos con membrana. Todos los organismos usan el mismo código genético y una maquinaria similar para proteo síntesis.
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1.7 Tipos de células y ciclo energético Sol: fuente original de energía, aprovechado por plantas verdes con clorofila que captan luz y almacenan energía en forma química. Dos tipos celulares, de acuerdo a alimentación: • Autótrofos: Fotosíntesis: CO2 + H2O -> hidratos de carbono y O2 • Heterótrofos: Principalmente respiración aeróbica: combustión de oxígeno e hidratos de carbono, lípidos y proteínas. Bacterias y algas azules fotosintéticas consumen nutrientes solubles del medio. 1.8 Organización procariotas Dos membranas con espacio periplasmático en medio. • Externa: rígida, protección mecánica; se llama pared celular. Contiene polisacáridos, lípidos y proteínas. Porina: proteína abundante; forma canales que permite difusión de solutos. • Interna: "Membrana plasmática"; lipoproteica; controla entrada y salida de solutos; contiene enzimas de la cadena respiratoria. Cromosoma bacteriano es una molécula circular única de ADN desnudo y apretadamente plegado en el nucleoide. Puede tener un plásmido, círculo de ADN más pequeño; otorga resistencia a antibióticos.
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Ribosomas: ARN + proteínas; síntesis proteica. Subunidad mayor + subunidad menor = ribosomas; ribosomas + ribosomas = polirribosomas. 1.9 Micoplasmas, virus y viroides Micoplasma: pequeñas bacterias; producen enfermedades infecciosas en animales y hombres. Diámetro de 0,1 a 0,25 micras. Mil veces menor que una bacteria y un millón menos que eucariotas. Virus: No son células verdaderas. Propiedades: autorreproducción, herencia y mutación, pero sólo dentro del huésped. Son parásitos obligados. • Simetría icosaédrica, proviene del arreglo de los capsómeros (proteínas) que forman el cápside. • Clases: Cromosoma de ARN (Virus del mosaico del tabaco) Cromosoma de ADN (bacteriófagos) • Son formados dentro de la célula por agregación molecular (fabricación en distintos puntos de la célula y luego unidos en un punto común) • Ejemplo: Adenovirus: Forma agregados de cristales dentro del núcleo del huésped. Molécula de ADN lineal de doble cadena; capsómeros: 240 hexonas, 12 pentonas. Bacteriófagos: Infección: rotura del nucleoide -> hidrólisis enzimática del ADN -> síntesis de ADN del fago -> síntesis de ARN y proteínas virales. Viroides: agentes infecciosos; atacan células vegetales; están formados por una sola molécula de ARN; no poseen cápside. Las células poseen: • Programa genético que permite formación de nuevas células similares • Membrana celular que limita entre interior y exterior celular; regula paso de solutos 3. Maquinaria biológica que usa energía atrapada o adquirida del medio 4. Maquinaria para sintetizar proteínas.
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1.10 Organización general eucariota
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Principales componentes
Subcomponentes
Función principal
Membrana celular
Pared celular Protección Cubierta celular Interacciones celulares Membrana plasmática Permeabilidad, endo-, exocitosis
Núcleo
Cromosomas Nucléolo
Genes Síntesis de ribosomas
JUSTO EMILIO PINZÓN ESPINOSA MD-39 Citoplasma Citosol
Enzimas solubles Ribosomas
Glucólisis Síntesis proteica
Citoesqueleto
Microtúbulos Microfilamentos
Forma y movilidad de la célula
Organoidesmicrotubular Centrosoma y es centríolos Cuerpos basales y cilios
División celular Motilidad celular
Sistema de endomembranas
Membrana nuclear Retículo endoplasmático Complejo de Golgi Endosomas y lisosomas
Permeabilidad nuclear Síntesis y procesamiento Secreción Digestión
Organoides de membrana
Mitocondrias Cloroplastos Peroxisomas
Síntesis de ATP Fotosíntesis Protección
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1.11 Diversidad morfológica entre eucariotas Células de multicelulares tienen formas y estructura variables; se diferencian de acuerdo a la función específica de distintos tejidos y órganos. • La forma depende de sus adaptaciones funcionales, del citoesqueleto, acción mecánica de células adyacentes y la rigidez de la membrana celular. 1.12 La membrana plasmática separa el contenido interno y
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Membrana: 5 nm de espesor, bicapa lipídica, proteínas intercaladas o adheridas superficialmente. • Función: Controlar de manera selectiva el pasaje de solutos. • Refuerzos: Animales: cubierta celular (polisacáridos, glicoproteínas, glicolípidos); más gruesa que la membrana; protege y ayuda para asociar células en tejidos. Plantas: pared celular (celulosa, lignina); plasmodesmos habilitan comunicación entre células vegetales.
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1.13 El núcleo caracteriza a los eucariotas Células esféricas, cúbicas o poliédricas: núcleo esférico. Células cilíndricas o fusiformes: núcleo elipsoidal. Tamaño es proporcional al número de cromosomas.
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Casi todas son mononucleadas; binucleadas (hepáticas y cartilaginosas); polinucleadas (fibras musculares) Crecimiento de la célula: • Mn/Mc ; 2 Mn/ 2 Mc; 4 Mn/ 4 Mc; 8 Mn/ 8 Mc; etc. (Mn: masa nuclear; Mc: masa citoplasmática) • Dos períodos: interfase y de división Función del núcleo: • Almacenamiento de información genética • Duplicación del DNA • Transcripción del DNA Estructura del interfásico: • Envoltura nuclear: bicapa con poros nucleares • Matriz • Fibras de cromatina: ADN + proteína = cromosomas más o menos desenrolladlos Eucromatina: desenrollados Heterocromatina: condensados; cerca de envoltura, asociadas al nucléolo. • Nucléolo: sintetiza subunidades de ribosomas. División celular: se corta envoltura nuclear; se condensa cromatina en cromosomas. Nucleosomas: estructuras granulares de histona + DNA.
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1.14 Mitosis y meiosis En las células somáticas los cromosomas se presentan de a pares. Los miembros de un par se denominan homólogos. El hombre posee 23 pares. Número original de cromosomas: diploide (2n); mitad: haploide (n) 1.15 Mitosis mantiene continuidad y número diploide Mitosis: división celular manteniendo el número de cromosomas Fases: (En interfase, se duplican los cromosomas) • Profase: condensación en cromosomas • Prometafase • Metafase: alineamiento en el ecuador de la célula (dos filamentos de cromatina llamados cromátidas) • Anafase: Se separan las cromátidas y se mueven hacia polos opuestos • Telofase: formación del núcleo. 1.16 Meiosis reduce cromosomas a número haploide Sucede en gametos: se reduce el número diploide a haploide con dos divisiones nucleares sucesivas pero sólo una duplicación de cromosomas. Proceso:
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Cromosomas homólogos se aparean y forman un bivalente (4 cromátidas). De homólogo a otro se intercambian porciones de cromátidas apareadas, da lugar a quiasmas. Cada quiasma es manifestación citológica de un fenómeno llamado recombinación genética. Metafase I, cada bivalente se alinea en el ecuador. Anafase I, cada cromosoma homólogo (dos cromátidas) va hacia su polo. En la segunda división meiótica, se forman cuatro células haploides, cada una con una cromátida del bivalente original.
1.17 Citoplasma tiene una matriz llamada citosol Compartimientos del citoplasma: • Uno contenido en el sistema de endomembranas • Matriz citoplasmática, fuera de éstas. 2 El citosol es el verdadero medio interno, contiene las principales estructuras de forma y movimiento, y ahí tienen lugar síntesis proteica y procesos metabólicos.
1.18 Citoesqueleto está formado por varios tipos de filamentos 1 Citoesqueleto: mantiene la forma, motilidad celular, cambios coloidales del citoplasma. • Microtúbulos: estructuras tubulares finas y rígidas de 25 nm de diámetro, cuyas paredes están compuestas por 13 filamentos individuales. Principal proteína es la tubulina. Producen movimiento por rápida polimerización y despolimerización. Componen el huso mitótico, centríolos, cuerpos basales y cilios. • Centríolos: cilindros de 0,2 x 0,4 micra; abiertos en ambos extremos y sus paredes tienen nueve grupos de tripletes de microtúbulos dispuestos en círculo. Nacen en los centrosomas. • Cuerpos basales: similar a centriolo, pero en la base de cilios y flagelos. Cilios: prolongaciones cortas que nacen en la superficie y se extienden. Flagelos: más largos pero igual diámetro y estructura. • El eje de ambos (axonema) tiene nueve pares de microtúbulos + 2 en el centro. Pero centríolos y cuerpos basales tienen 9 tripletes en círculo + 0 centrales. • Filamentos de actina: estructuras más pequeñas observadas con el mic. Óptico; da forma y motilidad; interviene en la citocinesis. • Filamentos de tamaño intermedio: funciones mecánicas.
JUSTO EMILIO PINZÓN ESPINOSA MD-39 1.19 Endomembranas: envoltura nuclear, RE, Golgi, endosomas y lisosomas. 1 Envoltura nuclear: tiene dos membranas unidas por poros (permiten el paso de materiales). 2 RE: sacos aplanados y túbulos. • Rugoso: cubierto por ribosomas que sintetizan proteínas hacia el interior del RE. • Liso: síntesis de diversas moléculas; casi siempre continuo con el rugoso. 3 Complejo de Golgi: diferenciada del sistema de endomembranas. Pilas de sacos aplanados y vesículas. Interviene en procesamiento y empaquetamiento de productos provenientes del RE; liberados de la célula por exocitosis o incorporados por endosomas mediante vesículas especiales. 4 Endosomas: organoides que reciben material que entra por endocitosis. Pasa a ser lisosomas al incorporársele enzimas que vienen del Golgi. 5 Lisosomas: organoides polimorfos de una sola membrana con enzimas hidrolíticas. Digieren y degradan sustancias y partes viejas de la célula. 3
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1.20 Mitocondrias, plástidos, peroxisomas son fundamentales. 1 Mitocondrias: doble membrana; la interna se pliega en crestas que entran a la matriz. La membrana interna y la matriz tienen enzimas para la extracción de energía de los alimentos. 2 Plástidos: (células vegetales) • Leucoplastos: almacén de almidón • Cromoplastos: contienen pigmentos. Cloroplastos: contienen pigmento verde llamado clorofila. Posee dos membranas, una estroma con enzimas solubles y un compartimiento con tilacoides (sacos aplanados). Lleva acabo la fotosíntesis. 3 Tanto mitocondrias y cloroplastos poseen ADN, ARNm, ribosomas y ARNt; pueden sintetizar algunas de sus proteínas. 4 Peroxisomas: una sola membrana. Contienen enzimas para la producción y degradación de peróxido de hidrógeno y protege a la célula.
Dimensión Rama
Estructura
Método
0,1 mm +
Anatomía
Órganos
Ojo y lente simple
100 - 10 micra
Histología
Tejidos
Varios tipos de microscopios ópticos
10 - 0,2 micra
Citología
Células y Bacterias Microscopio Óptico y de Rayos X
200 - 1 nm Morfología submicroscópica
Componentes celulares
Microscopio de Polarización
JUSTO EMILIO PINZÓN ESPINOSA MD-39 Ultraestructura
Virus
Microscopio electrónico
Menos de 1 Biología molecular Disposición de los Difracción de rayos X nm Estructura molecular y átomos atómica o
Dimensión lineal
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Terminología
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Bioquímica convencional
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Microquímica
100 micras
1 microgramoHistoquímica
1 micra
1 pg
Citoquímica
