¿Qué son las células?
Unidades autorreplicativas que pueden constituir un organismo en el caso de los unicelulares o, ser una subunidad de un organismo en el caso de los multicelulares, donde las células pueden ser especializadas para cumplir funciones específicas.
Son entidades parcialmente aisladas de su entorno, que intercambian materia y energía con el entorno (sist. abiertos).
Tienen capacidad para obtener alimentos del medio y transformarlos en energía destinada a mantenerse vivas (metabolismo).
Tienen la capacidad de detectar los cambios en su entorno y responder a ellos.
La Teoría Celular
Las células son la unidad estructural y funcional de los seres vivos. Las funciones vitales de los organismos ocurren dentro de las células. Las células mantienen una existencia dual de entidades distintas y como bloques de construcción de organismos. Todas las células provienen de otras células. Son la unidad genética de los seres vivos. Poseen la información necesaria para controlar su reproducción.
El desarrollo de la microscopía en la biología celular
La Biología celular comienza con el desarrollo de la microscopia
¿Cómo se originan las células?
Multicelulares-tejido-célula-organelo-complejo moleculares-macromoleculares-moléculas pequeñas-átomos.
Diversidad en eucariontes unicelulares: PROTISTAS
Protozoos, Algas unicelulares y Levaduras.
Estructura
Sensorial, defensa y desplazamiento.
Las células son entidades dinámicas
Cambios morfológicos
Las células son capaces de cambiar de forma y tamaño en respuesta a estímulos de su entorno.
Movimientos
Las células son capaces de cambiar de posición y desplazarse en respuesta a estímulos de su entorno.
Estímulos del entorno
Señales químicas, contacto con otras células, presencia de depredadores, presión osmótica.
Abundancia de elementos químicos
Abundancia de elementos químicos en la materia orgánica y en la tierra: elemento principal 99%, oligoelemento 0,9%, elemento traza.
Enlace Covalente
Los electrones más superficiales son compartidos.
Características del Enlace Covalente (EC)
La distancia a la que quedan los núcleos de los átomos enlazados, se llama longitud de enlace. La energía necesaria para romper un EC se denomina Fuerza de Enlace. La fuerza que une a los átomos en un EC suele resistir al calor y estos enlaces sólo se rompen en reacciones químicas muy específicas.
Dentro de las células este tipo de reacciones son controladas por catalizadores biológicos altamente específicos, denominados Enzimas.
La atracción de moléculas dentro de la célula depende en gran parte de fuerzas no covalentes, que permiten en conjunto interacciones muy específicas y efectivas al sumarse.
Fuerzas electrostáticas, Puentes de hidrógeno. Fuerzas de van der Waals, Fuerzas hidrofóbicas (Fuerzas inter-moleculares (no covalentes) permiten interacción entre macromoléculas en las células).
Grupos de moléculas orgánicas pequeñas en las células
Existen 4 grandes grupos de moléculas orgánicas pequeñas en las células:
Azúcares
Se unen por reacciones de condensación, formando polisacáridos, Fuente de energía (ej, glicógeno y almidón).
Ácidos Grasos
Ác. carboxílico + Hidrocarbono (variable). Reserva energética (triglicéridos). Formación de membranas celulares.
Aminoácidos
Grupo carboxilo y un grupo amino unidos a un solo átomo de Carbono (c-alfa)- cadena lateral, Formación de proteínas al unirse mediante enlaces peptídicos direccionalmente.
Nucleótidos
Anillo de C-N (base nitrogenada) + Azúcar de 5C + Grupos fosfatos. Si la azúcar es Ribosa, Ribonucleótidos (como en el RNA). Si la azúcar es Desoxirribosa, Desoxirribonucleótidos (como en el DNA). Al unirse mediante enlaces fosfodiéster, forman los ácidos nucleicos DNA y RNA.
Participan en: Transportar energía química, Como moléculas de señalización, Formación de co-enzimas.
La molécula de ATP
La molécula de ATP sirve como un transportador de energía en las células.
Las Macromoléculas
Son el principal reservorio de carbono en las células. Las macromoléculas son formadas a partir de la formación de enlaces covalentes entre moléculas orgánicas pequeñas (monómeros o sub-unidades) y en conjunto prácticamente constituyen a las células, su estructura y funciones.
El orden dentro de las células requiere: Reacciones químicas constantes y específicas (enzimas). Energía (reacciones poco favorables). Liberación de calor.
Las enzimas controlan las reacciones químicas en las células que permiten extraer energía de los alimentos.
Reacciones Catabólicas
Degradación de moléculas complejas derivadas de los alimentos, en moléculas más pequeñas. Hay liberación de energía.
Reacciones Anabólicas
Formación de moléculas complejas utilizando la energía generada en el catabolismo.
El metabolismo permite mantener el orden dentro de la célula.
El Ciclo Celular
El Ciclo Celular se divide en cuatro fases. Las células crecen durante la interfase que comprende la fase g1, s, g2 y se divide durante la fase M. La interfase comprende la mayor parte del ciclo celular durante la fase G1 las células aumentan en tamaño sintetizando proteínas y membranas y duplicando sus organelos. Durante la fase S las células duplican su DNA. G2 es una fase que separa las fases S y M, se sintetizan proteínas importantes para M (microtúbulos, etc). Durante la fase M, se dividen el núcleo y el citoplasma.
El Sistema de Control del Ciclo Celular (SCCC)
El SCCC consiste en una serie de interruptores moleculares que responden a señales intra y extracelulares. Monitorea la progresión del ciclo de manera tal que ninguna etapa comience antes que la anterior termine. Las señales externas indican si son necesarias más divisiones. De esta manera, el SCCC permite regular el número de células de un organismo. El mal funcionamiento del SCCC puede resultar en la aparición cáncer.
Factores Promotores de la Mitosis (MPFs)
Las MPF, son proteínas que regulan el ciclo celular. Son capaces de inducir la entrada de las células a la fase M del ciclo (mitosis). Ej: las ciclinas. Quinasas dependientes de ciclina (Cdk): La actividad de las proteínas Cdk depende de las proteínas llamadas ciclinas. Los cambios cíclicos de los niveles de ciclinas provocan variaciones en el ensamblaje y activación del complejo Cdk-ciclina.
1-Ciclina G1/s
Se unen a Cdk al final de G1 para que la célula replique su DNA.
2-Ciclina S
Se unen a Cdk durante la fase S y son necesarias para la replicación del DNA.
3- Ciclina M
Promueven la entrada a la etapa de mitosis.
La expresión de las Cdk en el ciclo celular es constante, en cambio la variación en la expresión de ciclinas durante el ciclo, determina la actividad periódica del complejo proteico Cdk-ciclina, y así también la periodicidad del ciclo celular.
Complejos Cdk-ciclina
Distintas Cdks se asocian con distintas ciclinas para controlar las etapas del ciclo celular:
El esquema muestra como los complejos Cdk-ciclina que permiten la entrada a las fases S y M del ciclo celular, se asocian y se disocian de manera cíclica.
La formación de los complejos permite su activación y la entrada a la etapa correspondiente, mientras que cuando los complejos se desarman y la ciclina es degradada, son desactivados.
Mitosis y Meiosis
Diploide: 2n
Haploide: n
Cromosoma después de M (simple) Cada célula diploide tiene dos cromosomas homólogos de cada uno (uno de origen materno y uno paterno).
Etapas de la Mitosis
Profase
La cromatina se condensa, haciendo visibles a los cromosomas duplicados, cada cromosoma consiste en dos cromátidas hermanas. Los Centrosomas que condensan a los centriolos se han duplicado y migran a polos opuestos, para organizar al huso mitótico (microtúbulos).
Prometafase
Fragmentación (desintegración) de la envoltura nuclear. Los cromosomas dobles se alinean en la placa metafásica, en el ecuador de la célula, justo entre los dos centrosomas. Cada cromátida hermana queda orientada hacia uno de los polos. ¡Punto de control! La correcta unión de todos los cromosomas a los cinetocoros es controlada por el SCCC.
Anafase
Las cromátidas hermanas se separan formando dos cromosomas simples. Cada cromosoma simple es atraído hacia un polo, por la acción del huso mitótico que se contrae. Segregación cromosómica.
Telofase
Dos cromosomas simples llegan a los polos y se descondensan, Se reorganiza la envoltura nuclear alrededor de los cromosomas, Se originan dos núcleos. Comienza la citocinesis (división del citoplasma).
Citocinesis
Formación del anillo contráctil de actina y miosina, formando el surco de división. Contracción del anillo de división, “estrangula” al citoplasma, dividiéndolo en dos. Se originan dos células hijas, cada una con un núcleo y una porción de citoplasma.
Anillo Contráctil
División del citoplasma (y su contenido). Formación del anillo (surco) de división. Contracción del anillo de división. Se originan dos células hijas.
La Mitosis en células vegetales
En las células vegetales, la citocinesis es ligeramente diferente debido a la presencia de pared celular.
La Mitosis en el desarrollo temprano (clivaje)
Las primeras divisiones mitóticas que sufren los seres vivos multicelulares, después de la fecundación, son distintas a las de las células somáticas normales, ya que estas células embrionarias poseen ciclos celulares BIFÁSICOS, donde sólo se alternan las fases S y M… Los ciclos entonces son muy cortos.
Meiosis
La finalidad de la meiosis no es la proliferación celular, sino la formación de células sexuales haploides (n). A diferencia de la mitosis, sólo una vez una célula puede experimentar meiosis. La meiosis permite mantener el número de cromosomas típico de la especie.
Primera División Meiótica (Reduccional)
Se reduce a la mitad el número de cromosomas típico de la especie (se separan los cromosomas homólogos).
Segunda División Meiótica (Ecuacional)
Se mantiene el número de cromosomas en células hijas, pero la cantidad de ADN se reduce a la mitad (se separan las cromátidas hermanas). Es similar a la mitosis!!!.
Meiosis Reduccional: Profase I
Ocurren los mismos eventos en la mitosis, Se subdivide en:
Leptotene
Se observan cromosomas largos y delgados.
Cigotene
Se aparean cromosomas homólogos (apareamiento ó sinapsis). Los homólogos apareados se denominan PAR BIVALENTE.
Paquitene
Los cromosomas homólogos completan su apareamiento. En esta etapa ocurre el cross-over (intercambio genético), aumentando la variabilidad de los gametos y por ende la variabilidad de las especies.
Diplotene
Se comienzan a separar los cromosomas homólogos y persisten sitios de unión denominados quiasmas (evidencia de cross-over).
Crossing Over
El crossing over es resultado del apareamiento de los cromosomas homólogos, aquí fragmentos de ADN son intercambiados entre CROMÁTIDAS NO HERMANAS, es decir, fragmentos de cromosomas equivalentes pero uno de origen materno y otro de origen paterno (cromosomas homólogos). El resultado es un cambio en la constitución genética de cada cromosoma. Complejos enzimáticos altamente especializados se encargan de cortar el ADN de doble hebra en dos cromátidas hermanas a la misma altura, y luego repararlas pero mezcladas.
Una vez que los cromosomas homólogos dobles comienzan a separarse, es decir, comienza a desarmarse la estructura BIVALENTE es posible ver las zonas donde hubo recombinación, estas estructuras son llamadas QUIASMAS. El Crossing over, cumple dos funciones en la meiosis, (1) mantiene unido a los cromosomas homólogos para que segreguen correctamente en la primera división meiótica, y (2) contribuyen a la variación del material genético.
Diacinesis
Desaparecen los quiasmas y se comienzan a separar los cromosomas homólogos.
Prometafase I
Cromosomas homólogos migran hacia el centro de la célula.
Metafase I
Los homólogos se alinean en el centro del ecuador y se ubican frente a frente.
Anafase I
Los homólogos migran polos opuestos.
Telofase I
Se reorganiza la envoltura nuclear, generándose 2 núcleos hijos haploides (cromosomas dobles). Simultáneamente ocurre la citocinesis.
Interfase
No corresponde a una interfase típica, debido a que no hay replicación del DNA.
Meiosis II (Ecuacional)
Profase II
Condensación de cromosomas, formación del huso, etc
Prometafase II
Migración de cromosomas dobles (2 cromátidas hermanas) hacia la placa ecuatorial.
Metafase II
Alineamiento de cromosomas en la placa ecuatorial.
Anafase II
Fisión del centrómero y migración a polos opuestos de las cromátidas que constituirán cada cromosoma.
Telofase II
Cromosomas llegan a los polos, se reorganiza la envoltura nuclear, descondensación de cromosomas, etc.
Cada gameto (producto de la meiosis) lleva 1 cromosoma de cada par homólogo.
Los procesos que ocurren en la meiosis II son los mismos que ocurren en la mitosis, pero el resultado en este caso son 4 células hijas que poseen sólo una copia de cada cromosoma homólogo, las que además han variado algunos fragmentos, gracias al fenómeno de entrecruzamiento (cross-over).
Diferencias entre la meiosis y la mitosis
En la meiosis a diferencia de la mitosis, se produce 4 células hijas, todas distintas de la célula progenitora. Solo ocurren en células germinales. Las células solo pueden sufrirla una vez. Existen dos divisiones sucesivas, sin fase de síntesis (s) o citocinesis entre ambas. La función de las células resultantes permiten la mantención del número de genes característico de una especie y además la variabilidad genética.
La Tierra Primitiva
Atmósfera altamente reductora, escaso oxígeno libre. Gases inorgánicos: CO2… Volcanismo, tormentas eléctricas, meteoritos y alta radiación solar.
Evolución Prebiótica
Evolución previa a la aparición de los seres vivos debió existir un periodo de “evolución química” o “Evolución prebiótica” donde se formaran las moléculas orgánicas que forman a los seres vivos. La hipótesis de Oparin-Haldane sobre evolución prebiótica (Teoría quimiosintética), postula que las moléculas características de los seres vivos pudieron formarse a partir de moléculas simples presentes en la tierra primitiva, gracias a las condiciones que existían en esta.
¿Qué son los seres vivos?
Son redes de producciones moleculares en los que las moléculas producidas, generan con sus interacciones, la misma red que las producen.
Definición de un ser vivo
La definición entonces, determina ciertas condiciones que deben cumplirse para que un sistema sea considerado un ser vivo:
- Ser sistemas autocatalíticos.
- Reacciones químicas favorables, constantes.
- Generación de orden (disminución de la entropía).
- Información heredable.
Condiciones para el surgimiento de la vida
- Almacenaje de la información
- Duplicación de la información
- Fuente de variación de la información
- Convertir la información en reacciones catalíticas
La síntesis de DNA y RNA requiere enzimas, mientras la síntesis de proteínas es precedida por la biosíntesis de los ácidos nucleicos.
Proteínas
Capacidad catalítica (enzimas), almacenamiento de información. No puede replicarse a sí misma.
ADN
Almacenamiento de información, Capacidad autorreplicativa, su polimerización requiere catálisis.
ARN
Almacenamiento de información, capacidad autorreplicativa, capacidad autocatalítica.
Hipótesis del Mundo de ARN
Según esta hipótesis el ARN sería la primera molécula de significancia biológica, a partir de la cuál se originó la primera célula. La capacidad autocatalítica y de almacenar información que posee esta molécula, son la base de esta hipótesis sobre el origen de la vida.
El ARN puede formar estructuras complejas: complementaridad de bases, puentes de hidrógeno.
Las moléculas autorreplicativas sufren selección natural: La especialización de función permitiría la formación de sistemas cooperativos autorreplicativos. Esto requeriría la existencia de un COMPARTIMENTO que mantuviese a estas variantes cercanas entre ellas.
Duplicación-Error-Variación-diversidad-especialización
Polimerización de fragmentos pequeños de RNA (oligonucleótidos)
Los compartimientos primitivos pudieron ser superficies adherentes o partículas. Posible función de minerales de arcilla en la formación de polímeros de RNA.
Formación de compartimientos (células)
Moléculas orgánicas anfipáticas, pudieron “encapsular” a estos grupos de ARN especializados formando las primeras “células primitivas.
Aparición del ADN en las proteínas
En las células actuales la función catalítica depende de las proteínas, y el almacenaje de información, depende del ADN.
¿Cómo surge la célula eucarionte?
Hipótesis de Fusión
Señala que una arquea y una bacteria se fusionaron lo que explicaría la dotación genética de eucariontes con genes de ambos orígenes.
Hipótesis de Endosimbiosis
El núcleo de eucariontes vendría de una arquea y la mitocondria de una bacteria, engullidas por una célula huésped.
Endosimbiosis en pre-eucarionte
Núcleo surge antes por invaginación de la membrana plasmática y posteriormente se incorpora la mitocondria.
Ventajas de la Endosimbiosis
Eucarionte primitivo debió ser anaeróbico y autotrófico (ej, metanogénico).
La asociación con un procarionte aeróbico permitiría la respiración celular (mitocondria), y a su vez este tendría una fuente de compuestos orgánicos en el citosol de su huésped. La incorporación de un procarionte fotosintetizador, permitiría la fotosíntesis en los eucariontes autótrofos modernos