Biologia Celular

Biologia Celular

“Introduccion a la Biologia Celular” -1

“Biografia Breve” • -”Ante mi, se abre un largo sendero, lo advierto dificil y conflictivo, esta lleno de obstaculos, pero tambien lo imagino muy hermoso… yo lo escogi… • ”Caminando, pronto caigo en un pozo, me cuesta trabajo y tiempo en salir de el… esto no es mi culpa”.

-Breve

Autobiografia• “Ante mi, puedo ver otro obstaculo“ • “Lo sorprendente, vuelvo a caer en el” -pero se que “no es mi culpa, es que !tengo mala suerte!!” • “… me vuelve a costar tiempo salir de el, es penoso”

-Breve

Autobiografia• “Persisto en caminar por el mismo sendero…” • “yo escogi este camino, y pronto la suerte me ayudara… • “Pero, ahi hay mas obstaculos y antes de pensarlo me vuelvo a caer” • !!Es esto ya un habito?!! “que mala suerte tengo”

-”Breve

Autobiografia-

• “Razono, no es cosa de suerte -todo esto es mi •

• • •

culpa…” “Salgo rapidamente del pozo…” “En mi camino hay muchos mas obstaculos, pero ahora yo hago mi propia suerte y evito caer…” “Los paso sin detenerme” “Avanzo con rapidez en mi sendero…ya nada me detiene…” John Bradshaw -1933 -

“Introduccion a la Biologia Celular” – Las celulas, no son visibles a nuestra vista. – Pero se han escrito millones de paginas tratando de explicarlas. – El estudio de la celula esta, en el medio de un extenso espectrum: • En un extremo -la astronomia; estudia ‘galaxias, ‘cuazares’, ‘remolinos’, ‘pozos negros’ etc., todos ellos espectaculares’, inimaginables, cuyas propiedades, se antojan sorprendentes al compararlas, con las de nuestro planeta…

“Introduccion a la Biologia Celular”

• La telescopia

“Introduccion a la Biologia Celular” • En el extremo opuesto de este espectrum, los ‘fisico-nucleares’ estan dedicados a entender y explicar las particulas, de dimensiones subatomicas, con propiedades y funciones, tambien fascinantes.

– Debemos entender pues, que el Universo contiene mundos dentro de otros mundos… – Y esto hace fascinante su estudio… – La Biologia, sin embargo, es ‘reduccionista’ .

- “Introduccion a la Biologia Celular” – “El conocimiento de las partes puede explicar el caracter del todo”. – Asi, la posicion respecto de las maravillas y misterios de la vida, se reemplaza por el deseo de ‘explicarlo todo -como es, la funcion de la maqinaria que conforman los sistemas vivientes -teniendo en cuenta siempre, el alto valor, que tiene esta actividad celular dentro de su fascinante complejidad.

“Introduccion a la Biologia Celular” • La Microscopia…

“Introduccion a la Biologia Celular Micrografia optica En un campo brillante…

Con contraste de fase

Con optica de contraste…

“Introduccion a la Biologia Celular”

“Introduccion a la Biologia Celular

“Introduccion a la Biologia Celular” • El descubrimiento de las celulas: – Robert Hooke

(1665) • Ingles, “cientifico”

El descubrimiento de ‘celdillas’ le valio obtener el titulo de “Fellow de la Real Sociedad Inglesa”

“Introduccion a la Biologia Celular”

– Anton van Leeuwenhoke

(1669) Holandes, primero en describir las bacterias y el espermatozoide.

“Introduccion a la Biologia Celular”

“Introduccion a la Biologia Celular”

“Introduccion a la Biologia Celular”

• La teoria celular (caracteristica de los organismos vivos):

• En 1830, Mathias Schleiden y Theodore Schwann, elaborando sobre el origen de las celulas, enunciaron que:

– “Todos los organismos estan compuestos por una o mas celulas” – “Las celulas son la unidad estructural de la vida” • En 1855, un patologo aleman, Rudolf Virchow, formulo el tercer postulado de la teoria celular:

– “Las celulas solo pueden originarse por division de una celula preexistente”.

“Las Propiedades Basicas de las Celulas” • a)-Las celulas tienen vida y esta es su propiedad basica. • La celula aislada se deteriora • Sin embargo, unas celulas aisladas, pueden vivir permanentemente si se les proporcionan los medios adecuados. – Las celulas HeLa son el ejemplo mas claro:

“Las propiedades Basicas de las Celulas”

• En 1951 se hizo el primer cultivo de celulas -estas celulas cancerosas- de un tumor extirpado a la senora Henrietta Lacks (HeLa), aun siguen siendo cultivadas, ahora, en muchas partes del mundo.

“Las propiedades Basicas de las Celulas”

– Estas celulas (HeLa) son mas faciles de estudiar ‘in vitro’ y se han convertido en una herramienta esencial para los biologos celulares y moleculares.

““Las propiedades Basicas de las Celulas” • b)-Las celulas vivas, enfrentan la perspectiva de morir, y la muerte ocurre, acorde a un ‘programa interno’, donde, celulas innecesarias o con riesgo de tornarse malignas, se eliminan a si mismas. Esta accion es conocida como “apoptosis”.

“Las propiedades Basicas de las Celulas” • c)-“Las celulas son muy complejas, pero organizadas”: – Es pues, dificil de describir en terminos de ‘orden y consistencia’. – ‘A mayor complejidad’, mayor es el numero de partes que deben estar en un orden “preciso”. – Menor, es la tolerancia a errores, en la naturaleza e interaccion de las partes. – Y mayor la regulacion o control que se debe ejercer para mantener el sistema.

“Las propiedades Basicas de las Celulas” • Se describen: – La organizacion de atomos dentro de moleculas – Estas moleculas organizadas en polimeros gigantes. – Estos polimeros convertidos en ‘complejos’ y estos a su vez…organizados dentro de organelos subcelulares y

finalmente, en el interior de la celula, en forma de organelos. – La figura nos ilustra lo descrito…

“Propiedades Basicas de las Celulas”

“Las propiedades Basicas de las Celulas” • d)-“Las celulas poseen un programa genetico y los medios para utilizarlo” – Contienen su informacion genetica en un grupo de genes (cromosomas); que es un enorme programa genetico, empaquetado en un espacio mas pequeno que este punto final ( . ) – Almacenan la informacion y son el proyecto para construir estructuras, para realizar las actividades celulares y el programa necesario para reproducirse…

“Las propiedades Basicas de las Celulas” – En todas las celulas vivas,

la informacion genetica fluye del DNA al RNA (transcripcion), y del RNA a las proteinas (traduccion). En conjunto esta transformacion es conocida como “Expresion genetica”

“Las propiedades Basicas de las Celulas” • Las celulas pueden ser de diversas formas y tamanos:

“Las propiedades Basicas de las Celulas” • e)-“Las celulas son capaces de reproducirse” – Las celulas se generan por ‘reproduccion’ – O sea, es la ‘division’ de una celula ‘madre’, en dos celulas ‘hijas’, portando cada una, la misma, exacta informacion genetica de la madre. – Las celulas hijas deben

tener un volumen igual. A veces no es asi…

“Las propiedades Basicas de las Celulas” • f)-“Las celulas obtienen y utilizan energia” – La complejidad y su desarrollo y mantenimiento requiere de energia… virtualmente toda la energia

requerida, proviene de las radiaciones electromagneticas del sol. (Fotosintesis)

“Las propiedades Basicas de las Celulas” • g)-“Las celulas realizan diferentes reacciones quimicas” – Una celula es considerada como una pequena planta quimica, productora de ’energia’. – Esta es capaz, de realizar cientos de transformaciones quimicas, diferentes, y a gran velocidad. – Todos los cambios quimicos requieren de intermediarios catalizadores que aceleren las reacciones, las “enzimas”. – La suma total de las reacciones quimicas en una celula representa su metabolismo.

“Las propiedades Basicas de las Celulas” • h)“Las celulas realizan numerosas actividades quimicas” – Numerosos cambios suceden en la celula, y la celula entera se puede mover de un lado a otro. – Estos movimientos se basan en cambios mecanicos y dinamicos, intracelulares, iniciados por “proteinas motoras”. – Estas proteinas motoras, son solo, uno de los muchos tipos de maquinas moleculares que usan las celulas.

“Las propiedades Basicas de las Celulas” • i)-“Las celulas son capaces de ‘autoregularse’” – Una celula falla, en corregir un ‘error’, al duplicar su DNA, y da lugar una ‘mutacion’, que la debilita; o una alteracion en la capacidad para destruirse (apoptosis). – En 1891 Hans Driesch (embriologo) separo las dos o 4 primeras celulas de un embrion de erizo de mar y cada una de estas celulas desarrollaba un embrion normal.

“Las propiedades Basicas de las Celulas” • Como puede una celula, que debe formar solo una parte de un embrion, ser capaz de desarrollar un embrion completo, normal? • De que forma reorienta esa celula, el curso de su desarrollo celular?, y como puede esa celula embrionaria tener un sentido del todo?

“Las propiedades Basicas de las Celulas” – En este curso, se conoceran procesos, que requieren de diversas etapas, todas, ordenadas y perfectas. – Cada paso de un proceso, debe ocurrir de modo espontaneo, para que el siguiente, se active consecutivamente.

– La informacion necesaria, para dirigir una actividad en particular: sintesis de una proteina, secrecion de una hormona, o la contraccion de una fibra muscular, debe estar presente, dentro del mismo sistema. – Cada actividad necesita sus herramientas apropiadas.

“Las propiedades Basicas de las Celulas” • j)-“Las celulas son capaces de reaccionar a estimulos” – Un protista uniceluar se aleja de un objeto en su camino o se dirige directamente hacia la fuente de su alimento. La celula no lo hace asi. – La celula contiene ‘receptores’ en su membrana exterior, los cuales al ser estimulados, provocan una reaccion, que puede cambiar su curso, o responder, en forma especifica,

-la celula contiene numerosos receptores…

“Las propiedades Basicas de las Celulas” • Evolucion de las celulas: – De donde surgieron

las celulas?, se cree que proceden de formas de vida precelular, las cuales se formaron de materiales organicos sin vida

“Dos clases diferentes de celulas”

– La microscopia dio lugar al reconocimiento de dos tipos basicos de celulas:

Celulas Procariotas Eucariotas

y

Celulas

– Estas tienen muchas diferencias entre si: • Tamano y tipos de estructuras internas llamadas organitos (u organelos).

– Estas dos clases de celulas, no se les conoce un ‘intermediario’ definido, y representan la division evolutiva mas importante en el mundo biologico.

“Procariotas Vs Eucariotas” • Reloj biologico de la Tierra: – Esquema de los 5 mil millones de anos de la tierra, mostrando el tiempo de aparicion de los grupos de organismos. – Los animales complejos y las plantas aparecieron en periodos ‘relativamente’ recientes

“Procariotas Vs Eucariotas” • La comparacion de los dos tipos de celulas, hace evidente muchas diferencias basicas entre ellas, asi como semejanzas; aqui vemos las semejanzas…

“Dos clases diferentes de celulas” • Caracteristicas nosemejantes en las procariotas:

“Dos clases diferentes de celulas” • Son numerosas y evidentes las propiedades que comparten estas dos clases de celulas… Sera que, ‘las celulas eucariotas evolucionaron de las procariotas’??. • Quiza si, si nos basamos en el hecho de que comparten un lenguaje ‘genetico’, identico. • No obstante, aun cuando sus membranas exteriores sean identicas, su composicion quimica, es diferente.

• El interior de estas celulas es muy diferente:

“El citoplasma de los dos tipos de celulas tambien es muy diferente”

“Dos clases diferentes de celulas” • La celula procariota es asexuada (conjugacion). • La division celular eucariota

“Dos clases diferentes de celulas”

• La celula eucariota contiene en su citoplasma estructuras membranosas y no membranosas como…

“Dos clases diferentes de celulas”

• No se debe senalar a los procariotes como organismos “inferiores”, y aceptaremos que sus funciones, nos favorecen. • Desde el punto de vista metabolico son muy evolucionados. • La ‘escherichia coli, bacteria habitante del tubo digestivo humano, es capaz de vivir y prosperar en un medio, con solo uno o dos compuestos organicos, de bajo peso molecular y pocos iones inorganicos. • La celula humana necesita muchos compuestos organicos (vitaminas y otras sustancias) para subsistir.

“Dos clases diferentes de celulas”

• Tipos de celulas procariotas:

– Se dividen en 2 grupos taxonomicos o dominios: • Archae (o arcaebacterias) y • Bacterias (o eubacterias)

– El dominio archae, incluye varios grupos que se relacionan por su secuencia nucleotida de sus acidos nucleicos. – Las especies mas conocidas de archae son las que viven en los medios mas inhospitos: • Los ‘metanogenos’: convierten CO2 y H2 en ‘metano’

“Dos clases diferentes de celulas”

• Los ‘halofilos’, procariotas, que viven en medios muy salados (mar muerto). • Los ‘acidofilos’, procariotas que tienen preferencia por medios muy acidos (pH = 0). • Los ‘termofilos’, procariotas que viven en medios sumamente calientes (hipertermofilas como pyrolobus fumarii vive solo en temperaturas mayores de 113° . • Las celulas procariotas restantes, se clasifican en el dominio de las bacterias, las celulas vivas mas pequenas, como el ‘micoplasma’, infectante, pero que carecen de pared protectora.

“Dos clases diferentes de celulas”

– Los procariotes mas complejos, son las “cianobacterias” – Tienen disposi-

ciones membranosas multiples que sirven como sitios de ‘fotosintesis’.

“Dos clases diferentes de celulas” • Las membranas citoplasmicas de las cianobactertias son semejantes a las membranas fotosinteticas de los cloroplastos de los vegetales. La fotosintesis se hace cuando se rompen las moleculas del agua para liberar oxigeno

“Dos clases diferentes de celulas”

• Las cianobacterias son capaces de:

– Fotosintesis y fijacion del nitrogeno – Conversion del nitrogeno (N2) gaseoso a nitrogeno reducido (NH3) util para aminoacidos y nucleotidos. – Las cianobacterias pueden subsistir con los recursos esenciales -luz, N2, CO2 y H20– Asi las cianobacterias se encuentran en diversos lugares rocas volcanicas y otros sitios poco comunes, como…

“Dos clases diferentes de celulas”

• El pelaje de los osos polares, cuyo color verdoso, caracteristico, es dado por la ‘cianobacteria’.

“Dos clases diferentes de celulas” • “Los tipos de celulas eucariotas”: ‘especializacion celular’. – Las celulas eucariotas mas complejas no se encuentran en las plantas o los animales, sino en los ‘protistas’ (unicelulares). – Todos los mecanismos para sus complejas actividades (sensores ambientales,captacion de alimento, eliminacion de exceso de liquidos, evacion de depredadores) estan confinados en el interior de una sola celula. Ejemplo: ‘la Vorticella’

“Dos clases diferentes de celulas” • Un protista ciliado complejo: ‘vorticella’ – Cabeza contraida y un tallo helicoidal largo. – La cabeza contiene un gran nucleo (macronucleo). – Cada macronucleo contiene muchas copias de sus genes.

“Dos clases diferentes de celulas” • Los organismos unicelulares complejos representan una via evolutiva. • Un camino alternativo ha llevado a la evolucion de los organismos multicelulares en la cual diferentes tipos celulares especializados se asocian para realizar distintas actividades. • Las celulas especializadas se forman por un proceso conocido como ‘diferenciacion’

“Dos clases diferentes de celulas”

• ‘Diferenciacion’

“El tamano de las celulas” • Estas son las medidas relativas de diferentes estructuras de interes en biologia celular: 2 unidades de medicion lineal para describir el interior de la celula: el ‘micrometro’ (mcm) y el ‘nanometro’ (nm)

“El tamano de las celulas” • Un µm es igual a 10-6 metros y un nm es igual a 10-9 metros. • Una unidad menos usada es el ‘angstrom’ (A) que es igual a una decima parte de un nanometro, la utilizan, frecuentemente los biologos moleculares, para medir dimensiones atomicas.

“El tamano de las celulas” • Hay diferentes razones por las cuales casi todas las celulas son tan pequenas: – Casi todas las celulas eucariotas tienen un solo nucleo conteniendo solo 2 copias de los genes (expresion genetica). – El tamano de la celula es importante: • La capacidad de la celula para intercambiar sustancias con su medio ambiente, es proporcional a su area de superficie. • Las celulas especializadas en la absorcion de solutos (epitelio intestinal) tienen una gran area de absorcion

“El tamano de las celulas” – El interior de una celula vegetal, lo ocupa la gran vacuola llena de liquido, en lugar de un citoplasma activo a nivel metabolico. – Una celula depende mucho del movimiento de sus moleculas: • El oxigeno debe difundirse de la superficie celular hasta el interior de la mitocondria.

“El tamano de las celulas” – El tiempo requerido para esta difusion es proporcional al cuadrado de la distancia que se recorre. – Cuando una celula es grande,

y aumenta la distancia de la superficie al interior, el tiempo requerido para el movimiento por difusion de las sustancias hacia adentro y fuera de una celula activa, puede ser muy grande e inoperante.

“Los Virus” • Louis Pasteur y colegas, (XIX), convencieron al mundo cientifico de que las enfermedades de los animales y plantas, eran causadas por bacterias. • La enfermedad del “mosaico del tabaco” y la “fiebre aftosa” en el ganado, apunto hacia otro agente infeccioso -con un alto grado de contagiosidad. • Otras evidencias (Dimitri Ivanovsky) anunciaron la presencia de un organismo mas pequeno y mas simple que las bacterias…los virus.

“Los Virus” – En 1935, se pudo cristalizar el patogeno (Wendell Stanley), del mosaico del tabaco, se conocio su estructura simple, pero, erroneamente, se le describio como una ‘proteina’. – VMT, es una particula como baston, con solo una molecula de RNA cubierta de subunidades proteicas.

“Los Virus” – Los virus, ahora sabemos, causan multiples enfermedades en el humano: HIV, poliomielitis, hepatitis etc.. – Aun cuando comparten los virus ciertas similitudes, los virus se presentan en gran diversidad de formas, tamanos y estructuras. – Propiedades comunes: • Todos los virus son parasitos “intracelulares obligados” • Tienen especificidad. • Los virus existen como “viriones” o particulas. • Su material genetico es pequeno (DNA o RNA)

“Los Virus” • Algunos virus tienen tan solo 3 o 4 genes diferentes; otros pueden tener hasta cientos de ellos. • Siendo menor el numero de genes, los virus se apoyan, y usan mas, las proteinas y enzimas, codificadas por los genes de la celula huesped. • El virion extracelular esta protegido por un capside. • El capside se organiza en poliedros, (caras planas). • La forma mas comun es la ‘eicosaedrica’. (20 lados). • Cada virus tiene en su superficie, una proteina, capaz de unirse a un componente definido de la superficie de la celula huesped.

“Los Virus”

“Los Virus” • La interaccion de las proteinas virales y las del huesped determina la ‘especificidad’ del virus . • Los viriones son agregados macromoleculares, particulas inanimadas, o sea son incapaces

de reproducirse por si solos, por esta razon no se consideran organismos, y no son seres vivos. • La tecnologia actual ha permi-

tido demostrar la travesia del virus en la celula infectada.

“Los Virus” – Tipos de infeccion viral: a)-‘lisis’: – Los virus ‘secuestran’ las actividades de sintesis normales de la celula huesped y las reorientan. – Los virus no crecen como las celulas -se ensamblan de forma directa a partir de sus elementos para crear viriones de tamano maduro. Luego, la celula infectada se disuelve (lisis) y libera una nueva generacion de particulas virales.

“Los Virus” – En la via lisogenica: el virus no mata a la celula huesped; el virus se ‘integra’ al DNA de la celula huesped. – El DNA integrado asi, se le conoce como ‘provirus’; este tiene efectos diversos que dependeran de la celula huesped y el tipo de virus.

Los Virus” • 2.-Celulas animales conteniendo un ‘provirus’, crean una nueva progenie viral por gemacion de la superficie celular, sin producir lisis de la celula. (HIV). • Una celula infectada sobrevive por un tiempo, mientras esta formando nuevos viriones.

• Algunas celulas animales con provirus, pierden el control de su crecimiento y division y sufren la transformacion a celulas malignas.

Los Virus” – Los virus, no obstante su peligrosidad han sido utilizados como herramientas de investigacion para analizar el mecanismo de la replicacion del DNA y la expresion genica en sus huespedes que son mas complejos. – Tambien se usan como vectores. – Se usan en la guerra contra las plagas por insectos y patogenos bacterianos. – Los bacteriofagos han sido usados en el Tx de enfermedades infecciosas y como base de protocolos clinicos de investigacion.

“Viroides” – Los virus no son los tipos mas simples de agentes infecciosos; los viroides son mas pequenos todavia.. Atacan vegetales (tuberculos) . – Son agentes infecciosos, formados por una molecula circular, pequena, de RNA, desprovista de cubierta proteica. (240 y 600 nucleotidos, 1/10 parte de un virus) – No hay evidencia de que puedan codificar proteinas. – Pero su virulencia se produce al usar las proteinas del huesped. (polimerasa II del RNA huesped). – Producen enfermedad interviniendo en la via general de expresion genica celular.