Células: Las Unidades Básicas de la Vida

Células: Las Unidades Básicas de la Vida

• Los seres vivos se distinguen de la materia inanimada por propiedades fundamentales.
• Los seres vivos están compuestos por células, pequeñas unidades delimitadas por membranas que contienen una solución acuosa de sustancias químicas y crean copias de sí mismas.
• Organismos superiores son comunidades de células derivadas de una única célula fundadora que efectúan funciones especializadas a través de la comunicación intercelular.
• Las células son las unidades fundamentales de la vida.
• Estudiar las células permite abordar grandes interrogantes: origen y diversidad de la vida, desarrollo, similitudes, diferencias, salud y enfermedad.

Estudio de las Células

• La biología celular puede responder a preguntas sobre el origen de la vida, la evolución, y la salud.
• La variedad de formas de las células, su maquinaria química, cómo se hacen visibles bajo el microscopio, y cómo se pueden aprovechar las similitudes para comprender todas las formas de vida son factores importantes a considerar.
• Los biólogos estiman que existen 100 millones de especies distintas en el planeta.
• Las células varían en forma y función, incluso dentro de un mismo organismo.
• Todas las células comparten una química fundamental y características comunes.

Variación en Aspecto y Función

• El tamaño es una característica para comparar.
• Una célula bacteriana mide micrómetros (µm) de longitud, 25 veces menor que un pelo humano.
• Un huevo de rana mide milímetros (mm) de diámetro. Si el lactobacillus tuviera el tamaño de una persona, el huevo de rana mediría media milla de altura.
• Una célula nerviosa envía señales eléctricas a través de un axón delgado.
• Paramecium tiene forma de submarino y está cubierto de cilios que lo impulsan mediante movimientos coordinados.
• Células de plantas son rechonchas e inmóviles rodeadas de celulosa.
• Los macrófagos se arrastran por los tejidos fagocitando restos.
• La levadura de fisión tiene forma de bacilo.
• La levadura en gemación es esférica.

Requerimientos Químicos y Funciones

• Las células difieren en sus requerimientos químicos: algunas requieren oxígeno, otras lo consideran letal.
• Algunas consumen dióxido de carbono, luz solar y agua, otras necesitan mezclas complejas de moléculas producidas por otras células.
• Estas diferencias se reflejan en la función celular.
• Algunas células producen hormonas, almidón, grasas, látex o pigmentos.
• Las células musculares son motores que queman combustible mecánico.
• Algunas células son generadoras de electricidad.
• Ciertas especializaciones impiden a una célula pro-liferar y producir descendientes.
• En un organismo multicelular, la división del trabajo permite especialización y dependencia entre células.
• La transmisión de información genética a las siguientes generaciones es delegada a óvulos y espermatozoides.

Química Básica Similar

• Desde tiempos inmemoriales, los organismos comparten un punto en común que los habilita para ser llamados seres vivos.
• La información genética en forma de genes se transporta en las moléculas de ADN.
• El código químico está construido con los mismos componentes químicos, interpretado por la misma maquinaria química.
• La "vida" es difícil de definir, pero los seres vivos están organizados y presentan homeostasis.
• Los seres vivos se reproducen, crecen, e interactúan con el ambiente.

Dogma Central

• La información fluye del ADN al ARN (transcripción) y del ARN a la proteína (traducción).
• El ADN contiene la información codificada en forma de nucleótidos.
• El ADN replica el código genético tal como se reproduce una célula o un organismo.
• El comportamiento celular depende de sus moléculas proteicas (soporte estructural, catalizadores químicos, motores moleculares).
• Las proteínas utilizan 20 aminoácidos distintos para sintetizar proteínas.
• Las células vivas son colecciones de catalizadores que se autorreplican.

Autoreplicación y Evolución

• Las células se reproducen duplicando su material genético y dividiéndose en dos.
• La relación entre ADN, ARN y proteínas permite esta autorreplicación.
• Una célula viva degrada nutrientes y utiliza estos productos para sintetizar componentes necesarios (polinucleótidos, proteínas, etc.) y energía.
• Los virus no están verdaderamente vivos, solo son zombis químicos inertes/inactivos fuera de células huésped.
• Las células vivas han evolucionado, aparentemente, de una célula ancestral.
• La replicación del ADN conlleva mutaciones, alterando la secuencia de nucleótidos.
• Las mutaciones pueden ser negativas, positivas o neutras.
• La selección natural favorece las mutaciones beneficiosas y elimina las perjudiciales.
• La reproducción sexual también contribuye a la evolución.

Descubrimiento de la célula

• La evolución se basa en el cambio genético y la selección.
• Las células comparten instrucciones de un ancestro común de hace 3500-3800 millones de años.
• El microscopio óptico llevó al descubrimiento de las células en el siglo XVII.
• Robert Hooke observó "celdas" en el corcho en 1665, similares a las habitaciones de monasterios.
• Antoni van Leeuwenhoek observó células vivas y un mundo de organismos microscópicos móviles.
• Matthias Schleiden (botánico) y Theodor Schwann (zoólogo) en 1838 y 1839 documentaron que las células son los componentes universales de tejidos vivos a través del microscopio.
• Teoría celular: Las células vivas se forman por crecimiento/división de células existentes, aunque esta idea fue resistida.

Microscopios y Componentes Celulares

• Los microscopios ópticos revelan algunos componentes de la célula.
• Los tejidos se dividen en miles de células compactadas o separadas por matriz extracelular, miden 5-20 µm de diámetro.
• Se pueden observar partículas moviéndose en células vivas.
• Es difícil distinguir la estructura interna de una célula transparente e incolora.
• Teñir las células con colorantes ayuda a diferenciar componentes.
• Las pequeñas diferencias del índice de refracción se pueden visualizar mediante técnicas ópticas especializadas.

Anatomía Celular y Microscopía Avanzada

• Las células animales típicas tienen membranas delimitantes y un núcleo prominente.
• El citoplasma contiene orgánulos diversos.
• Con microscopía óptica, se pueden distinguir algunos componentes, pero no estructuras menores a 0.2 µm.
• Los nuevos microscopios de fluorescencia utilizan iluminación y procesamiento electrónico para visualizar componentes celulares marcados con mayor detalle.
• La microscopía de superresolución puede descender los límites de resolución hasta 20 nm (ribosoma individual).
• La microscopía electrónica revela la fina estructura de la célula con detalles de hasta unos pocos sanómetros.

Célula Procarionte

• Bacterias: Estructura simple, cercanía a lo esencial de la vida (sin orgánulos ni núcleo que encierre al ADN).
• Eucariontes: Células con núcleo.
• Procariontes: Células sin núcleo.
• Suelen ser esféricos, bacilitormes o con forma de tirabuzón, generalmente de pocos micrómetros.
• Los procariontes tienen una cubierta protectora o pared celular alrededor de la membrana plasmática.
• Se reproducen con rapidez dividiéndose en dos (en condiciones óptimas, cada 20 minutos).
• Gracias a sus números, la proliferación rápida y capacidad de intercambiar material genético, las poblaciones procariontes presentan una rápida evolución.

Diversidad y Metabolismo Procarionte

• Los procariontes viven en variedad de nichos ecológicos.
• Los procariontes se dividen en bacterias y arqueas.
• Algunos procariontes son fotosintéticos.
• Otros oxidan moléculas de alimento, o son anaerobios estrictos destruidos por el oxígeno.
• Se considera que las mitocondrias evolucionaron a partir de bacterias aerobias que vivieron en el interior de células eucariontes ancestrales.
• Los procariontes pueden vivir de sustancias inorgánicas.
• Algunas células procariontes realizan fotosíntesis y utilizan energía de la luz solar, otros obtienen energía de la reactividad química de sustancias inorgánicas.
• Los procariontes son fundamentales en la economía de la vida en laTierra porque otros organismos dependen de los compuestos orgánicos que generan.

Dominios de la Vida

• El mundo de los procariontes se divide en dos dominios: bacterias y arqueas.
• Hay un abismo entre bacterias y arqueas.
• Arqueas y bacterias solo guardan una relación distante.
• Las bacterias son las especies que habitan en el suelo o que causan enfermedades.
• Las arqueas se encuentran en hábitats hostiles: salmuera, ácido caliente o profundidades marinas.

Célula Eucarionte

• Eucariontes simples de vida libre.
• La célula eucarionte tiene un núcleo rodeado por una membrana.
• El núcleo es el depósito de información de la célula.
• En las células eucariontes el DNA se reproduce y se compacta a través de ciclos.
• Las mitocondrias generan energía utilizando a partir de moléculas de alimento.
• El citoesqueleto es responsable de los movimientos dirigidos de la célula.

Eucariontes: Evolución y Modelos

• Es probable que una célula eucarionte primitiva con núcleo y citoesqueleto fagocitó bacterias que consumían oxígeno (antepasados de las mitocondrias).
• Las eucariontes unicelulares cazan otras células.
• La anatomía de los prototipos pueden ser complejas, tales como sensibles para la luz, cordas sensitivas, etc.
• Los biólogos se han dedicado a estudiar algunas especies elegidas.
• Modelos de organismos con E. Coli, La levadura, Aradopsis, etc.

La División Celular y la Genética Cruzada

• Todas las células provienen de la división de otras, y se reproducen mediante ella.
• Las mutaciones en el ciclo celular han dado conocimiento de un genoma cruzado entre especies.
• Experimentos de Nurse mostraron cómo muchos genes actúan en conjunto desde diversas especies.
• La evolución ha proveído para el uso de genes de un antepasado, los cuales persisten en la naturaleza como una adaptación más eficiente.

Organismos modelo y estudios genéticos

• Los organismos tienen una gran diversidad en sus elementos genéticos, que llevan a varios rasgos distintivos.
• Es posible hacer estudios específicos de los genes comunes para entender sus desarrollos, como el del Fly Drosophila.
• Se estudian organismos simples, como la Eleguras Caenorhabditis, cuyos resultados llevan a comparaciones significativas.
• Es posible estudiar los organismos directamente y estudiar su composición molecular.
• Estudios genéricos permiten manipular sus desarrollos durante la evolución y replicarlos molecularmente.
• Las comparaciones genéticas relevan las instrucciones más notables para estudiarlos.

Herencia y Evolución Genómica

• Todos los organismos vivos están compuestos por la misma construcción molecular que direcciona el código de RNA que forman las proteínas.
• En el nivel molecular, los organismos tienen las mismas características preservadas por millones de años.
• Primero se observa el tamaño del genoma y su conteo de genes en el ADN.
• Las bacterias son pequeñas, pero tienen poca información almacenada.
• El genoma en los organismos es pequeño comparado con el ADN de plantas y animales.
• Ciertos modelos ejemplifican los rangos de los tamaños de los genomas.

Genes y Organización Genómica

• El primer paso para entender el genoma de cualquier organismo es saber qué tan largo es y cuántos genes contiene ese ADN.
• Las bacterias tienen cantidades muy pequeñas de ADN con información limitada.
• La cantidad de ADN para replicarse es aún más pequeña en virus.
• Los organismos superiores (eucariontes), como plantas y animales, tienen mayores genomas para codificar moléculas funcionales.
• Algunas secuencias genéticas se extienden a organismos muy diferentes que cumplen funciones similares.
• Examinar la configuración genética en cada especie apunta a homologías que abarcan grandes brechas evolutivas.
• Los patrones genéticos son importantes para rastrear las células ancestrales.
• El genoma tiene genes vastos y es esencial para entender su expresión de vida y su entorno.
• El ADN en un organismo es como las partes de auto y la lista de parte, pero no se conoce dónde y cuándo activarlas.
• Estos factores dan al organismo patrones que programan su comportamiento.