Interacción Células-Superficies y Biología Celular

Interacción Células-Superficies (Biomateriales)

• El objetivo es entender las componentes y funciones importantes de las células eucariotas.
• El objetivo también incluye entender los métodos para cuantificar la interacción de las células con los biomateriales.

Biología Celular

• Estudio de la biología celular a nivel básico.

Tipos de Células

• Células procariotas no tienen núcleo.
• Células eucariotas contienen un núcleo.
• Células eucariotas contienen otros orgánulos además del núcleo.

El Núcleo

• El núcleo es un orgánulo encerrado en membrana presente en la mayoría de las células eucariotas.
• Es el orgánulo más grande de la célula.
• Contiene la mayor parte de la información genética de la célula.
• Las mitocondrias también contienen ADN (ADN mitocondrial), pero es un pequeño porcentaje del ADN total de la célula.
• La información genética para la estructura y función del organismo está codificada en el ADN en forma de genes.
• Un gen es un segmento corto de ADN que contiene información para codificar una molécula de ARN en una cadena de proteína.
• El ADN en el núcleo está organizado en largas hebras lineales unidas a diferentes proteínas.
• Estas proteínas ayudan al ADN a enrollarse para un mejor almacenamiento en el núcleo.
• Estas hebras de ADN y proteínas enrolladas son cromosomas.
• Cada cromosoma contiene muchos genes.
• La función del núcleo es mantener la integridad de los genes.
• El núcleo controla las actividades de la célula regulando la expresión génica.
• La expresión génica es el proceso mediante el cual la información en un gen es "decodificada" por moléculas celulares para producir un producto génico funcional, como una proteína molecular.

La Envoltura Nuclear

• Es una doble membrana del núcleo que encierra el material genético.
• Separa el contenido del núcleo del citoplasma.
• Está formada por dos bicapas lipídicas: una membrana interna y una externa.
• La membrana externa es continua con el retículo endoplásmico rugoso.
• Hay poros nucleares en la envoltura nuclear.
• Estos poros ayudan a regular el intercambio de materiales (ARN y proteínas) entre el núcleo y el citoplasma.

El Nucléolo

• Muchas células también contienen un nucléolo no unido a la membrana dentro del núcleo.
• El nucléolo participa principalmente en el ensamblaje de ribosomas.
• Los ribosomas son partes celulares hechas de proteínas y ARN ribosómico (ARNr).
• Construyen proteínas celulares en el citoplasma.
• La función del ARNr es proporcionar una forma de decodificar los mensajes genéticos dentro de otro tipo de ARN (ARNm) en aminoácidos.
• Los ribosomas se exportan al citoplasma, donde dirigen la síntesis de proteínas, después de ser producidos en el nucléolo

Ribosomas

• Estructuras celulares pequeñas, sitios de síntesis (o ensamblaje) de proteínas.
• Están hechos de proteína ribosómica y ARN ribosómico.
• Se encuentran tanto en células eucariotas como procariotas.
• A diferencia de los orgánulos, los ribosomas no están rodeados por una membrana.
• Cada ribosoma tiene dos partes, una subunidad grande y una pequeña.
• Las subunidades están unidas entre sí.
• Los ribosomas se pueden encontrar solos o en grupos dentro del citoplasma.
• Algunos ribosomas están unidos al retículo endoplásmico (RE).
• Otros están unidos a la envoltura nuclear.

Mitocondria

• Es un orgánulo encerrado en membrana presente en la mayoría de las células eucariotas.
• Se llaman las "plantas de energía" de la célula.
• Son los sitios de respiración celular.
• Utilizan la energía de los compuestos orgánicos para producir ATP (trifosfato de adenosina).
• El ATP es la fuente de energía de la célula para cosas como el movimiento y la división celular.
• El número de mitocondrias en una célula depende de las necesidades energéticas de la célula.
• Las células musculares humanas activas pueden tener miles de mitocondrias.
• Los glóbulos rojos menos activos no tienen ninguna.

Retículo Endoplasmático

• Dos tipos de retículo endoplásmico: retículo endoplásmico rugoso (RER) y retículo endoplásmico liso (SER).
• El retículo endoplásmico (ER) es una red de membranas de fosfolípidos.
• Forman tubos huecos, láminas aplanadas y sacos redondos llamados cisternas.
• Tiene dos funciones principales: transporte y síntesis.
• El retículo endoplásmico rugoso está tachonado de ribosomas, lo que le da una apariencia "áspera".
• Estos ribosomas producen proteínas que luego se transportan.
• El retículo endoplásmico rugoso trabaja con el aparato de Golgi para mover nuevas proteínas a sus destinos adecuados en la célula.
• La membrana del RER es continua con la capa externa de la envoltura nuclear.

Retículo Endoplasmático Liso (SER)

• El retículo endoplásmico liso (SER) no tiene ribosomas unidos a él, por lo que tiene una apariencia suave.
• Tiene muchas funciones diferentes, algunas de las cuales incluyen la síntesis de lípidos, el almacenamiento de iones de calcio y la desintoxicación de medicamentos.
• Se encuentra tanto en células animales como vegetales.
• Desempeña diferentes funciones en cada tipo de célula.
• Está formado por túbulos y vesículas ramificadas que forman una red.
• En algunas células hay áreas dilatadas (sacos de RER).
• El retículo endoplásmico liso y el RER forman una red interconectada.

Aparato de Golgi

• Orgánulo grande compuesto de cinco a ocho discos en forma de copa, cubiertos de membranas llamadas cisternas.
• Las cisternas se parecen a una pila de globos desinflados.
• Modifica, clasifica y empaqueta diferentes sustancias para su secreción fuera de la célula o para su uso dentro de la célula.
• Se encuentra cerca del núcleo de la célula.
• Modifica las proteínas que se han entregado en las vesículas de transporte desde el RER.
• También participa en el transporte de lípidos alrededor de la célula.
• Pedazos de la membrana de Golgi se pellizcan para formar vesículas que transportan moléculas alrededor de la célula.
• Puede considerarse similar a una oficina de correos, empaquetando y etiquetando "artículos" y luego enviándolos a diferentes partes de la célula.

Vesículas

• Compartimentos esféricos pequeños separados del citosol por una bicapa lipídica.
• Muchas vesículas se hacen en el aparato de Golgi y el retículo endoplásmico o están hechas de partes de la membrana celular.
• Herramientas básicas de la célula para organizar el metabolismo, el transporte y el almacenamiento de moléculas.
• Utilizadas como cámaras de reacción química.

Vesículas de Transporte

• Capaces de mover moléculas entre ubicaciones dentro de la célula.
• Los lisosomas son vesículas formadas por el aparato de Golgi.
• Los lisosomas contienen enzimas poderosas que podrían descomponer (digerir) la célula.
• Descomponen productos celulares dañinos, materiales de desecho y desechos celulares, obligándolos a salir de la célula.
• También digieren organismos invasores como las bacterias.
• También descomponen las células que están listas para morir (autolisis).

Peroxisomas

• Vesículas que usan oxígeno para descomponer sustancias tóxicas en la célula.
• A diferencia de los lisosomas, que están formados por el aparato de Golgi, los peroxisomas se autorreplican al crecer más y luego dividirse.
• Son comunes en las células hepáticas y renales.
• Descomponen sustancias nocivas.
• Reciben su nombre por el peróxido de hidrógeno (H2O2) que se produce al descomponer compuestos orgánicos.
• El peróxido de hidrógeno es tóxico y, a su vez, se descompone en moléculas de agua (H2O) y oxígeno (O2).

Organismos Unicelulares

• Como una ameba, flotan libremente y viven de forma independiente.
• Sus "cuerpos" unicelulares pueden llevar a cabo todos los procesos de la vida (metabolismo y respiración) sin ayuda de otras células.
• Algunos organismos unicelulares, como las bacterias, pueden agruparse y formar una biopelícula.
• Una biopelícula es una gran agrupación de muchas bacterias que se adhieren a una superficie y hacen una capa protectora sobre sí mismas.
• Las biopelículas pueden mostrar similitudes con los organismos multicelulares.
• La división del trabajo es el proceso en el que un grupo de células hace un trabajo mientras que otro grupo hace otro trabajo.

Organismos Multicelulares

• Llevan a cabo sus procesos de vida mediante la división del trabajo.
• Tienen células especializadas que hacen trabajos específicos.
• La diferencia entre un organismo multicelular y uno colonial es que los organismos individuales de una colonia o biopelícula pueden sobrevivir solos si se separan.
• Las células de un organismo multicelular (células hepáticas) no pueden.

Organización Multicelular

• El cuerpo de un organismo multicelular (árbol o un gato) exhibe organización en tejidos, órganos y sistemas de órganos.
• Células similares se agrupan en tejidos.
• Grupos de tejidos forman órganos.
• Órganos con una función similar se agrupan en un sistema de órganos.

Tejidos vs Órganos

• Un tejido es un grupo de células conectadas que tienen una función similar dentro de un organismo.
• Los organismos más complejos (medusas, corales y anémonas de mar) tienen un nivel de organización tisular.
• Las medusas tienen tejidos que tienen funciones protectoras, digestivas y sensoriales separadas.
• Un órgano es un grupo de tejidos que tiene una función específica o grupo de funciones.
• Los órganos pueden ser primitivos (cerebro de un gusano plano), grandes (tallo de una secuoya), o complejos (hígado humano).

Organización Celular

• La organización biológica existe en todos los niveles en los organismos.
• Se puede ver en el nivel más pequeño (moléculas que componen el ADN y las proteínas).
• Hasta el nivel más grande (un organismo como una ballena azul).

Sistemas de Órganos

• Los organismos más complejos (mamíferos, árboles y flores) tienen sistemas de órganos.
• Un sistema de órganos es un grupo de órganos que actúan juntos para llevar a cabo funciones complejas relacionadas.
• Cada órgano se centra en una parte de la tarea.
• Un ejemplo es el sistema digestivo humano.
• La boca ingiere alimentos.
• El estómago los aplasta y licua.
• El páncreas y la vesícula biliar producen y liberan enzimas digestivas.
• Los intestinos absorben nutrientes en la sangre.

Metaloproteinasas de Matriz (MMPs)

• La degradación de la matriz extracelular en humanos es principalmente el resultado de la familia de enzimas.
• Estas moléculas catalizan el rompimiento de la colágena y los proteoglicanos.
• En tejido sano, el remodelamiento de la matriz está estrictamente regulado, de modo que la degradación de la matriz no ocurre a una velocidad mayor que la síntesis de nuevas moléculas de la ECM.
• Para esto se alteran las concentraciones de los inhibidores de las metalonoproteinasas (tissue inhibitors of metallopoteinases, TIMPs).
• La degradación de la ECM depende de la concentración local relativa de MMPs y TIMPs.

Homeostasis

• Todos los órganos y sistemas de órganos del cuerpo humano trabajan juntos como una máquina bien engrasada.
• Esto se debe a que están estrechamente regulados por los sistemas nervioso y endocrino.
• El sistema nervioso controla prácticamente todas las actividades del cuerpo.
• El sistema endocrino secreta hormonas que regulan estas actividades.
• En funcionamiento conjunto, los sistemas de órganos suministran a las células del cuerpo todas las sustancias que necesitan y eliminar sus desechos.
• También mantienen la temperatura, el pH y otras condiciones en los niveles adecuados para apoyar los procesos de la vida.

Mantenimiento de la Homeostasis

• El proceso en el que los sistemas de órganos trabajan para mantener un ambiente interno estable se llama homeostasis.
• Mantener un entorno interno estable requiere ajustes constantes.
• Sistemas de órganos humanos ayudan al cuerpo a mantener la homeostasis:
  • Sistema respiratorio: Una alta concentración de dióxido de carbono en la sangre desencadena una respiración más rápida que lo elimina del cuerpo.
  • Sistema excretor: Un bajo nivel de agua en la sangre desencadena la retención de agua por los riñones. Los riñones producen orina más concentrada, por lo que se pierde menos agua del cuerpo.
  • Sistema endocrino: una alta concentración de azúcar en la sangre desencadena la secreción de insulina por una glándula endocrina llamada páncreas.
• La insulina es una hormona que ayuda a las células a absorber el azúcar de la sangre.

Objetivos Específicos

• Las componentes básicas de las células eucariotas.
• Las interacciones receptor-ligando
• La matriz extracelular
• Entender como el señalamiento de los receptores puede generar cambios en la expresión genética.
• Que al final alteran el funcionamiento celular.
• Distinguir las cuatro funciones celulares.
• La teoría DLVO para modelar las interacciones
• Adhesión celular
• Migración Celular
• Componentes que pueden afectar la citotoxicidad
• Limitaciones

Introducción

• La superficie de los biomateriales afecta la adsorción de proteínas.
• La composición de la capa adsorbida determina el reclutamiento de las células y su adhesión.
• Las propiedades de la superficie juegan un papel importante en la respuesta biológica de los biomateriales.

Introducción (células y superficies)

• Ahora exploraremos la respuesta de las células a las superficies o a la capa de proteínas adsorbidas.
• La interacción proteínas-superficies NO es específica.
• La interacción Proteína-Célula es en la mayoría de los casos especifica.
• Ocurriendo vía interacciones receptor-ligando

Funciones Celulares

• Viabilidad (todos los tipos celulares), asociada a la adhesión y extensión o esparcimiento (spreading) en la superficie
• Comunicación (todos los tipos celulares)
• Síntesis de proteínas (todos los tipos celulares)
• Proliferación (algunos tipos celulares)
• Migración ( algunos tipos celulares)
• Activación/diferenciación ( algunos tipos celulares)
• Muerte Programada (algunos tipos celulares)

Estructura Celular

• Tipos diferentes de células en los diferentes tejidos humanos.
• Cada tipo tiene funciones diferentes.
• Secreción de factores solubles
• Señales eléctricas
• Destruir patógenos

Células Diferenciadas y No Diferenciadas

• Células diferenciadas tienen Funciones específicas de un tejido
• Células No-diferenciadas Pueden diferenciarse (Progenitoras)
• Diferenciación: Una serie de cambios controlados que involucran alteraciones en la expresión genética y síntesis de proteínas
• Cada célula diferenciada tiene funciones específicas, aunque todas comparten parámetros estructurales comunes.
• Neuronas
• Enterocites
• Hepatocites
• Osteocitos
• Cardiac cells

Viabilidad Celular

• Un aspecto clave de mantener la viabilidad celular es que cada una de las funciones celulares está alojada en un orgánulo diferente.
• Que se encuentra rodeado por una membrana permeable.
• En algunos casos, varios organelos trabajan juntos para realizar las funciones.

Componentes de la Célula

• Cilia
• Lysosome
• Centrioles
• Microtubules
• Golgi apparatus
• Smooth endoplasmic reticulum
• Mitochondrion
• Rough endoplasmic reticulum
• Cell membrane
• Cytoplasm
• Nucleolus
• Chromatin
• Ribosomes

La Membrana Celular

• La Membrana Celular (Plasma Membrane) es Estructura bicapa compuesta primordialmente de fosfolípidos.

Fosfolípidos

• Los fosfolípidos son moléculas que poseen una cabeza polar (hidrofílica) y una cola no-polar (hidrofóbica) compuesta de ácidos grasos
• Hay integrales y periféricas

Receptores para Moléculas Extracelulares

• Moléculas derivadas de carbohidratos unidas a la membrana que forman el glicocálix.
• Muy importante para evitar la formación de coágulos

Funciones de la Membrana Celular

• Durante la formación de tejidos y la fusión celular, la membrana celular permite la interacción entre las células.
• La membrana celular proporciona una forma a la célula y encierra la célula y sus componentes del entorno externo.
• Ayuda en el transporte de compuestos esenciales que se requieren para la supervivencia de la célula.

Citoesqueleto

• El citoesqueleto mantiene la forma de la célula.
• Ayuda en la locomoción celular y organiza las estructuras y actividades de la célula.

Fibras del Citoesqueleto

• Tres tipos principales de fibras: los microtúbulos, los filamentos intermedios y los microfilamentos.
• Basadas en proteínas que pueden alargarse o acortarse según las necesidades de la célula
• Permiten la extensión de porciones tipo dedos de la membrana celular (seudopodia) en respuesta a estímulos externos o como los primeros pasos para la locomoción celular
• Ayudan en la división celular y se unen a proteínas receptores

Microtúbulos

• Los microtúbulos son cilindros huecos y son las estructuras más gruesas del citoesqueleto
• Están hechos más comúnmente de filamentos que son polímeros de tubulina alfa y beta, e irradian hacia afuera desde un área cercana al núcleo llamada centrosoma.
• La tubulina es la proteína que forma los microtúbulos
• Dos formas de tubulina, alfa y beta, forman dímeros (pares) que se unen para formar los cilindros huecos.
• Los cilindros se retuercen uno alrededor del otro para formar los microtúbulos.
• Los microtúbulos ayudan a la célula a mantener su forma, mantienen los orgánulos en su lugar.
• Les permiten moverse alrededor de la célula, y forman el huso mitótico durante la división celular.
• Los microtúbulos también forman partes de cilios y flagelos, los orgánulos que ayudan a que una célula se mueva.

Filamentos Intermedios

• Difieren en composición de un tipo de célula a otro.
• Organizan la estructura interna de la célula sosteniendo orgánulos y proporcionando fuerza.
• También son componentes estructurales de la envoltura nuclear.
• Hechos de la proteína queratina se encuentran en las células de la piel, el cabello y las uñas.

Microfilamentos

• Están hechos de dos cadenas delgadas de actina que se retuercen una alrededor de la otra.
• Se concentran principalmente justo debajo de la membrana celular donde sostienen a la célula y ayudan a la célula a mantener su forma.
• Forman extensiones citoplasmáticas (seudópodos y microvellosidades) que permiten que ciertas células se muevan.
• La actina de los microfilamentos interactúa con la proteína miosina para causar contracción en las células musculares.
• Los microfilamentos se encuentran en casi todas las células.
• Numerosos en las células musculares y en las células que se mueven cambiando de forma, como los fagocitos (glóbulos blancos que buscan bacterias y otros invasores en el cuerpo).

Estructura del Citoesqueleto

Receptores de Membrana y Contacto Celular

• Las interacciones célula-célula o célula-medio extracelular pueden resultar en alteraciones en las funciones celulares como esparcimiento, migración, comunicación, diferenciación y/o activación.

Cambios en el Medio Extracelular

 - Afectan el esparcimiento, la migración, comunicación, diferenciación

Interacción Proteínas de Membrana Celular

 - Es mediada por los receptores basados en proteínas en la membrana celular

Señalización Celular

  - Todas las células dependen de la señalización celular para detectar y responder a las señales de su entorno.
  - Este proceso no solo promueve el funcionamiento adecuado de las células individuales, sino que también permite la comunicación y la coordinación entre grupos de células, incluidas las células que forman comunidades organizadas llamadas tejidos.
  - Debido a la señalización celular, los tejidos tienen la capacidad de llevar a cabo tareas que ninguna célula podría realizar por sí sola.

Equilibrio con Moléculas Adhesivas

   - las moléculas adhesivas ayudan a mantener el contacto entre las células y estructuras cercanas, y las diminutas uniones en forma de túnel permiten el paso de iones y moléculas pequeñas entre las células adyacentes.
   - las moléculas de señalización transmiten información de posición entre las células de un tejido, así como entre estas células y la matriz extracelular. Estas vías de señalización son fundamentales para mantener el estado de equilibrio conocido como homeostasis dentro de un tejido.

Lesiones y Moléculas Adhesivas

   - los procesos implicados en la cicatrización de heridas dependen de la información posicional para que se restablezca la arquitectura normal de los tejidos

Dentro de los tejidos, las moléculas adhesivas permiten que las células mantengan contacto entre sí y con las estructuras de la matriz extracelular. - tipo de moléculas adhesivas son las integrinas, transmiten señales hacia y desde las células. De esta manera, las integrinas juegan un papelimportante en la detección del entorno y el control de la forma y motilidad de las células.

Integrinas

• Familia diversa de proteínas transmembrana que se encuentran en todas las células animales.
• Cada integrina consta de dos partes principales: una subunidad alfa y una subunidad beta.
• La variación en las subunidades alfa y beta explica la amplia variedad de integrinas observadas en todo el reino animal.
• Por ejemplo, solo los humanos tienen más de 20 tipos diferentes de integrinas.

Uniones Celulares

• Se pueden clasificar en tres grupos funcionales:
• Uniones oclusales: Sellan las células juntas.
• Uniones de anclaje: Unen mecánicamente las células y matriz extracelular.
• Uniones comunicantes: Median el paso de señales químicas o eléctricas de una célula a su compañera.

Tipos de Uniones

• Uniones Oclusales - Uniones estrechas
• Uniones de anclaje
• Uniones célula-célula - Uniones adherentes
• Uniones célula-matriz - Adherencias focales
• Sitios intermedios de fijación de filamentos
• Uniones célula-célula - Desmosomas
• Uniones célula-matriz - Hemidesmosomas
• Uniones de Comunicación
• Uniones de separación
• Sinapsis químicas

Matriz Extracelular (ECM)

   - Los contactos célula-ECM son dinámicos y cruciales para que la célula pueda sobrevivir.
   - Modificaciones en la ECM afectan la forma y/o función de las células vecinas, por lo que hay una búsqueda en usar modificadores de la ECM para promover una respuesta específica.
   - La matriz se puede visualizar como una matriz reforzada de fibras: donde las fibras están compuestas de colágena y elastina y la matriz está conformada de glicoproteínas y proteoglicanos

ECM y Funciones

Colágena

• Es la proteína más abundante en los mamíferos.
• Responsable de la resistencia a la tensión de los tejidos.
• Hay colágena en diferentes tejidos, cartílago etc
• El colágeno es una triple hélice de cadenas de polipéptidos
• La combinación de cadenas del tipo alfa forman 20 colágenos Las propiedades de las fibras de colágeno son similares a los polímeros hay que controlar su resistencia

Glicoproteína

   - Formada por cadenas de oligosacáridos unidas a la membrana celular
   -  Ciertas moléculas de carbohidratos ayudas a la adhesion, migración etc

Moléculas Receptoras

      - Las moléculas Receptoras de la membrana celular como las Cadherinas, integrinas, Mucinas y Selectinas ayudan a regular funciones

Proteoglicanos

    - Conecta Glicosaminoglicano  sulfatado a una proteína de membrana

Problema Planteado

    - Como mejorar la adición a un biomaterial