Introducción a la Biología Celular

Introducción a la Biología Celular

• Presentado por el cDr. José Ma. Gastélum-Cano, Biología Celular, Departamento de Ciencias Químico-Biológicas, Químico Biólogo Clínico.

Antecedentes

• Zacharias Janssen (1590), fabricante de lentes en Middelburg, Países Bajos, descubrió accidentalmente el microscopio.
• Robert Hooke (1635 – 1703), matemático y naturalista inglés, fue un microscopista, autor de Micrographia (1665).
• El primer libro dedicado a las observaciones microscópicas fue escrito por Hooke.
• Antoni van Leeuwenhoek (1632 - 1723) fabricante de telas holandés, aficionado a la microscopía, construyó microscopios de una sola lente.
• Van Leeuwenhoek fue el primero en observar bacterias mientras estudiaba infusiones de pimienta (1676).
• El publica su observación de “diminutos animáculos” en una serie de cartas a la Royal Society de Londres.
• M. Schleiden y T. Schwann postularon en 1838 que todas las formas de vida están hechas de una o más células.
• Los postularon también que las células sólo surgen de células preexistentes, y que la célula es la forma más pequeña de vida.
• Las células son consideradas como unidades fundamentales de la vida.

¿Qué es la biología celular?

• Es la rama de las ciencias biológicas que estudia la estructura, función y comportamiento de las células.
• Aborda los procesos celulares esenciales para el desarrollo, mantenimiento y reparación de los organismos vivos.
• Es la base fundamental para comprender biología molecular, genética y fisiología.

La célula

• Algunas de sus características incluyen: reproducción, herencia, consumo de energía libre y mantenimiento de organización.
• Otras características importantes son que está formado por una o más células, preceden de la división de una célula y guardan su información hereditaria en ADN.
• Los sistemas naturales tienden a avanzar hacia estados de mayor desorden, según la segunda Ley de la Termodinámica.

Diversidad y evolución

• Todos los organismos evolucionan, las primeras células surgen de materia inerte (~cientos de millones de años).
• Se piensa que todas las celulas descienden del "último antepasado común universal" (LUCA).
• Los fotótrofos, como las cianobacterias, tienen un metabolismo anaerobio y son liberadoras de oxígeno.
• Se encuentran de10 a 100 millones de especies diferentes.
• La evolución es el proceso de descendencia con modificación en que se seleccionan variantes genéticas con el fin de su aptitud reproductora
• La evolución es un proceso muy lento, en microorganismos puede ser muy rápida cuando la presión selectiva es fuerte
• La filogenia muestra el orden de la divergencia de los organismos a través de la evolución.
• La clasificacion taxanómica incluye sistema de clasificación con dominios, reinos, Whittaker, y Woose.
• El tamaño de las células varia del tamaño de atomos hasta 1 mm en las células mas grandes

Células y genomas: Introducción

• Los nucleótidos (nt) son los constituyentes básicos de los ácidos nucleicos.
• El ADN es la base de la herencia e incluye todas las secuencias para productos biológicos.
• El ADN se divide en segmentos (genes) con información para la síntesis de proteínas o ARN.
• Las funcion del ADN son 1) almacenamiento y 2) transmisión de información biológica

Nucleótidos

• Los nucleotidos sond los monómeros del ADN compuestos de base nitrogenada, pentosa y fosfato.
• Tipos de enlaces: Covalente N-β-glucosídico (N-1 en pirimidina y N-9 en purina) con capacidad de rotación.
• Enlace fosfodiester en 5' o 3' de pentosa.

Composición de Nucleótido

• Componentes de nucleótidos: Grupo fosfato, base nitrogenada, y azucar.
• La diferencia entre ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos es el sustituyente en su azúcar.

Estructura y propiedades de Ribo-Nts y desoxirribo-Nts

• Unidos por enlace covalente (puente fosfato).
• Grupo hidroxilo en posición 5' y 3' del nucleótido contiguo.
• El esqueleto de los ácidos nucleicos contiene Enlace fosfodiéster y residuos alternados fosfato y pentosa (Esqueleto azúcar-fosfato)

Interacciones intramoleculares

• Las bases tienen grupos funcionales de carbonilo (C=O) y amino (N-H).
• Hay Puentes de Hidrógeno (H) entre dos cadenas, A con T (o U) = 2 puentes & G con C = 3 puentes

Ácido desoxirribonucleico (DNA) - Estructura

• Tiene Surco mayor y surco menor.
• Tiene Pareamiento de bases G=C y A=T con una Regla de Chargaff.
• Hebras en disposición antiparalelas con distancia entre cada base e 3.4 Å.
• 10.5 pb en cada vuelta cuando está en sol. acuosa) ~ 34 Å
• Es un Duplex de hebras complementarias y es dextrógiro

Replicación del DNA

• La replicación del DNA es cuando EI DNA se sintetiza a partir de una cadena molde preexistente
• Sucede antes de cada división celular (Fase S) y es semiconservadora.
• Este proceso Ocurre en compartimentos nucleares o nucleoides (fábricas de replicación)
• Requerie ATP y sucede en cara interna de membrana (bacterias) ó asoc. a matriz nuclear (eucariotas)

Ácido Ribonucléico (RNA) - Estructura

• El proceso de síntesis de DNA → mRNA se llama Transcripción
• Se le llama Monocistrónico si es peptido y Policistrónico si son ≥ 2 péptidos y su secuencia esta determinada por longitud del polipéptido (1 codón = 1 AA)
• Contiene una Secuencia no codificante Reguladora de síntesis proteica

Transcripción

• El DNA debe expresar su información a través de cadenas cortas de RNA → Expresión génica
• Es unProceso regulado por señales ambientales (e.g. nutrientes, señales intercelulares) y su Adición de ribo-nts es catalizada por RNA polimerasa (dependiente de molde de DNA)
• Diferencias: tiene Diferente carbohidrato (Ribosa), y Uracilo (sustituye a Timina)
• El RNAm tiene la misma secuencia que hebra no molde (cadena codificante o +).
• La cadena no codificante (-), tiene la secuencia opuesta a RNAm (antiparalelas).
• El fin del RNAm es guiar la síntesis de proteínas en el proceso de traducción
• Hay gran variedad de tipos de RNA, sólo el ribosomal, mensajero y transferencia participan en síntesis de proteínas.

Clasificación Acido Ribonucleico (RNA)

• Clasificación: Mensajero (mRNA) traslada información genética desde DNA a ribosomas
• De transferencia (tRNA) moléculas adaptadoras de síntesis proteica
• RNA ribosomal (rRNA) componentes ribosomales
• Ribozimas: Actividad enzimática. Jugaron un papel central en la evolución temprana.

Estructura de Proteínas y péptidos

• Son polímeros no ramificados (lineales) formadas por aminoácidos (monómeros)
• Contienen información, son diversos y forman la mayor parte de la masa celular.
• Codificados en 20 diferentes AA estándar a partir de 64 diferentes codones.

Proteínas

• Estructuras principales: La estructura primaria es lacuencia de aminoácidos (enlace peptídico).
• La estructura secundaria es la formación de puentes de hidrógeno y estructuras (e.g. a-hélice).
• La estructura terciaria es la conformaciones tridimensionales formadas por interacciones entre grupos R.
• La estructurra cuaternaria con estructuras protéicas formadas en subunidades ((iguales o no).

Traducción

• Proceso desempeñado en los ribosomas
• El código genético se lee a través de RNA pequeños → RNA de transferencia (tRNA)
• Se mantienen unidos a un AA específico y tienen un extremo que desempeña la función de "anticodón” e identifica por apareamiento la secuencia del mRNA

El mensaje codificado del DNA

• No superponible: El mensaje tiene un codón de inicio y uno de paro, y se lee de tres en tres nucleótidos como un "Marco de lectura abierto": Conjunto de codones que codifican un los AA en un polipéptido
• Especificidad: Cada codón es una señal para un AA específico
• Degeneración: La mayoría de los AA son codificados por varios codones.
• Es Universal, la Gran mayoría de los organismos utiliza el Código genético, salvo algunas excepciones (e.g. las mitocondrias)

Mutaciones y evolución: Análisis genómico

• El análisis del DNA de las especies es una herramienta más precisa para este fin
• El DNA está sujeto a cambios aleatorios que se acumulan a lo largo del tiempo

Las diferencias entre secuencias de 2 especies es un indicador directo, objetivo y cuantitativo de distancia filogenética.

Selección natural

• En la selección natural los errores aleatorios ocurren durante el almacenamiento y replicación del DNA.
• Rara vez, dichos cambios proveen cambios favorables para la especie, es un proceso de prueba-error, basado en mutaciones que proveen ventajas en su ambiente

Genes conservados

• Las regiones genéticas no-codificantes de proteína o RNA mutan sin consecuencias (genes no-conservados).
• Otros genes relacionados con procesos vitales para especies son altamente conservado.

Tipos de mutaciones

• Intragénicas: son cambios en DNA causados por errores aleatorios (e.g. en la replicación).
• Duplicación de genes: Un gen existente se duplica y genera dos copias del mismo.
• Translocación: Dos o más genes existentes se rompen y reubican → Gen híbrido
• Transferencia horizontal: Un fragmento de gen de una célula se transfiere a otra. Diferente que transferencia vertical (célula madre → progenie).

Divergencia genética

• Sucede cuando una especie se divide en dos líneas diferentes de descendientes y se genera una ramificación en árbol filogenético.
• Ciertos genes se duplican y sus secuencias se vuelven diferentes gradualmente
• Éstos conservan la misma función en especies relacionadas y se llaman Ortólogos
• Los genes relacionados que resultan de la duplicación en el mismo genoma y divergen en su función, se denominan Parálogos
• Los genes relacionados por descendencia de cualquier forma se llaman Homólogos.

Función de un gen

• El análisis de secuencias con base en comparación de otras en bases de datos, permite deducir la función de un gen
• Ésta sólo puede comprobarse de manera experimental mediante inducción de mutaciones y evaluación de función
• La biología molecular y la bioinformática aceleran el proceso

Diversidad de Genes y genomas

• Una pequeña cantidad de familia de genes (~63 - 264) son ubicuos en todos los organismos.
• La mayoría estas familias de genes están relacionadas con transcripción y traducción.
• Sus roles se asocian a traducción, metabolismo y transporte de AA.

Genomas eucariotas - Generalidades

• Más grandes y elaborados que procariotas (~1,000 – 6,000 genes, 106 – 107 pb).
• Se encuentra en núcleo, un compartimento delimitado por una membrana bifosfolipídica.
• Genomas híbridos (hospedero y simbiote), la mayoría de genes de mitocondria y cloroplasto migraron al núcleo.
• Las eucariotas contienen más genes y DNA no codificante que bacterias.
• Una gran cantidad de DNA no codificante es basura, pero otra parte tiene un rol regulatorio de genes.

Estructura: Células en general

• La Barrera semipermeable que delimita la célula de su entorno se llama Membrana citoplásmica
• El Citoplasma es una mezcla acuosa de macromoléculas (proteínas, lípidos, AN y polisacáridos), iones inorgánicos y ribosomas
• Céls, vegetales y microorganismos, típicamente poseen paredes celular complejas, mientras que La mayoría de las células animales carecen de ella.

Diferencias estructurales

Porcaiotas vs eucariotas

• Los Prokariotas son mas pequeños que eucariotas
• Los eucatiotas tienen nucleo, los procariontes no
• Los eucariotasson mas complejos que las procariontes.

Estructura eucariota - Generalidades

• Células complejas, varían en cuanto a los organelos, pero tienen en común un núcleo.
• Las mitocondrias se encuentran prácticamente en todas las eucariotas.
• También pueden tener orgánulos para motilidad: flagelos y cilios.

Clasificación filogenética - Estructura eucariota

• Incluyen Protozoarios con Sarcodina (Amebas), Mastigophora (Flagelados), Apicomplexa y Ciliophora
• Ademas incluyen, Microspora, y Metazoarios con Helmitos (invertebrados, gusanos de reproducción sexual)
• Los helimitos tienen Plathelmintes, Céstodos, Tremátodos, y Nematoda asi como Artrópodos.

Hongos

• Hongos prestan servicio ambiental y degradan la materia en descomposición
• Hay macromicetos que son Hongos pluricelulares macroscópicos y saprófitos y Micromicetos, Hongos a escala microscópica.

Estructura eucariota (celulas hongos)

• Poseen mitocondrias y sistema endomembranoso, dictiosomas o cuerpos cisternales (aparato de Golgi)
• Membrana celular bien organizada y contiene gran cantidad de esteroles, principalmente ergosterol
• Pared celular formada por quitina (N-acetilglucosamina), glucanos, mananos y derivados celuloides

Estructura bacteriana - Membrana citoplasmica

• Rodea el citoplasma y lo separa del entorno. Su ruptura, destruye la integridad, extravasa el contenido y la célula muere
• Es una Bicapa fosfolipídica compuesta por ácidos grasos (hidrófobos) y glicerol-fosfato (hidrófilos)
• Los Hidrófobos tiene Orientación al interior y los hidrófilos al exterior siendo un espacio → Anfipática
• El contenido proteico de membrana citoplasmática es bastante elevado
• Se encuentra Proteínas integrales de membrana, con región transmembrana hidrófoba, y superficie hidrófila hacia afuera y adentro.
• EsProteínas periféricas de membrana no están embebidas si no ancladas

Estructura eucariota - Nucleo

• A diferencia de las bacterias, poseen núcleo donde albergan los cromosomas, que contienen el DNA enrollado en histonas.
• Dos membranas: interna y externa que contienen poros para el Transporte nuclear
• En la estructura interna hay lugares de síntesis de rRNA, llamados nucleolos para generar ribosomas

Estructura eucariota - Mitocondrias

• Son organelos de dimensiones bacterianas y pueden adoptar muchas formas
• Su membrana es permeable y tiene poros que permiten el paso de pequeñas moléculas y crestas que son plegamientos e membrana
• Las crestas internas contienen enzima necesarias para respiración y producción de ATP

Estrctura eucariota: Hidrogenosomas

• Algunas eucariotas mueren en presencia de O2 y, tienen un estilo de vida anaeróbico
• Carecen de mitocondria y tienen organelos que carecen de enzimas del ácido cítrico con Metabolismo fermentativo estricto
• En el proceso ocurre Oxidación de piruvato a H2, CO2 y Acetato, los cual tiene la funcion E.g. como Trichomonas

Estructura eucariota - Cloroplastos

• Son Orgánulos de microbios fotótrofos que contienen clorofila, y realizan fotosíntesis y Membrana externa permeable e interna
• Posee Estroma (similar a matriz mitocondria) donde se encuentra la Ribulosa bisfosfato-carboxilasa (RubisCO), enzima fundamental del ciclo de Calvin & CO2 + H2O → Compuestos orgánicos

Estructura eucariota - Retículo endoplasmico (RE)

• Presenta Red de membranas continuas al núcleo.
• Posee un Tipo rugoso contiene ribosomas unidos, y liso (sin ribosomas)
• REL → síntesis de lípidos y aspectos del metabolismo de los carbohidratos y RER →producción de glicoproteínas y nuevo material de membrana (mitosis).

Estructura eucariota - Aparato de Golgi

• Los productos reticulares son Conjunto de membranas apiladas que funcionan en coordinación con el RE
• Modificados químicamente y se clasifican: un paso de la secreción o membrana.

Estructura eucatiota: Lisosomas

• Son Compartimentos rodeados por membrana, que contienen enzimas digestivas para Hidrolisis de proteínas, grasas y polisacáridos las actividades líticas del citoplasma que estan biosíntesis y generación de energía.

Estructura eucariota Microtúbulos y filamentos

• Microtúbulos de ~25 nm de diámetro, centro hueco se componen de tubulinas ay β.
• Mantener la forma de la célula es su función principal, asi como la motilidad mediante cilios y flagelos y la movilidad de cromosomas durante mitosis.
• Microfilamentos son polímeros entrelazados de 2 cadenas de actina, el cual presenta el cambio de forma en el movimiento ameboide y división celular.
• Los Filamentos intermedios Son proteínas fibrosas de queratina, fibras de 8 - 12 nm de diámetro e tienen la funcion de Dar forma celular e y fijación de organelos

Estructura eucariota: Flagelo y cilios

• Ambos Cilios y flagelo sirven para la motilidad
• Los cilios son fundamentalmente flagelos cortos que se mueven sincronizadamente para propulsar la célula (rápido).
• Los flagelos son apéndices largos presentes (individualmente o en grupos) que impulsan a la célula (más lento que los cilios).

Introducción a la biología celular impartido por el Dr. José Ma. Gastélum-Cano. Se mencionan los antecedentes históricos del descubrimiento del microscopio. Se menciona a Zacharias Janssen, Robert Hooke y Antoni van Leeuwenhoek.