Teoría celular: biología

Importancia de la biología celular

• Estudia la estructura, función y comportamiento de las células, las cuales son las unidades fundamentales de los seres vivos.
• Analiza los procesos celulares a nivel molecular, examinando la dinámica de los orgánulos, las interacciones entre macromoléculas y los mecanismos de comunicación celular.
• Los avances han permitido entender cómo las células crecen, se dividen, se diferencian y responden estímulos externos.
• Ha establecido las bases para la biotecnología, la medicina, la farmacología y la bioingeniería.

Introducción a la teoría celular

• Las células solo son visibles mediante microscopios, inventados en el siglo XIII en Europa, debido a su tamaño tan pequeño.
• Robert Hooke descubrió las células al observar las estructuras porosas del corcho en 1665.
• Antonie van Leeuwenhoek construyó microscopios de alta calidad y observó microorganismos en una gota de agua estancada, describiendo diversas formas de bacterias.
• Las observaciones de Leeuwenhoek fueron confirmadas por Robert Hooke y tuvo reconocimiento global.

Conceptos clave de la teoría celular

• Las células y sus estructuras son el foco de miles de publicaciones anuales.
• Los biólogos celulares, astrónomos y físicos nucleares muestran cómo la ciencia explora desde lo microscópico hasta lo cósmico.
• La biología celular y molecular es reduccionista y busca explicar el todo a través del conocimiento de las partes, enfocándose en el entendimiento de la maquinaria celular.

Propiedades básicas de las células

• Son unidades vivas fundamentales que pueden cultivarse fuera del cuerpo.
• La muerte celular es una propiedad básica de la vida, y las células pueden autodestruirse.
• Las células son altamente complejas y organizadas, con estructuras consistentes en diferentes organismos.
• La complejidad celular se evidencia en la precisión de actividades como la duplicación del ADN.
• Los genes codifican la información para construir estructuras y regular actividades celulares.
• Las mutaciones genéticas son la base de la variación los individuos y la evolución biológica.
• Se reproducen por división, duplicando fielmente su material genético y distribuyéndolo entre células hijas.

Importancia en biotecnología

• La biología celular es una piedra angular en la biotecnología moderna, permitiendo manipular células para aplicaciones industriales, médicas y ambientales.
• La ingeniería genética permite modificar genes para producir proteínas recombinantes, terapias génicas o cultivos genéticamente mejorados.
• La biotecnología industrial utiliza células modificadas para la producción de biofármacos, bioplásticos, bioetanol y enzimas industriales.
• La biomedicina investiga mecanismos celulares de enfermedades como cáncer, enfermedades neurodegenerativas y patologías infecciosas.
• La terapia celular tiene aplicaciones en medicina regenerativa, donde células madre pueden ser inducidas a diferenciarse en tejidos específicos.
• La biotecnología ambiental usa microorganismos en biorremediación, degradación de contaminantes y producción de biofertilizantes.

Tipos celulares y sus características

• Las células HeLa son células humanas cultivadas durante largos períodos que pueden crecer y dividirse indefinidamente en cultivo si las condiciones son favorables.
• Los ovocitos de mamíferos experimentan una división celular desigual, donde la mayor parte del citoplasma permanece dentro del ovocito grande, con potencial para fertilizarse.
• Las algas filamentosas Spirogyra contienen cloroplastos en forma de cinta que absorben la energía de la luz solar y la transforman en energía química durante de la fotosíntesis.

Breve historia de la biología celular

• Robert Hooke observó celdas de corcho a través de un microscopio rudimentario en 1665 y acuñó el término "célula".
• Anton van Leeuwenhoek mejoró la microscopía y describió por primera vez microorganismos, células sanguíneas y espermatozoides entre 1674 y 1683.
• Entre los siglos XIX y XX, se establecen los principios básicos de la vida celular.
• Todos los organismos están compuestos por una o más células (Matthias Schleiden y Theodor Schwann, 1838-1839).
• La célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos.
• Toda célula proviene de otra célula preexistente (Rudolf Virchow, 1855).
• Las células contienen la información hereditaria que se transmite a la descendencia.
• En el siglo XX ocurre el desarrollo de técnicas de cultivo celular, citogenética y la identificación del ADN
• En el siglo XXI ocurre el apogeo de la biología sintética, edición génica con CRISPR-Cas9, así como el uso de células madre en regeneración tisular.

Descubrimientos clave

• Ramón y Cajal dibujó células nerviosas del cerebro del gato, mostrando que el cerebro está formado por muchas células individuales, no una red continua.
• Robert Hooke utilizó un microscopio compuesto de doble lente para observar células en un corte delgado de corcho.
• Antonie van Leeuwenhoek empleó un microscopio de un solo lente para observar bacterias y otros microorganismos.

Composición química de la célula

• El agua (H₂O) constituye el 70-80% de la masa celular y es el medio los procesos bioquímicos.
• Los carbohidratos son fuente primaria de energía y componentes estructurales.
• Los lípidos forman membranas celulares y actúan como reservas energéticas.
• Las proteínas catalizan reacciones (enzimas), regulan procesos celulares y forman estructuras.
• Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) almacenan y transmiten la información genética, regulando la síntesis de proteínas.
• El ATP (Adenosín Trifosfato) es una molécula energética universal utilizada en todos los procesos celulares.

Métodos de estudio en biología celular

• La microscopía óptica utiliza luz visible para observar células vivas o fijadas; incluye campo claro, contraste de fases y fluorescencia.
• La microscopía electrónica permite mayor resolución al utilizar haces de electrones; incluye TEM y SEM.
• La microscopía de superresolución utiliza técnicas avanzadas como STED y PALM para ver estructuras subcelulares a nivel nanométrico.
• El fraccionamiento celular incluye la centrifugación diferencial para separar organelos y la ultracentrifugación en gradiente de densidad para obtener una separación más precisa.
• El cultivo celular incluye cultivos primarios de células obtenidas directamente de un tejido y líneas celulares inmortalizadas que crecen indefinidamente.
• Las técnicas de transfección introducen ADN o ARN en células para estudiar la función génica.

Introducción a la organización celular

• Todas las formas de vida están compuestas por células, las cuales se dividen en dos grandes grupos según su estructura y organización:
• Células procariontes: Organismos unicelulares sin núcleo definido ni organelos membranosos.
• Células eucariontes: Organismos unicelulares o multicelulares con un núcleo bien definido y múltiples organelos membranosos.

Características generales de células procariontes

• Son células simples, sin núcleo ni orgánulos membranosos, características de los dominios Bacteria y Archaea.
• Generalmente pequeñas (0.1 a 5 µm de diámetro).
• ADN circular en el nucleoide, sin membrana nuclear.
• Principalmente por fisión binaria (reproducción asexual).
• Membrana plasmática compuesta de una bicapa lipídica con proteínas de transporte y comunicación.
• Presente en la mayoría de bacterias y arqueas.
• Gran diversidad metabólica con estructuras especializadas como ribosomas 70S, mesosomas y flagelos bacterianos.
• Ejemplos: Escherichia coli y Streptococcus pneumoniae.

Características generales de células eucariontes

• Son células con un núcleo bien definido y múltiples orgánulos membranosos, presentes en organismos unicelulares y multicelulares del dominio Eukarya.
• Más grandes que las procariotas (10-100 µm de diámetro).
• ADN lineal con histonas dentro del núcleo con membrana nuclear.
• Reproducción asexual (mitosis) o sexual (meiosis y fecundación).
• Bicapa lipídica con proteínas y esteroles.
• Poseen orgánulos membranosos, mayor especialización metabólica.

Evolución de la organización celular y la teoría endosimbiótica

• La teoría endosimbiótica, propuesta por Lynn Margulis, explica el origen de los orgánulos eucariontes a partir de la simbiosis de procariotas.
• Un organismo ancestral endocitó una bacteria aeróbica que evolucionó hasta convertirse en una mitocondria.
• Después, algunas células eucariontes capturaron una cianobacteria, que dio origen a los cloroplastos.

Evidencias de la teoría endosimbiótica

• Mitocondrias y cloroplastos tienen ADN circular similar al de las bacterias.
• Se replican por fisión binaria independiente del núcleo celular.
• Poseen ribosomas 70S, similares a los procariotas.
• Doble membrana, sugiriendo fagocitosis.

Tipos de células procariotas

• La diferencia entre los tipos de células radica en su complejidad estructural y la división taxonómica.
• Dominio Archaea: Incluye organismos como metanógenos, halófilos, acidófilos y termófilos, adaptados a entornos extremos.
• Dominio Bacteria: Contiene una amplia variedad de procariotas.
• Cianobacterias: Procariotas complejas capaces de fotosíntesis y fijación de nitrógeno que colonizan áreas desprovistas de vida, siendo organismos pioneros.

Diversidad Procariota

• Las limitaciones del cultivo microbiano impiden un entendimiento completo de la diversidad microbiana.
• Las técnicas moleculares extraen y analizan el ADN de muestras ambientales, revelando la diversidad de especies a través de secuencias genéticas.
• El microbioma humano se estudia con técnicas moleculares, revelando la diversidad de microorganismos.
• Los estudios moleculares muestran que la mayoría de los hábitats terrestres están llenos de vida microbiana.

Células Eucariotas

• Los protistas unicelulares exhiben una complejidad celular considerable.
• La evolución ha llevado a organismos unicelulares complejos y organismos multicelulares.
• La diferenciación celular implica que las células adquieran características y funciones únicas bajo la influencia del entorno circundante.

El uso de organismos modelo

• Los biólogos celulares y moleculares utilizan organismos modelo para comprender procesos fundamentales.
• Ejemplos de organismos incluyen E. coli (bacteria), Saccharomyces cerevisiae (levadura), Arabidopsis thaliana (planta), Caenorhabditis elegans (nematodo), Drosophila melanogaster (mosca de la fruta) y Mus musculus (ratón).
• Cada organismo ofrece características diferentes, revelan similitudes sorprendentes a nivel celular y molecular entre especies.

Aplicaciones biotecnológicas de células procariontes

• Bacterias como E. coli se usan en la producción de biofármacos, para la síntesis de insulina, hormonas de crecimiento y anticuerpos monoclonales.
• Pseudomonas y Bacillus degradan hidrocarburos y metales pesados en la biorremediación.
• Lactobacillus y Saccharomyces se usan en la fermentación industrial para la producción de yogur, queso, cerveza y vino.
• Streptococcus pyogenes es usada en la edición genética con la tecnología CRISPR-Cas9.

Aplicaciones biotecnológicas de células eucariontes

• Células madre para regeneración de tejidos y terapia celular son usados en el cultivo celular en la medicina regenerativa.
• En la biotecnología vegetal la transgénesis se usa en cultivos resistentes a plagas y sequías (Arabidopsis thaliana).
• Las células CHO (ovario de hámster chino) se usan en la fabricación de anticuerpos terapéuticos en la producción de proteínas recombinantes en células de mamífero.
• Las microalgas y levaduras modificadas genéticamente se usan para la síntesis de bioetanol y biodiésel para la producción de biocombustibles.

Virus

• Pasteur demostró que las enfermedades infecciosas eran causadas por bacterias.
• Ivanovsky reveló la existencia de agentes infecciosos más pequeños, conocidos como virus.
• Stanley demostró que el virus del mosaico del tabaco podía cristalizarse y siguió siendo infeccioso.
• Los virus son parásitos intracelulares obligatorios y comparten la necesidad de un huésped para replicarse y la presencia de material genético rodeado por una cápside proteica.
• Los virus pueden llevar a cabo infecciones líticas, donde la célula huésped se destruye para liberar nuevas partículas virales o pueden integrar su material genético en el genoma del huésped como provirus.
• Los virus se han utilizado como herramientas de inversión para estudiar la replicación del ADN y la expresión génica.
• Diener descubrió que la enfermedad de la deformación fusiforme del tubérculo de la papa era causada por un agente infeccioso llamado viroide.
• Los viroides causan enfermedades en cultivos al interferir con la expresión genética de las células huésped.