Biología Celular (109500) Curso 2024/2025 PDF

La célula como unidad básica de los seres vivos. Células procariotas y eucariotas. Evolución celular. Biología Celular (109500) Grado en Biotecnología Curso 2024/2025  Vida  Entidades acelulares Priones...

La célula como unidad básica de los seres vivos. Células procariotas y eucariotas. Evolución celular. Biología Celular (109500) Grado en Biotecnología Curso 2024/2025  Vida  Entidades acelulares Priones Viroides Virus  Entidades celulares Procariotas Eucariotas  Características de las células eucariotas  Origen y evolución celular  ¿Qué es la vida? “….La vida es un proceso físico que cabalga sobre la materia…. es un caos controlado y artístico, un conjunto de reacciones químicas tan abrumadoramente complejo….” Margulis y Sagan, 1996 ¿Qué caracteriza a LO vivo? Un ser vivo es cualquier sistema autónomo con capacidades para usar la energía y la materia para sintetizar sus propios componentes, para construir una identidad separada del entorno, y con la capacidad para explorar nuevas funciones y relaciones con el ambiente para adaptarse a situaciones diversas en una forma casi ilimitada Peretó, 2005 “La vida es un estado dinámico de la materia organizada, caracterizada básicamente por su capacidad para la adaptación y evolución en respuesta a los cambios en el medio ambiente y en su capacidad para la reproducción que da lugar a nueva vida” Oró, 2002 “Es un sistema químico que sufre un proceso de mutaciones y rearreglos del material genético y que puede adaptarse al medio ambiente” Antonio Lazcano “Es un sistema capaz de reproducción, mutación y reproducción de sus mutaciones” Carl Sagan  Entidades Acelulares Signos “vitales” intermitentes Entidades Celulares (Células) Signos vitales continuados  Priones Viroides Virus (Beijerinck “líquido viscoso” o “veneno”)  Proteína capaz de  ARN’s desnudos,  ADN circular o lineal formar agregados generalmente ( 1C o 2C ) o ARN ( 1C o tóxicos. circulares (200-400 2C ) lineal nucleótidos)  Estructura  Recubiertos por secundaria  Utilizan la maquinaria proteínas (Cápsida) e alterada e celular para incluso membrana incorrectamente replicarse lipídica plegada  Interfieren en la  Formas variadas de  Encefalopatías expresión génica. No replicación utilizando “espongiformes” codifican proteínas la maquinaria celular conocidas  No metabolismo  Infectan fundamentalmente plantas  La Célula “Unidad mínima en la que se cumplen de forma continuada todas las características de lo vivo”  Individualidad. Estructura bien delimitada  Moléculas organizadas desafiando la entropía  Metabolismo complejo de alto rendimiento  Autorreplicación. Capaz de reproducirse a sí misma.  Capacidad de responder a estímulos y comunicarse con el medio  Capacidad de evolucionar  Un poco de historia Robert Hook (1665) – “Cell” Anton van Leeuwenhoek (Segunda mitad siglo XVII) – Microscopios simples de hasta 300X – Describe “animalículos” en gotas de agua estancada y en sus propios fluidos (células sanguíneas, espermatozoides…) Otros investigadores (finales siglo XVII) – Describen estructuras “celulares” en vegetales  Teoría Celular Matthias Schleiden (1838) y Theodor Schwann (1839) 1) Todos los organismos están compuestos por una o más células 2) La célula es la unidad estructural de la vida Rudolf Virchow (1855) 3) Toda célula proviene de otra preexistente Louis Pasteur Demuestra definitivamente la falsedad de la Teoría de la generación espontánea Teoría Celular Entidades Celulares Procariotas Entidades Celulares Eucariotas Procariotas Eucariotas  Procariotas  Membrana  Metabolismo complejo y  Pared bacteriana variado  Ribosomas 70s  No citoesqueleto*  Nucleoide (ADN2C circular)  No orgánulos  ARNm policistrónicos  Flagelos (diferentes a los  No mitosis de eucariotas)  No núcleo  Eucariotas  Membrana plasmática  Material genético rodeado por una envuelta (Núcleo)  Cromosomas complejos. Proteínas.  Mitosis y meiosis  Compartimentos internos (orgánulos con membrana)  Unicelulares y pluricelulares  Pueden formar tejidos, órganos y organismos ¿VENTAJAS?  Eucariotas  La presencia de orgánulos con membrana supone la posibilidad de COMPARTIMENTACIÓN: presencia de zonas estancas con diferentes condiciones físico-químicas en las que tienen lugar procesos distintos de modo eficiente.  La ordenación específica de los orgánulos aporta a las células eucariotas la posibilidad de presentar POLARIDAD (física y funcional). Eucariotas 1. Membrana plasmática Componentes de la célula eucariota 2. Citoplasma Citosol Inclusiones Citoesqueleto Orgánulos Sin membrana  Ribosomas  Centriolos Una membrana  Sistema de endomembranas RER y REL Aparato de Golgi Endosomas Lisosomas  Vacuolas  Peroxisomas Doble membrana  Plastos  Mitocondrias 3. Núcleo Envuelta (2 membranas) Nucleoplasma Cromatina En células vegetales, PARED CELULAR Nucleolo Compartimentación celular Condiciones diferentes  Compartimentación celular Desarrollo de funciones específicas de forma eficiente Compartimentación celular Condiciones diferentes  ¿Qué supone la presencia de compartimentos? Deben estar coordinados/conectados Aparición de elementos necesarios para preservar la integridad e individualidad de los compartimentos. Desarrollo de sistemas de transporte de elementos entre los diferentes compartimentos. Mecanismos de señalización que permitan la correcta comunicación entre compartimentos y con el exterior celular. Polaridad celular Polaridad celular Origen y evolución celular  Origen y evolución celular Primeros elementos “celulares” 3.800 millones de años Células fotosintéticas 3.000 millones de años Aparición del metabolismo oxidativo 2.800 millones de años Primeros eucariotas 2.700 millones de años Origen y evolución celular 1. Moléculas sencillas (Aleksandr Oparin, 1922 / Stanley Miller, 1953) 2. Polipéptidos y polinucleótidos 3. Moléculas autorreplicantes y autocatalíticas (ribozimas) 4. Primera “célula”: (PROTOBIONTE) PROGENOTE 5. Ancestro procariota anaeróbico con ADN: URGENOTE 6. Ancestro eucariota: URCARIOTA 7. Pluricelularidad  Origen y evolución celular 1924 - 1929 Aleksandr Oparin 1894-1980 John B.S. Haldane 1892-1964 Sopa “primigenia” Moléculas inorgánicas Agua Atmósfera reductora (CH4, H2, NH3) Alta temperatura Otras formas de energía Moléculas orgánicas sencillas  Origen y evolución celular Condiciones Abióticas / Sopa primigenia Stanley Miller 1930-2007 Harold C. Urey 1893-1981 Miller-Urey 1953 Síntesis espontánea de moléculas orgánicas  Origen y evolución celular Oparin-Haldane Síntesis abiogénica Compuestos orgánicos a partir de materia inorgánica en condiciones extremas Formación de polímeros Combinación de elementos Coacervación  Agregados de moléculas unidas por fuerzas electrostáticas  Proteínas complejas catalizadoras  PROTOBIONTE Primeras “células”  Gotas microscópicas de coacervados envolviendo nucleoproteínas  Heterótrofos anaerobios  Origen y evolución celular Oparin-Haldane Formación de polímeros - Heating and drying - Superficies metálicas como catalizadoras de reacciones químicas - Lugares con agua a alta temperatura y presión - Formación de membranas lipídicas que captan, seleccionan y concentran diferentes moléculas orgánicas.  Origen y evolución celular Membranas - Formas de retención de otras moléculas P protagonistas de reacciones químicas. Formación de estructuras membranosas a partir de Procesos más moléculas lipídicas anfipáticas efectivos - Moléculas internalizadas, no compartidas con otros sistemas. Ventaja metabólica. - Mantenimiento de las condiciones internas, diferentes de las del entorno. Homeostasis.  Origen y evolución celular Membranas - Protocelularidad Internalización de moléculas a la vez que tiene lugar la vesiculización. Atracción de las moléculas por la propia membrana y posterior internalización Jack William Szostak Premio nobel 2009  Origen y evolución celular Moléculas autorreplicantes y autocatalíticas Transmisión de la información. Replicación ARN: moléculas con características catalíticas y autorreplicantes que aseguran la duplicación de la información. ARN+proteínas=ribozimas ARNt Sistemas metabólicos complejos: eran los responsables de la replicación. Ésta sería más efectiva si estos sistemas replicantes se encontraran aislados en el interior de compartimentos membranosos Origen y evolución celular Interacciones moleculares ARNs especializados ARNm ARNt (adaptador) ARN ARN ADN ADN molécula mucho más estable que el ARN  Origen y evolución celular Código genético Traducción de la información Aparición del código genético: 3 nucleótidos =1 aminoácido Código universal ¿Origen común? ARNt LUCA: Last Universal Common Ancestor Algunos autores opinan que arqueas y bacterias no comparten ancestro, aunque el código genético sea idéntico En algún momento antes de LUCA, la molécula de almacenamiento de la información pasó a ser el ADN  Origen y evolución celular Procariotas Aparecieron hace unos 3500x106 años Representaron la única forma de vida durante 1500-2000x106 años Dos grupos - Bacterias - Archaeas Ambos reproducción asexual Diferencias en pared celular (peptidoglicano vs glucoproteínas) y en los lípidos de membrana Extremófilas (Archaeas) ADN asociado a histonas (Archaeas)  Origen y evolución celular Eucariotas Aparecieron hace unos 1500-2000x106 años Transición evolutiva - Gran complejidad morfológica (compartimentación+citoesqueleto) - Capaces de integrar otros genomas - Desarrollo de reproducción sexual - Capacidad para desarrollar organismos multicelulares Grupo monofilético - TODOS los Eucariotas derivan de un ancestro común, LECA - Los Eucariotas son una especie de quimera de Archaeas y Bacterias - Genes implicados en replicación y transcripción del ADN son más similares a los de Archaeas. - Genes implicados en procesos metabólicos son más similares a los de Bacterias.  Origen y evolución celular Eucariotas ¿De dónde surgieron los Eucariotas? LUCA LUCA Grupo de Archaeas “Asgard” Genes relaciondos con procesamiento del ADN y de citoesqueleto muy relacionados con los de Eucariotas actuales Los Eucariotas contienen 2-3 veces más genes de Bacterias que de Archaeas Origen y evolución celular Endosimbiosis ¿En qué grado de “Eucariotización” tuvo lugar la Endosimbiosis? Lynn Margulis 1938-2011  Origen y evolución celular Lynn Margulis 1938-2011  Origen y evolución celular Endosimbiosis Cuestiones Si la membrana de los nuevos compartimentos se debe a invaginaciones de la membrana de la Archaea ¿Cómo se han modificado los lípidos de membrana para ser más similares a los de bacterias? Bacterias y Archaeas actuales no pueden formar invaginaciones de su membrana que se liberen en el citoplasma, pero pueden formar vesículas que liberan al medio. Las mitocondrias producen “mitocondrial derived vesicles” que liberan al citoplasma. No se han hallado Archaeas con alta complejidad estructural  Origen y evolución celular Diversidad de procesos metabólicos -Heterótrofos Anaerobios: capaces de asimilar sustancias del medio sin necesitar de la presencia de O2 -Autótrofos: capaces de realizar la fijación de CO2 en compuestos orgánicos a partir de radiación solar y: - SH2 (u otros compuestos) - H2O (FOTOSÍNTESIS) Liberación de O2 a la atmósfera -Heterótrofos Aerobios: obtención de energía basada en la oxidación de compuestos orgánicos  Origen y evolución celular Diversidad de procesos metabólicos  PROCARIOTAS Arqueas - Ambientes extremos -Pocos elementos para sobrevivir - Metanógenos, halófilos, acidófilos Termófilos - Otros ambientes (océanos, suelo, intestino de animales,…) Bacterias - Mycoplasma (los más simples) - Cianobacterias (algas verdeazuladas) - Espiroquetas, Clamidias EUCARIOTAS - PROTISTAS: muchos de ellos eucariotas unicelulares (algas, protozoos,…) - METAFITAS (PLANTAE), METAZOA (ANIMALIA), FUNGI (HONGOS)  Origen y evolución celular Apoyos de la teoría de la endosimbiosis (Plastos/Mitocondrias)  Ribosomas similares a los de procariotas  ADN autónomo, circular y sin histonas  Doble membrana  Diferencias entre las membranas Ej.: Membrana mitocondrial interna con bombas de H+  Origen y evolución celular Pluricelularidad Eucariotas unicelulares Colonias  Origen y evolución celular Pluricelularidad Tejidos  Origen y evolución celular Pluricelularidad Adhesión Especialización Polarización Coordinación  Para conocer más How life evolved: 10 steps to the first cells http://www.newscientist.com/article/dn17987-how-life-evolved-10-steps-to-the-first-cells.html The evolution of the cell http://learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/organelles/ How did life originate? http://evolution.berkeley.edu/evosite/evo101/IIE2bDetailsoforigin.shtml