Módulo 1 - Biología Celular - PDF

MÓDULO 1 - BIOLOGÍA CELULAR TEMA 1: LA ORGANIZACIÓN ESTRUCTURAL DE LA CÉLULA Definición de célula Definición y objetivos de la Biología Celular La Teoría Celular Generalidades de las células: - Tipos de células - Estructura y compartimentos de la célula eucariota - Origen de...

MÓDULO 1 - BIOLOGÍA CELULAR TEMA 1: LA ORGANIZACIÓN ESTRUCTURAL DE LA CÉLULA Definición de célula Definición y objetivos de la Biología Celular La Teoría Celular Generalidades de las células: - Tipos de células - Estructura y compartimentos de la célula eucariota - Origen de la célula - Tamaño y forma de las células Niveles de organización Definición de tejido. Tipos generales de tejido Métodos de estudio en Biología Celular y Tisular - Protocolo histológico - Microscopio óptico y electrónico - Cultivos celulares - Fraccionamiento celular  LA CÉLULA La célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos. Staphylococcus Acanthamoeba keratitis Chlamydomonas reinhardtii aureus Unicelulares Organismos Lorenzo-Morales J et al. 2015 10m Bronquio Tejido sanguíneo Pluricelularidad Eritrocitos Leucocitos Epitelio pseudoestratificado ciliado Tejido conjuntivo laxo Tallo primario dicotiledónea https://mmegias.webs.uvigo.es/a-imagenes-grandes/epitelio_glandular_caliciformes.php https://mmegias.webs.uvigo.es/7-micro-virtual/tallo-dico.php  LOS PRIMEROS MICROSCOPIOS Y EL DESCUBRIMIENTO DE LA CÉLULA Ocular Lámpara de aceite Objetivo Muestra Zacharias Jansen Hans Lippershev 1665, Robert Hooke. Primer microscopio compuesto Micrographia. (1590-1600) Célula: del latín cellulam, diminutivo de cellam, celda Objetivo Ocular Microscopio simple 1670, Antonie van Leeuwenhoek https://www.discovermagazine.com/planet-earth/leeuwenhoeks-lucky-break https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/1-descubrimiento.php  LA BIOLOGÍA CELULAR Rama de la Biología que estudia la estructura, los procesos, las funciones, las interacciones y el comportamiento de las células. Bioquímica Citología Biología Molecular BIOLOGÍA CELULAR Citofisiología Genética E. B Wilson: “La clave de cada uno de los problemas biológicos se puede encontrar finalmente en la célula…”  LA TEORÍA CELULAR Todos los seres vivos están formados por células La célula es la unidad estructural y funcional de todos los seres vivos Matthias Friedrich Rudolf Toda célula proviene de otra célula Jakob Theodor Ludwig Karl Schleiden Schwann Virchow 1804-1881 1810-1882 1821-1902  APORTACIONES A LA TEORÍA CELULAR Camilo Golgi Santiago Ramón y Cajal 1843-1926 1852-1934 Premio Nobel de Fisiología o Medicina 1906 Doctrina de la neurona de Cajal: “el tejido cerebral está compuesto por células individuales”.  INICIOS DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR 1953 Rosalind Franklin 1920-1958 Francis Crick 1916-2004 y James Watson 1928- Premio Nobel de Fisiología y Medicina, 1962. Maurice Wilkins Maurice Wilkins, Francis Crick y James Watson 1916-2004 BIOLOGÍA MOLECULAR Proteínas Hemoglobina ARNs https://www.youtube.com/watch?v=gG7uCskUOrA https://www.youtube.com/watch?v=7Hk9jct2ozY  DESARROLLO DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR Bárbara McClintock 1902-1992 Citogenética - Recombinación genética durante la meiosis. - Transposones. Premio Nobel de Fisiología o Medicina, 1983. https://www.famousscientists.org/barbara-mcclintock/ Experimentos que mostraron la regulación de la actividad de los genes. Premio Nobel de Fisiología o Medicina, 1965. François Jacob Jaques Monod (1920-2013) (1910-1976) https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1965/summary/  DESARROLLO DE LA MICROSCOPÍA Microscopio de campo claro Microscopio de fluorescencia Microscopio electrónico  TIPOS DE CÉLULAS Procariota Eucariota Protista Fúngica Animal Vegetal LA CÉLULA PROCARIOTA Glycoproteins Polysaccharides ANIMAL LA CÉLULA EUCARIOTA VEGETAL  CÉLULA PROCARIOTA VS EUCARIOTA Procariota Eucariota Tamaño 1-10 m 10-100 m Membrana plasmática Sí Sí Envoltura nuclear No Sí ADN Una sola molécula circular de doble ADN lineal, de doble cadena, asociado a histonas cadena. Puede estar asociado a formando nucleosomas. En cloroplastos y proteínas, pero no forma mitocondrias hay ADN circular de doble cadena. nucleosomas. Cromosomas Único Múltiples División Fisión binaria Mitosis o meiosis, y citocinesis. Ribosomas 70S (50S+30S) en citoplasma 80S (60S+40S) en retículo endoplasmático rugoso, envoltura nuclear y citoplasma. En mitocondrias y cloroplastos más pequeños (55-80S) Sistema de Esbozos (mesosomas, lamelas Sí endomembranas fotosintéticas) Pared celular Sí (salvo micoplasmas) Sí (vegetal) Cloroplastos No Sí (vegetal) Vacuola No Sí (vegetal) Citoesqueleto Sí Sí Centriolos No Sí (animal) Movimientos Flagelo bacteriano Cilios, flagelos, pseudópodos Respiración Aeróbica o anaeróbica Aeróbica  ORIGEN DE LAS CÉLULAS Miles de millones de años Millones de años Fósil encontrado en el Oeste de Australia. Tiene 3500 millones de años y es similar a bacterias actuales (recuadro). https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/1-origen_celula.php  ORIGEN DE LAS CÉLULAS EUCARIOTAS LECA 1800 millones de años LECA: Last eukaryotic common ancestor https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/1-origen-eucariotas.php Árbol generado a partir de comparaciones de secuencias ARN ribosómico https://elpais.com/elpais/2020/01/17/ciencia/1579284583_584643.html https://naukas.com/2015/06/01/origen-las-celulas-eucariotas/ Alberts 6ª Ed. ORIGEN DE LAS CÉLULAS EUCARIOTAS Teoría endosimbionte Lynn Margulis, 1970 https://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/organelles.html  ORIGEN DE LAS CÉLULAS EUCARIOTAS Baum & Baum, 2014  TAMAÑO DE LAS CÉLULAS Eritrocito humano: 7,5m Espermatozoide humano: 6m (cabeza), 30m (longitud cola) Óvulo humano: 150m Motoneuronas: pueden llegar 1m de longitud Núcleo: 5-10m Orgánulos: 0,01-5m Ribosomas: 25nm  TAMAÑO DE LAS CÉLULAS ¿Por qué las células son pequeñas? Las células necesitan mantener una relación superficie-volumen elevada para mantener una alta capacidad de transporte de sustancias.  CONTROL DEL TAMAÑO CELULAR El ciclo celular Factores endógenos. - Receptores en la superficie celular. - Rutas de señalización (mTOR, integrina-ERK…) - Factores reguladores del ciclo celular (Ciclinas). - … Factores exógenos. - Factores de crecimiento (IGF, EGF…) - Mitógenos (GGF…) - Citoquinas - Estímulos físico-mecánicos - … Interfase: Periodo entre dos divisiones mitóticas. Por ejemplo: las células beta pancreáticas M: Mitosis. proliferan y aumentan de tamaño durante el embarazo. Si esto no ocurre puede desencadenarse una diabetes gestacional. FORMA DE LAS CÉLULAS Condicionada por: Información genética→ citoesqueleto, composición de las membranas… Presión mecánica que ejercen las células vecinas. Tensión superficial y medio en el que se encuentran. Función que desempeñan.  FUNCIONES DE LAS CÉLULAS Absorción Almacenamiento Comunicación de energía Contracción Secreción Reproducción  CARACTERÍSTICAS UNIVERSALES DE LAS CÉLULAS - Las células guardan su información hereditaria en el ADN. - Las células replican su información hereditaria mediante una polimerización sobre un molde. - Las células transcriben porciones de su información hereditaria en el ARN. - Las células realizan reacciones químicas variadas. - Las células traducen el ARN a proteína esencialmente de la misma manera. - Las células utilizan energía para diferentes procesos. - Las células están envueltas por una membrana plasmática por la que deben pasar los nutrientes y los materiales de desecho. - Las células se autorregulan. - Las células tienen la capacidad de responder ante los estímulos. National Cancer Institute  PLURICELULARIDAD Los organismos pluricelulares están formados por dos o más células que surgen del crecimiento y división de una sola célula. Diferentes células tienen diferentes funciones: enviar señales, síntesis de sustancias, realización de trabajo mecánico, mantenimiento de la estructura…. → Especialización  RUMBO A LA ESPECIALIZACIÓN Proceso mediante el cual una célula adquiere un compromiso para seguir un destino genéticamente programado. La célula pierde de forma progresiva su capacidad de formar otros tipos celulares a medida que progresa su Determinación desarrollo. Proceso por el cual una célula sufre modificaciones en su expresión génica para adquirir la morfología y las funciones de un tipo celular específico y Diferenciación diferente al resto de tipos celulares del organismo. Resultado de la diferenciación. Una célula especializada habrá sufrido una serie de cambios que le confieren una serie de características y función(es) Especialización específica(s).  CÉLULAS MADRE Toti/pluri/multi-potencia y autorrenovación 1976 2006 Ilmensee y Mintz: Describen Yamanaka: Obtiene células madre pluripotencia de las células madre pluripotentes inducidas (iPSC) embrionarias. Thomson y Gearhart: Aislan y cultivan células madre embrionarias (ESC). 1998 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6691074/ NIVELES DE ORGANIZACIÓN  TEJIDOS Definición: Conjunto de células y matriz extracelular, que interaccionan y cooperan entre sí para llevar a cabo una o varias funciones en el organismo. Tipos: Epitelial Muscular Nervioso Conjuntivo MÓDULO 1 - BIOLOGÍA CELULAR TEMA 1: LA ORGANIZACIÓN ESTRUCTURAL DE LA CÉLULA Definición de célula. Definición y objetivos de la Biología Celular. La Teoría Celular. Generalidades de las células: - Tipos de células. - Estructura y compartimentos de la célula eucariota. - Origen de la célula. - Tamaño y forma de las células. Niveles de organización Definición de tejido. Tipos generales de tejido. Métodos de estudio en Biología Celular y Tisular. - Protocolo histológico - Microscopio óptico y electrónico - Cultivos celulares - Fraccionamiento celular  PROTOCOLO HISTOLÓGICO https://mmegias.webs.uvigo.es/6-tecnicas/1-proceso.php  LA FIJACIÓN ¿Para qué? - Preservar las características morfológicas y moleculares de la muestra. - Evitar la degradación de la muestra por autolisis o por acción bacteriana. ¿Con qué? - Fijadores físicos: congelación - Fijadores químicos: formaldehído, glutaraldehído, etanol, metanol, Bouin (fijador y mordiente compuesto por ácido pícrico, formol, ácido acético), tetróxido de ósmio… ¿Cómo? Fijación química por inmersión Fijación química por perfusión Parámetros: Tamaño de la muestra Tiempo y temperatura Tipo de fijador Volumen: +10-20 Características fijador: Velocidad penetración Endurecimiento Ósmosis y pH https://mmegias.webs.uvigo.es/6-tecnicas/2-metodos-fijacion.php  LA INCLUSIÓN Para M.O. Para M.E. ¿Para qué? - Endurecer la muestra para poder obtener cortes finos ¿Con qué? ACLARAMIENTO - Para M.O.: Parafina, paraplast, celoidina O DIAFANIZACIÓN - Para M.E.: Resinas tipo epoxy: araldita, ACLARAMIENTO O epon, Spurr (ERL)… DIAFANIZACIÓN ¿Cómo? - Inmersión en medios de inclusión Piezas de Leuckart https://mmegias.webs.uvigo.es/6-tecnicas/3-parafina.php https://www.youtube.com/watch?v=irlymU-anio https://mmegias.webs.uvigo.es/6-tecnicas/3-resina.php  EL CORTE ¿Para qué? - Obtener secciones finas de la muestra ¿Con qué? Microtomo Ultramicrotomo Criostato semifinos 10-40 m Vibratomo ultrafinos 50 - 90 nm (ultrafino) 5-20 m 0,5 - 2 m (semifino) 20 – 200 m https://www.youtube.com/watch?v=nLZyTwOZZTk&t=4s https://mmegias.webs.uvigo.es/6-tecnicas/4-ultramicrotomos.php  EL MONTAJE Placa calefactora Solución albúmina Baño de flotación 35ºC https://mmegias.webs.uvigo.es/6-tecnicas/4-mparafina.php https://www.youtube.com/watch?v=psBVVnn54Tw  LA COLORACIÓN O TINCIÓN ¿Para qué? - Facilitar la observación de las preparaciones histológicas con el Microscopio Óptico ¿Con qué? - Colorantes: sustancias que tiñen los tejidos. Normalmente hidrosolubles y se unen a moléculas de la muestra por afinidad química. Cromóforo Color Naturaleza química del cromóforo Anillo Nitrosos (Pícrico), azoicos (Orange G, verde Jano), derivados de la acridina, aromático Auxocromo Unión de xanteno, de iminas quinónicas (azul de toluidina, orceína)… Colorantes naturales Naturaleza química del auxocromo Ejemplos Básicos o catiónicos Hematoxilina, azul de toluidina, azul de metileno… Ácidos o aniónicos Eritrosina, fucsina ácida, naranja G… Neutros Eosinato de azul de metileno carmín púrpura Indiferentes o hidrofóbicos Sudán IV Azul de toluidina Azul tripán Metacromático Colorante vital añil Hematoxilina Colorantes artificiales  EJEMPLOS DE TINCIONES HEMATOXILINA - EOSINA Cleveland-Rucker-Wolfe Hematoxilina Eritrosina Naranja G Azul de anilina Tricrómico de Masson Hematoxilina férrica de Weigert Fucsina https://mmegias.webs.uvigo.es/ https://mmegias.webs.uvigo.es/6-tecnicas/5-general.php Verde Luz 6-tecnicas/protocolos/p-tincion- https://www.youtube.com/watch?v=NPOqiPyaxo0&t=1s t-masson.php  HISTOQUÍMICA Técnica que implica reacciones químicas en las que intervienen moléculas de la muestra y que permite estudiar la distribución de una molécula o tipo de moléculas (glúcidos, proteínas o lípidos) en el tejido. Ejemplo: Técnica PAS: Peryodic Acid Schiff (ácido sulfuroso con fucsina) Detección de glúcidos (altas concentraciones) Hematoxilina-eosina PAS-hematoxilina Vellosidades intestinales cortadas transversalmente https://mmegias.webs.uvigo.es/6-tecnicas/5-histoquimica.php  EL CONTRASTE /LA METALIZACIÓN ¿Para qué? - Permitir la observación de las muestras con el Microscopio Electrónico. ¿Con qué? Contraste con metales pesados (MET): Recubrimiento por pulverización con material conductor (MEB): acetato de uranilo, citrato de plomo oro, platino… https://www.leica-microsystems.com/science-lab/life-science/brief-introduction-to-contrasting-for- em-sample-preparation/ https://www.leica-microsystems.com/science-lab/life-science/brief-introduction-to-critical-point-drying/  LA OBSERVACIÓN Límite de resolución (LR): Es la distancia mínima entre dos puntos que se pueden distinguir como entidades separadas. Poder de resolución (PR): Capacidad de distinguir dos puntos próximos como entidades separadas. Poder de resolución Límite de resolución MICROSCOPIO ÓPTICO COMPUESTO DE CAMPO CLARO Oculares Cabezal - Haz de luz visible - Lentes de vidrio - Límite de resolución ≈ 200 nm - Aumentos hasta 1000 – 1500x Revólver Objetivos Brazo Pinzas Platina Macrométrico Diafragma Condensador Micrométrico Fuente de iluminación Base Interruptor de encendido Reostato  TIPOS DE MICROSCOPIOS ÓPTICOS Campo claro Contraste de fases Contraste interferencial diferencial Campo oscuro https://www.scientifica.uk.com/learning-zone/a-guide-to-phase-contrast https://www.scientifica.uk.com/learning-zone/differential-interference-contrast https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/transcoded/f/f3/Dark_field_and_phase_contrast_microscopies.ogv/Dark_field_and_phase_contrast_microscopies.ogv.480p.vp9.webm  TIPOS DE MICROSCOPIOS ÓPTICOS Campo claro: La luz pasa a través de la muestra y se forma directamente la imagen. Campo oscuro: La luz incide de manera oblicua de manera que no entra en el objetivo, las estructuras enfocadas pueden dispersar los rayos de luz algunos de los cuales entran en el objetivo creando una imagen brillante en un fondo negro. Contraste de fases: La luz que atraviesa una muestra va a sufrir pequeños cambios de fase debido a los diferentes índices de refracción de las diferentes estructuras celulares. Estos microscopios transforman esos cambios de fase en cambios de la amplitud de la onda, lo que se traduce en cambios de brillo en la imagen aumentando el contraste de la misma. Contraste interferencial diferencial: El principio es similar al contraste de fases. En este caso la luz se polariza haciéndola pasar por un polarizador. La luz polarizada atraviesa la muestra y va a sufrir cambios de fase debido a los diferentes índices de refracción de las diferentes estructuras celulares. Los cambios de fase se traducen en una imagen con mayor contraste. LA FORMACIÓN DE LA IMAGEN EN EL M.O. Imagen intermedia: Objeto Imagen real real aumentada invertida Imagen final: Imagen virtual aumentada invertida https://www.fisicalab.com/apartado/microscopio  LÍMITE Y PODER DE RESOLUCIÓN Límite de resolución (LR): Es la distancia mínima entre dos puntos que se pueden distinguir como entidades separadas. Poder de resolución (PR): Capacidad de distinguir dos puntos próximos como entidades separadas. 𝜆 1 𝐿𝑅 = 𝑘 𝐴𝑁 = 𝑛 ∗ 𝑠𝑒𝑛μ 𝑃𝑅 = 𝐴𝑁 𝐿𝑅 PR = poder de resolución Apertura numérica LR = límite de resolución Medida de la capacidad de captar luz y resolver λ = longitud de onda detalles finos de un objetivo AN = apertura numérica k = constante de Abbe = 0,61 n = índice de refracción naire= 1 naceite de inmersión= 1,5 μ = la mitad del ángulo de apertura LR ojo humano ≈ 0,2 mm LR MO ≈ 200 nm LR MET ≈ 0,2 nm LR MEB ≈ 10 nm https://micro.magnet.fsu.edu/primer/anatomy/numaperture.html  AUMENTO VS RESOLUCIÓN Más resolución Menos resolución Menos aumento Más aumento Aumentos de una imagen de microscopía = Aumentos del ocular x Aumentos del objetivo  INMUNOHISTOQUÍMICA E INMUNOFLUORESCENCIA Técnicas que permiten detectar y hacer visible un antígeno específico, ya sea a nivel tisular o a nivel celular. 1970. Albert Coons desarrolló la inmunofluorescencia. Inmunohistoquímica Inmunofluorescencia Inmunocitoquímica Luz de Luz de excitación emisión Cromógeno Sustrato Enzima Fluoróforo Anticuerpo 2° Anticuerpo 2° Anticuerpo 1° Anticuerpo 1° Antígeno Antígeno https://www.thelancet.com/journals/lanres/article/PIIS2213-2600(16)00020-5/fulltext  INMUNOHISTOQUÍMICA E INMUNOFLUORESCENCIA Detección de insulina por inmunofluorescencia en páncreas humano. Detección de insulina por inmunofluorescencia en línea celular RIN-5F en Detección de insulina por cultivo. inmunohistoquímica en páncreas humano. MICROSCOPÍA DE FLUORESCENCIA Inmunofluorescencia Fibroblastos humanos en cultivo Núcleos/ Actina / Tubulina Proteínas fluorescentes Neuronas piramidales corticales expresando GFP MICROSCOPÍA CONFOCAL Sección de riñón de ratón Epifluorescencia Confocal https://en.wikipedia.org/wiki/File:Fluorescent_and_confocal_microscopes.ogg https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/techniques/confocal/confocalintro/  MICROSCOPÍA DE SUPERRESOLUCIÓN Premio Nobel en Química, 2014 Confocal STED Stimulated Emission Depletion LR: 30-80 nm http://zeiss-campus.magnet.fsu.edu/articles/superresolution/introduction.html https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jnc.13257  HIBRIDACIÓN IN SITU (ISH) Detección de una secuencia de nucleótidos específica en las células. Imagen de ISH que muestra la alta expresión del receptor de glutamato AMPA1 en el hipocampo de ratón (Allen Brain Atlas). Si el anticuerpo se conjuga a un fluoróforo → FISH (Fluorescence in situ hibridization) NBT: Nitro Blue Tetrazolium BCIP: 5-Bromo-4-cloro-3-indolyl fosfato https://mmegias.webs.uvigo.es/6-tecnicas/5-hibridacion.php  MICROSCOPIO ELECTRÓNICO Louis de Broglie. En su tesis (1924), investigó sobre la teoría cuántica. Postuló la dualidad onda-partícula: toda partícula lleva asociada una radiación electromagnética. Un conjunto de partículas, como un haz de electrones moviéndose a una determinada velocidad se comportan como una onda. Premio Nobel de Física en 1929. 𝑘∗𝜆 𝐿𝑅 = 𝐴𝑁 Ernst Ruska. Construyó el primer La  de los electrones es unas 2.000 microscopio electrónico en 1933. veces inferior a la de los fotones. Premio Nobel de Física en 1986.  MICROSCOPIO ELECTRÓNICO Microscopio electrónico de transmisión Microscopio electrónico de barrido  COMPARACIÓN DE MICROSCOPIOS - Haz de electrones - Electroimanes - MET LR = 0,2 nm. Aumentos ≈ 500.000x - 50.000.000x - MEB LR = 10 nm. Aumentos ≈ 20.000x – 1.000.000x https://www.thermofisher.com/es/es/home/materials-science/learning-center/applications/sem-tem- Ross 7ªEd difference.html  MICROSCOPIO ELECTRÓNICO Microscopio electrónico de transmisión Microscopio electrónico de barrido  CULTIVOS CELULARES Conjunto de técnicas que permiten el mantenimiento de células “in vitro”, manteniendo lo máximo posible sus características morfológicas, fisiológicas, bioquímicas y genéticas que presentan en el organismo “in vivo”. CULTIVOS CELULARES https://www.lgcstandards-atcc.org/?geo_country=es  APLICACIONES DE LOS CULTIVOS CELULARES Investigación: Estudios Producción de: Biología celular toxicológicos y anticuerpos monoclonales, proteínas Bioquímica farmacológicos terapéuticas, vacunas, vectores de Virología terapia génica, terapia celular Inmunología Anticuerpo Interferón -1a AAV Fecundación in vitro Diagnóstico Regeneración de tejidos FRACCIONAMIENTO CELULAR Centrifugación diferencial Centrifugación en gradiente de densidad