Introducción al estudio de la célula y la biología molecular PDF

**Introducción al estudio de la célula y la biología molecular** ================================================================ **Descubrimiento de las células** --------------------------------- **Dificultad de estudiar las células** Tamaño y complejidad Las células y sus estructuras son d...

**Introducción al estudio de la célula y la biología molecular** ================================================================ **Descubrimiento de las células** --------------------------------- **Dificultad de estudiar las células** Tamaño y complejidad Las células y sus estructuras son demasiado pequeñas para ser vistas, escuchadas o tocadas directamente. ---------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Publicaciones A pesar de esta limitación, las células son objeto de miles de estudios y publicaciones anuales. Estudio exhaustivo Prácticamente todos los aspectos de la estructura celular se investigan a fondo. **Comparación con otros campos científicos** Astronomía Uso de telescopios en órbita para capturar imágenes de galaxias lejanas que existieron poco después del Big Bang. ---------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Física nuclear Colisiones de protones a velocidades cercanas a la luz para confirmar la existencia del bosón de Higgs. **Enfoque reduccionista en la biología celular y molecular** Reduccionismo La biología celular y molecular se basa en la idea de que entender las partes puede explicar el funcionamiento del todo. ------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Maquinaria celular El enfoque busca explicar la vida en términos de la "maquinaria" del sistema viviente. Apreciación de la complejidad Aunque se pueda perder la percepción de maravilla, se sustituye con la admiración por la belleza y complejidad de los mecanismos celulares. **Microscopia** --------------- **Observación de las células y microscopios** Tamaño de las células Las células son tan pequeñas que solo pueden ser observadas con un microscopio. -------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Función del microscopio El microscopio proporciona una imagen ampliada de objetos diminutos. Historia de las lentes ópticas Las lentes ópticas se hicieron por primera vez en Europa en el siglo XIII, y los primeros microscopios compuestos en el siglo XVI. **Descubrimiento de las células por Robert Hooke** Robert Hooke Microscopista inglés, conservador de la Royal Society of London a los 27 años. ------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Descubrimiento de las células Hooke observó las paredes celulares vacías del corcho en 1665, describiendo su apariencia porosa, similar a un panal de abejas. Término "células" Hooke utilizó el término "células" porque los poros observados le recordaban las celdas de los monasterios. **Contribuciones de Antonie van Leeuwenhoek** Antonie van Leeuwenhoek Comerciante holandés de ropa y botones que construía microscopios simples de alta calidad en su tiempo libre. ------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Descubrimiento de animálculos Fue el primero en observar organismos microscópicos ("animálculos") en una gota de agua estancada. Observaciones de bacterias También describió diversas formas de bacterias obtenidas del agua con pimienta y de sus dientes. **Teoría celular** ------------------ **Aportes de Matthias Schleiden** Matthias Schleiden Botánico alemán, inicialmente abogado, que contribuyó a la teoría celular en la década de 1830. --------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------- Descubrimiento en plantas Concluyó que las plantas están hechas de células y que el embrión de la planta surge de una célula. **Aportes de Theodor Schwann** +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Theodor Schwann | Zoólogo alemán, colega de | | | Schleiden, quien estudió la vida | | | animal en relación con las | | | células. | +===================================+===================================+ | Similitud entre plantas y | Concluyó que las células de | | animales | plantas y animales son similares | | | en estructura. | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | Principios de la teoría celular | 1\. Todos los organismos están | | | compuestos por una o más | | | células. | | | | | | 2\. La célula es la unidad | | | estructural de la vida. | +-----------------------------------+-----------------------------------+ **Limitaciones iniciales en el origen de las células** Teoría incorrecta sobre el origen celular Schleiden y Schwann creían que las células surgían de materiales no celulares. ------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------- Rechazo de la generación espontánea Pasaron varios años antes de que se demostrara que las células no surgían de esta manera. **Aporte de Rudolf Virchow** Rudolf Virchow Patólogo alemán que en 1855 introdujo el tercer principio de la teoría celular. --------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- Tercer principio de la teoría celular Las células solo pueden surgir por la división de una célula preexistente. **Propiedades básicas de las células** -------------------------------------- **Las células y la vida** Propiedad de la vida Las células son las unidades más pequeñas que exhiben vida. Pueden crecer y reproducirse en laboratorio. ---------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Muerte celular La muerte es una propiedad básica de las células vivas. Las células pueden morir por un programa interno. Células HeLa Primer cultivo de células humanas de Henrietta Lacks en 1951, todavía usado en laboratorios. **Complejidad y organización celular** Complejidad celular Las células son altamente complejas y organizadas; requieren un control preciso para funcionar correctamente. ------------------------------------ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Precisión en actividades celulares Ejemplo: la duplicación del DNA tiene una tasa de error extremadamente baja gracias a mecanismos de reparación. Consistencia en la organización Células y organelos presentan formas y composiciones consistentes en distintos organismos. **Niveles de organización celular** Tejido epitelial Las células del intestino están conectadas como ladrillos, con microvellosidades que facilitan la absorción de nutrientes. ------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Microvellosidades Estructuras que sobresalen hacia la luz intestinal, sostenidas por filamentos de actina. Mitocondrias En la base de las células intestinales, proveen energía para procesos de transporte. Mitocondria y su organización Formadas por membranas con patrones definidos, contienen un mecanismo sintetizador de ATP. **Eventos estocásticos y organización** Eventos estocásticos A pesar de su orden, las células usan el movimiento aleatorio de moléculas impulsado por energía térmica para dirigir procesos esenciales. ----------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ejemplo: Plegamiento de proteínas Aunque el plegamiento de proteínas es impulsado por movimientos aleatorios, ocurre rápidamente gracias a vías que guían el proceso. **Programas genéticos y evolución** Programa genético Los genes contienen la información necesaria para construir y ejecutar actividades celulares, así como para replicarse. -------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Variación genética y evolución Las mutaciones en los genes producen variaciones entre los individuos, base de la evolución biológica. Conservación evolutiva Estructuras y procesos básicos, como los filamentos de actina y la síntesis de ATP, son similares en organismos diversos. **Reproducción celular** División celular Las células se reproducen por división. La célula madre distribuye su contenido en dos células hijas. ----------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Duplicación del material genético Antes de la división, el material genético se duplica para que cada célula hija reciba una copia completa. Células hijas En la mayoría de los casos, las dos células hijas tienen el mismo volumen y material genético, aunque en algunos casos, como en el ovocito humano, la distribución del citoplasma puede variar. **Energía en las células** Adquisición de energía Las células adquieren energía del ambiente, principalmente del Sol, mediante la fotosíntesis en células fotosintéticas. --------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Almacenamiento de energía La energía de la luz se convierte en energía química (carbohidratos como sacarosa o almidón). Metabolismo en células animales En animales, la glucosa circula por la sangre y se convierte en ATP para ser usada en diversas actividades celulares. Recambio celular Las células utilizan mucha energía para reconstruir y descomponer macromoléculas y organelos, manteniendo su integridad. **Reacciones químicas celulares** Metabolismo celular Las células llevan a cabo cientos de reacciones químicas diferentes, que constituyen su metabolismo. --------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Enzimas Las enzimas son moléculas que aceleran las reacciones químicas, siendo fundamentales para el metabolismo celular. **Actividades mecánicas en las células** Transporte y ensamblaje Las células transportan materiales y ensamblan estructuras que luego pueden desmontarse rápidamente. ------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Proteínas motoras Cambios en las proteínas motoras permiten actividades mecánicas, como el movimiento celular. **Respuesta a estímulos** Respuesta a estímulos externos Las células responden a estímulos alterando sus actividades metabólicas, moviéndose o autodestruyéndose. -------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Receptores celulares Las células poseen receptores que interactúan con hormonas, factores de crecimiento y materiales extracelulares. **Autorregulación celular** Robustez celular Las células son robustas, capaces de autorregularse frente a fluctuaciones peligrosas mediante circuitos de retroalimentación. -------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Errores en la regulación Fallas en la regulación celular pueden resultar en mutaciones o células cancerosas. **Evolución de las células** Origen celular Las células se originaron de formas de vida precelulares que evolucionaron a partir de materiales orgánicos. ---------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- LUCA Todos los organismos vivos comparten un ancestro común, conocido como LUCA (último ancestro común universal). Evolución celular continua La evolución celular sigue ocurriendo, como en la resistencia bacteriana a los antibióticos. **Características que distinguen a las células procariotas y eucariotas** ------------------------------------------------------------------------- **Clasificación de las Células** Procariotas Células más simples, sin núcleo verdadero. Incluyen bacterias y cianobacterias. ------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Eucariotas Células más complejas, con núcleo verdadero y organelos. Incluyen protistas, hongos, plantas y animales. **Características de las Células Procariotas y Eucariotas** Propiedad Procariotas Eucariotas --------------- -------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Tamaño Generalmente más pequeñas. Generalmente más grandes. Núcleo No tienen núcleo, el material genético está en el nucleoide. Tienen un núcleo rodeado por una envoltura nuclear. DNA Un único cromosoma circular. Múltiples cromosomas lineales. Cromatina No presente. DNA asociado a proteínas formando cromatina. Organelos Ausentes o muy pocos. Tienen organelos membranosos como mitocondrias, retículo endoplasmático y cloroplastos (en plantas). Citoplasma No contiene organelos membranosos, con excepción de cianobacterias. Lleno de organelos membranosos y estructuras como el citoesqueleto. Ribosomas Menores y más simples. Más grandes y complejos. Pared Celular Presente en bacterias, con una composición química diferente a las eucariotas. Presente en plantas y hongos, con una composición química diferente. **Origen Evolutivo de las Células** Aparición de las Procariotas Evidencia de vida procariota hace aproximadamente 2.700 millones de años. Las cianobacterias aparecieron hace 2.400 millones de años, cuando la atmósfera comenzó a llenarse de oxígeno debido a la fotosíntesis. ------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Aparición de las Eucariotas Organismos eucariotas más simples existieron hace más de 1.000 millones de años. Los organismos pluricelulares complejos aparecieron hace unos 600 millones de años. Relación Evolutiva Las eucariotas evolucionaron a partir de procariotas. Ambas comparten un lenguaje genético y vías metabólicas similares debido a su ancestro común. **Organelos Eucarióticos y sus Funciones** Organelo Función ------------------------- ------------------------------------------------------------------------------- Mitocondrias Producen energía química (ATP) para las actividades celulares. Retículo Endoplasmático Fabrica proteínas y lípidos. Complejo de Golgi Clasifica, modifica y transporta materiales a destinos celulares específicos. Cloroplastos (plantas) Lugar donde se realiza la fotosíntesis. Vacuola (plantas) Almacena sustancias y puede ocupar gran parte del volumen celular. Citoesqueleto Estructura de soporte, movimiento y contractilidad. **Diferencias entre Procariotas y Eucariotas en el Citoplasma** Propiedad Procariotas Eucariotas --------------------------- --------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------- Estructura del Citoplasma Desprovisto de estructuras membranosas, excepto en cianobacterias. Lleno de organelos membranosos como mitocondrias, retículo endoplasmático y vesículas. Membranas Citoplasmáticas No forman sistemas complejos de canales y vesículas. Forman un sistema de canales y vesículas interconectados para el transporte intracelular. Citoesqueleto Muy simple. Complejo, compuesto por túbulos y filamentos. Ribosomas Más pequeños, pero con funciones similares a los de las eucariotas. Más grandes y complejos. **Reproducción Celular** Tipo de Célula Método de División ---------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------- Procariotas Fisión binaria: proceso más simple de división celular. Eucariotas Mitosis: proceso más complejo que involucra la condensación y segregación de cromosomas duplicados.   **Tipos de células procariotas** -------------------------------- **Clasificación de las Células Procariotas** Dominio Descripción Ejemplos de Organismos --------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------- Archaea (Arqueobacterias) Procariotas que a menudo viven en ambientes extremos. Están más estrechamente relacionados con las eucariotas que con las Bacteria. Metanógenos, Halófilos, Acidófilos, Termófilos, Hipertermófilos Bacteria (Eubacterias) Procariotas más comunes que habitan una amplia variedad de ambientes. Incluye la célula más pequeña conocida, el micoplasma. Cianobacterias, Escherichia coli, Staphylococcus aureus **Características del Dominio Archaea** Ambientes Extremos Incluye organismos que viven en condiciones inhóspitas como alta salinidad, acidez extrema, altas temperaturas y ambientes anaeróbicos. -------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Metanógenos Capaces de convertir CO₂ y H₂ en metano (CH₄). Halófilos Viven en ambientes con alta salinidad, como el Mar Muerto. Acidófilos Prosperan en ambientes altamente ácidos, con pH tan bajo como 0. Termófilos e Hipertermófilos Viven a temperaturas muy altas, incluyendo respiraderos hidrotermales submarinos. Genética y Metabolismo Similitudes genéticas con eucariotas. Poseen rutas metabólicas únicas adaptadas a sus entornos extremos. Presencia en Ambientes Comunes Muchas Archaea también habitan en ambientes con condiciones normales de temperatura, pH y salinidad. **Características del Dominio Bacteria** Diversidad de Hábitats Presente en todos los hábitats de la Tierra, desde hielo y desiertos hasta ambientes internos de plantas y animales. ------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Tamaño y Genoma Incluye la célula más pequeña conocida, el micoplasma (0.2 μm), con menos de 500 genes. Cianobacterias Procariotas más complejas con membranas citoplasmáticas para la fotosíntesis y capacidad de fijación de nitrógeno. Estructuras Membranales Membranas fotosintéticas similares a las de los cloroplastos eucariotas. Capacidad Metabólica Realizan fotosíntesis, fijación de nitrógeno y otras rutas metabólicas esenciales para diversos ecosistemas. Impacto Ecológico Importantes en ciclos biogeoquímicos, como el ciclo del carbono y del nitrógeno. **Diversidad y Hábitats de Procariotas** Diversidad Específica Se estima que existen millones de especies procariotas, aunque solo alrededor de 6,000 han sido identificadas tradicionalmente. ---------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Hábitats Extremos Incluyen respiraderos hidrotermales, desiertos, ambientes salinos como el Mar Muerto, y sedimentos profundos. Sedimentos Subsuperficiales Más del 90% de las procariotas viven en sedimentos profundos, con nutrientes extremadamente limitados. Crecimiento y División Algunos microbios en sedimentos profundos se dividen solo una vez cada varios cientos de años debido a la escasez de nutrientes. Colonización de Nuevos Ambientes Las cianobacterias, por ejemplo, son pioneras en colonizar rocas desnudas tras erupciones volcánicas. **Técnicas para Estudiar la Diversidad Procariota** Técnica Descripción Aplicaciones --------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------- Cultivo en Medio de Cultivo Crecimiento de microorganismos en condiciones controladas para su identificación y estudio. Identificación de patógenos en infecciones humanas. Técnicas Moleculares de Secuenciación Análisis de secuencias de DNA directamente de muestras ambientales sin necesidad de cultivo. Estudio de la diversidad microbiana en océanos, suelos y microbioma humano. Metagenómica Secuenciación del genoma colectivo de una comunidad microbiana. Comprensión de las funciones metabólicas y las interacciones dentro de comunidades microbianas. Análisis de Secuencias de Genes Conservados Uso de genes como los ribosomales para determinar relaciones filogenéticas y diversidad. Clasificación de especies y estudio de su evolución. **Microbioma Humano** Definición Conjunto de microbios que residen en diferentes partes del cuerpo humano, como el tracto intestinal, la boca, la vagina y la piel. --------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Diversidad Contiene más de 1,000 especies diferentes de bacterias y más de tres millones de genes microbianos. Funciones de los Microbios Síntesis de vitaminas, descomposición de azúcares complejos, prevención del crecimiento de patógenos. Impacto en la Salud Diferencias en la composición bacteriana están asociadas con condiciones como la obesidad. Estudios Recientes Investigaciones han mostrado que la pérdida de peso en personas obesas altera su perfil bacteriano hacia uno más similar al de personas delgadas. Importancia de la Investigación Comprender el microbioma humano es crucial para el desarrollo de tratamientos personalizados y mejorar la salud general. **Comparación General entre Archaea y Bacteria** Característica Archaea Bacteria ------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------ Ambientes Habitables Predominantemente ambientes extremos, aunque también en condiciones normales. Amplia variedad de hábitats, desde extremos hasta ambientes comunes. Estructura del Genoma Generalmente tienen cromosomas circulares con características genéticas similares a eucariotas. Tienen cromosomas generalmente circulares, con algunos excepciones. Composición de la Membrana Celular Éteres en los enlaces de lípidos de la membrana. Ésteres en los enlaces de lípidos de la membrana. Ribosomas Estructuralmente diferentes de los ribosomas bacterianos. Ribosomas más pequeños y distintos de los de Archaea. Relación Filogenética Más cercanos a las eucariotas que a las Bacteria. Forman un dominio separado, más distantes de Archaea y eucariotas. Capacidades Metabólicas Incluyen metanogénesis, halofilia, termofilia, entre otras. Incluyen fotosíntesis, fijación de nitrógeno, y múltiples rutas metabólicas. **Importancia Ecológica de las Células Procariotas** Ciclos Biogeoquímicos Participan en ciclos del carbono, nitrógeno, azufre y otros elementos esenciales para la vida. ------------------------------------------ ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Producción de Oxígeno Las cianobacterias realizaron la primera gran producción de oxígeno a través de la fotosíntesis, cambiando la atmósfera terrestre. Fijación de Nitrógeno Convierte N₂ en formas utilizables por organismos vivos, esencial para la síntesis de aminoácidos y ácidos nucleicos. Descomposición y Reciclaje de Nutrientes Descomponen materia orgánica, reciclando nutrientes vitales en los ecosistemas. Simbiogénesis Algunas procariotas forman relaciones simbióticas con eucariotas, como las mitocondrias y cloroplastos en células eucariotas. **Tipos de células eucariotas** ------------------------------- **Células Eucariotas y Organismos Unicelulares Complejos** Complejidad Las células eucariotas más complejas se encuentran entre los protistas unicelulares. ------------- ------------------------------------------------------------------------------------------ Funciones Percibir el entorno, atrapar alimentos, expulsar exceso de líquido, evadir depredadores. **Diferenciación Celular** Definición Proceso mediante el cual células especializadas realizan diversas actividades. ---------------------- ---------------------------------------------------------------------------------- Ejemplo Un óvulo fertilizado desarrolla aproximadamente 250 tipos diferentes de células. Factores Influyentes Señales del entorno y posición dentro del embrión. Aplicaciones Controlar el proceso de diferenciación para tratar enfermedades complejas. **Especialización de Células** Tipo de Célula Características --------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------ Células del Músculo Esquelético Poseen filamentos alineados compuestos por proteínas contráctiles. Células del Cartílago Rodeadas por una matriz de polisacáridos y colágeno, proporcionando soporte. Glóbulos Rojos Sacos en forma de disco llenos de hemoglobina para transportar oxígeno. **Organismos Modelo en Biología** **Organismo** **Tipo** **Ventajas** ------------------------------ ----------------------- ----------------------------------------------------------------- **E. coli** **Procariota** Fácil de cultivar, rápida reproducción. **Saccharomyces cerevisiae** **Eucariota** Modelo para estudios de genética y metabolismo. **Arabidopsis thaliana** **Planta** Sistema simple para estudios de desarrollo vegetal. **Caenorhabditis elegans** **Nematodo** Transparente, fácil de observar desarrollo celular. **Drosophila melanogaster** **Mosca de la fruta** Modelo para estudios genéticos y del desarrollo. **Mus musculus** **Mamífero** Similitudes con humanos, utilizado en estudios de enfermedades. **Células Madre Adultas** Ejemplo Células madre hematopoyéticas en la médula ósea. ----------------------------- ------------------------------------------------------------- Definición de Células Madre Células indiferenciadas que: 1\. Autorrenovación Tienen la capacidad de producir más células idénticas. 2\. Multipotencia Pueden diferenciarse en dos o más tipos de células maduras. **Células Madre Embrionarias** Definición Células madre aisladas de embriones de mamíferos muy jóvenes. --------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------- Función Estas células dan lugar a todas las diversas estructuras del feto mamífero. Pluripotencia A diferencia de las células madre adultas, las células madre embrionarias son pluripotentes. **Células Madre Pluripotentes Inducidas:** Se pensaba que la diferenciación celular en mamíferos era irreversible; una célula diferenciada no podía convertirse en otro tipo de célula.