UD1_FG 3.pdf - Resumen de Estructura y Organización General del Organismo Humano

UNIDAD 1: ESTRUCTURA Y ORGANIZACIÓN GENERAL DEL ORGANISMO HUMANO. CITOLOGÍA GENERAL. Módulo Profesional: Fisiopatología general 1 Índice RESUMEN INTRODUCTORIO............................................................................ 3 INTRODUCCIÓN......................................................

UNIDAD 1: ESTRUCTURA Y ORGANIZACIÓN GENERAL DEL ORGANISMO HUMANO. CITOLOGÍA GENERAL. Módulo Profesional: Fisiopatología general 1 Índice RESUMEN INTRODUCTORIO............................................................................ 3 INTRODUCCIÓN............................................................................................ 3 CASO INTRODUCTORIO.................................................................................. 3 1. NIVELES DE ORGANIZACIÓN BIOLÓGICOS.................................................... 5 1.1 La célula.............................................................................................. 6 1.2 Los tejidos........................................................................................... 7 1.3 Los órganos........................................................................................ 10 1.4 Los sistemas....................................................................................... 11 1.5 Los aparatos...................................................................................... 12 2. CITOLOGÍA GENERAL............................................................................... 14 3. COMPOSICIÓN DE LA CÉLULA.................................................................... 16 3.1 Estudios que condujeron al desarrollo de la teoría celular........................... 17 3. 2 La membrana plasmática..................................................................... 22 3.3. Citoplasma........................................................................................ 25 3.4 El núcleo............................................................................................ 36 3.5. Cilios y flagelos.................................................................................. 39 4. MITOSIS................................................................................................ 42 5. EMBRIOLOGÍA GENERAL HUMANA.............................................................. 46 5.1 Gametogénesis................................................................................... 47 5.2. Desarrollo embrionario........................................................................ 50 RESUMEN................................................................................................... 56 2 RESUMEN INTRODUCTORIO. En esta unidad, “Estructura y organización general del organismo humano. Citología general” estudiaremos y reconoceremos la estructura y organización general del organismo humano. Se desarrollará un análisis de la estructura jerárquica del organismo, así como la citología: estructura celular, componentes y funciones. Finalmente abarcaremos la embriología general humana. INTRODUCCIÓN. La biología sostiene que la vida se originó a partir de la interacción de distintos átomos que se fusionaron para formar moléculas más complejas que son la base de las estructuras vivas; moléculas como los glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc. A lo largo de la evolución, esta materia se fue organizando de modo cada vez más complejo hasta que aparecieron los primeros seres vivos. La célula, a través de la evolución, también ha ido adquiriendo complejidad. Según el grado de diferenciación estructural, se han establecido dos niveles de organización celular: célula eucariota y célula procariota. CASO INTRODUCTORIO. No es nada nuevo afirmar que todos los organismos estamos formados por células. A pesar de todos los avances y descubrimientos, siempre es posible encontrar nuevas respuestas. Como Técnico Superior en Anatomía Patológica / Laboratorio Clínico y Biomédico, deberás ser capaz de entender los diferentes niveles de organización del ser humano, desde su nivel más elemental, para así, poco a poco llegar al nivel celular y al nivel anatómico. Básico para el futuro profesional es conocer, la estructura celular, su funcionamiento, el ciclo celular, todo imprescindible para poder razonar algunas cuestiones tales como; ¿Cómo actúan las células en su estado natural? ¿Y en su estado alterado? ¿Qué cambios sufre la célula desde que se forma hasta que se divide? ¿Qué causas 3 hacen que aparezcan las diferentes patologías?, ¿Cómo puede afectar a nivel de organismo, una lesión celular? Al finalizar esta unidad serás capaz de responder a estas cuestiones y de tener una idea global entendiendo que, básicamente, somos células, tejidos, órganos y sistemas, que actúan en conjunto y que un mal funcionamiento a nivel celular florece a nivel de organismo, afectando a los diferentes sistemas. Más adelante se profundizará en los distintos tipos de tejidos, las alteraciones de las células, lesiones, muerte celular y diferentes patologías y trastornos relativos a los sistemas y aparatos estudiados. 4 1. NIVELES DE ORGANIZACIÓN BIOLÓGICOS. Nos encontramos en el Instituto Anatómico forense, en el departamento de anatomía patológica, lugar cuya organización debe ser la correcta para alcanzar los objetivos de esta especialidad. En este departamento, se necesita un montaje mínimo y un reducido personal, el médico especialista en anatomía patológica y varios técnicos especialistas en dicha materia, para el estudio de los órganos, las células y los tejidos, ya que ese es el objetivo en común de la anatomía patológica y la histología. En este departamento encontramos el laboratorio con diferentes estancias y la sala de autopsias. Existe una estructura jerárquica en el organismo. Estos niveles estructurales de organización biológicos son: Célula- tejido- órgano- sistema- aparato- organismo. En cada nivel aparecen nuevas características que no existían en niveles anteriores. El nivel básico es la célula (la estudia la citología). Un conjunto de células dará lugar a un tejido (los tejidos los estudia la Histología). Un conjunto de tejidos formará un órgano (los estudia la Organografía). Un conjunto de órganos dará lugar a un aparato o sistema (lo estudia la Anatomía), y el conjunto de éstos darán lugar a un Individuo. 5 Imagen 1. Representación de los distintos niveles biológicos de organización, poniendo como ejemplo el sistema muscular. VIDEO DE INTERÉS En el siguiente vídeo podrás observar los diferentes niveles de organización humana desde el nivel atómico hasta los sistemas y aparatos. https://www.youtube.com/watch?v=W5ESSVQZw3Q&index=89&lis t=WL 1.1 La célula La célula es la unidad anatómica y fisiológica de todos los seres vivos. Todos éstos están constituidos por una o más células. Hay dos tipos de células: -Células somáticas: Constituyen la mayoría de las células de nuestro cuerpo y contienen toda la información genética de un individuo. Dicha información viene organizada en 23 pares de cromosomas, 23 procedentes de la madre (óvulo) y 23 del padre (espermatozoide) que se unieron en la fecundación. Son células diploides: 2n cromosomas, 2x23 cromosomas. -Células germinales o sexuales (gametos): Situadas en las gónadas femenina (ovario) y masculina (testículos). Contienen la mitad de la información genética: 23 cromosomas. Son células haploides: n cromosomas, 23 cromosomas. Necesitan 6 unirse al gameto complementario (fecundación), para completar así la información y dar origen a un individuo completo. Imagen 2. Tipos de células: germinales (haploides) y somáticas (diploides) 1.2 Los tejidos Los tejidos son un conjunto de células que tienen un mismo origen embrionario, y que se diferencian y agrupan para cumplir una función determinada. Por tejido se entiende a un conjunto de células de la misma naturaleza, diferenciadas de un modo determinado, ordenadas regularmente. Un tejido puede estar constituido por células de una sola clase, todas iguales, o por varios tipos de células ordenadamente dispuestas (un epitelio está formado sólo por células epiteliales pero la sangre está constituida por eritrocitos, leucocitos, etc.). En todo caso, las células que forman juntas un tejido tendrán un origen común. TIPOS Los tipos tejidos animales son: -Epitelial: tejido que forma la piel, mucosas, reviste los órganos y también tiene función glandular. -Conjuntivo: tejido de relleno. Liga otros tejidos, da soporte, protege y aísla los órganos. 7 -Muscular: formado por las fibras musculares. Contracción de vísceras (liso), movimientos del esqueleto (estriado), impulso de la sangre (cardiaco). -Nervioso: es el tejido más especializado y complejo, forma el sistema nervioso. Transmite impulsos nerviosos. Interviene en el control de todos los demás tejidos. -Óseo: da forma, soporte y permite el movimiento del organismo, protege el sistema nervioso central, en el interior de algunos huesos se forman células sanguíneas. -Cartilaginoso: forma los cartílagos, brinda soporte y permite la articulación de los huesos. -Sangre: tejido líquido sanguíneo. Formado por el plasma, parte líquida, y las células sanguíneas. Transporta oxígeno desde el aparato respiratorio por todo el organismo y retira el CO2 y las sustancias de desecho. Lleva nutrientes a todas las células. Imagen 3. Tipos de tejidos humanos 8 LOCALIZACIÓN Imagen 4. Localización de los distintos tipos de tejidos humanos 9 1.3 Los órganos Los tejidos básicos que componen el cuerpo están ensamblados para formar órganos, que a su vez se agrupan en sistemas. Los órganos están compuestos por diversos tipos de tejidos, dispuestos en patrones estructurales específicos. La tarea de cada uno de ellos es específica, puesto que desempeñan una serie de funciones relacionadas, como digestión, reproducción o respiración. Los diversos órganos están constituidos por la suma, asociación e interdependencia única de varios de estos tipos de tejidos fundamentales. Así, se podría decir que los tejidos son los “ladrillos” con los que los órganos se construyen de modo lógico, ordenado y firme. Imagen 5. Algunos órganos del cuerpo humano 10 1.4 Los sistemas Un sistema es un conjunto de órganos asociados que desempeñan una función específica y que están formados por tejidos del mismo tipo; por ejemplo, el sistema nervioso, el sistema esquelético, muscular, etc. Imagen 6. Sistemas del cuerpo humano 11 1.5 Los aparatos Un aparato es un conjunto de sistemas que desempeñan una función determinada y más amplia; está constituido por órganos formados por distintos tipos de tejidos. Por ejemplo, el aparato locomotor formado por los sistemas muscular, esquelético y nervioso; el aparato digestivo formado por dientes, lengua, estómago, intestinos, etc. Imagen 7. Ejemplo de aparato: aparato locomotor, constituido por los sistemas muscular y esquelético 12 Imagen 8. Un individuo es el resultado de un conjunto de aparatos y sistemas COMPRUEBA LO QUE SABES: Cual crees que es la forma correcta de llamarlo, sistema circulatorio o aparato circulatorio. Responde/coméntalo en el foro de la unidad. 13 2. CITOLOGÍA GENERAL. Estás en el laboratorio y el médico especialista en anatomía patológica del departamento te encarga la tarea de realizar una citología. Las técnicas generales más utilizadas en anatomía patológica son 3: la realización de autopsias, las biopsias y las citologías. CITOLOGÍA El término "CITOLOGÍA" se refiere al estudio integral de la célula en sus múltiples aspectos: estructurales, biofísicos, bioquímicos, fisiológicos, patológicos, nutricionales, inmunológicos, genéticos, etc 14 El trabajo del técnico, en este caso, consiste en procesar las diferentes muestras, que se obtienen a partir de varios procedimientos. Por ejemplo, citologías vaginales, frotis, citopunciones, etc. Entre ellos el más utilizado suele ser el procedimiento de las citologías vaginales. El estudio citológico permite: 1 - Detectar la patología inflamatoria, al observar las alteraciones celulares causadas por diversos factores: físicos, químicos y biológicos como bacterias, hongos, virus y protozoos. 2 - Detectar lesiones premalignas del cuello uterino, donde se ha demostrado su mayor utilidad. 3 - Conocer el estado hormonal de la paciente basados en el grado de maduración celular. DIFERENCIA ENTRE CITOLOGÍA E HISTOPATOLOGÍA Existe una diferencia fundamental entre la citología y la histopatología; como su nombre indica la histopatología se refiere a la estructura y forma de los tejidos. Así como los estudios histológicos requieren una biopsia, los estudios citológicos en cambio, utilizan células originadas en los distintos órganos y que representan el estado del tejido del cual se están desprendiendo. La citología y la histología si bien son métodos diferentes, se complementan, para llegar a un diagnóstico correcto tanto en lo referente a las patologías como a la evaluación hormonal. 15 3. COMPOSICIÓN DE LA CÉLULA Nos encontramos en un laboratorio, en el área de genética, donde se están realizando ensayos clínicos con el objetivo de buscar métodos contra las enfermedades transmitidas de madre a hijo. La gran mayoría de los genes humanos se encuentran en el núcleo de cada célula, pero hay unos 50 que no están en el núcleo, sino en las mitocondrias, las factorías energéticas de la célula. En la fecundación, el óvulo y el espermatozoide aportan sus genes nucleares a partes iguales, pero las mitocondrias las pone solo el óvulo: de ahí que los genes mitocondriales se transmitan solo por línea materna. Cuando alguno de esos genes es erróneo, resultan enfermedades genéticas, también transmitidas solo por la madre. EDICIÓN GENÓMICA La técnica conocida como “edición genómica” consiste en corregir el genoma humano desde la línea germinal, eliminando una a una las mitocondrias en óvulos o embriones tempranos. 16 El equipo de Juan Carlos Izpisúa en el Instituto Salk de California, junto a científicos de Miami, Kobe, Urbana, Barcelona y Pekín, y en colaboración con varios hospitales españoles, han logrado aplicar las modernas técnicas de edición genómica para impedir el paso de mutaciones mitocondriales a la descendencia. Lo han hecho en ratones modelo, pero usando varias de las mutaciones mitocondriales humanas más relevantes. Publican los resultados en la revista Cell. ENLACE DE INTERÉS AEPMI, web para profundizar en las patologías mitocondriales. http://www.aepmi.org/es/enfermedadesmitocondriales/queson.html 3.1 Estudios que condujeron al desarrollo de la teoría celular Las células, como hemos visto, son las unidades más pequeñas de vida. Todos los seres vivos están formados por células. Sin embargo, ¿Cómo investigaron los científicos sobre las células cuando no podían verlas? DESCUBRIMIENTO DE LAS CÉLULAS Durante años muchos científicos observaron y estudiaron las células bajo el microscopio. A medida que los primeros científicos mejoraron las lentes pudieron aprender más sobre ellas y algunos de estos resultados se exponen en la siguiente tabla: 17 CIENTÍFICO ( AÑO) Robert Hooke en 1665 DESCUBRIMIENTO Observó una preparación de corcho en un microscopio muy rudimentario. El corcho parecía estar constituido por pequeñas celdillas rodeadas por una pared rígida. Hooke acuñó el término “célula” para referirse a estas celdillas, que en realidad no eran células sino sus paredes celulares. Anton van Leeuwenhoek en 1670 Observó glóbulos rojos, espermatozoides, bacterias, etc. Los progresos en la citología dependen directamente del desarrollo de la microscopía. Por ello, hubo que esperar casi dos siglos hasta que se empezó a entender el verdadero significado de las células. Schleiden en 1838 Notó que las plantas estaban formadas por células. Schwann en 1839 Extendió a los animales lo propuesto por Schleiden Virchow en 1855 Propuso que todas las células provienen de otras células. 18 Imagen 9. Primeros científicos observadores de células LA TEORÍA CELULAR Los descubrimientos de estos antiguos científicos se reunieron en la Teoría celular. Esta teoría nace en 1839 y atribuida en concreto a Schleiden y Schwann aunque más tarde fue ampliada por Virchow quedando definitivamente establecida. Plantea los siguientes postulados: 1. La célula es la unidad anatómica y fisiológica de todos los seres vivos. 2. Todos los seres vivos están constituidos por una o más células. 3. Cada célula procede de otra célula ya existente. 4. La célula es la unidad genética de los seres vivos; la información genética se transmite de una generación a la siguiente. 5. Las reacciones químicas que constituyen el metabolismo, tienen lugar en la célula. Imagen 10. Científicos creadores de la teoría celular 19 TIPOS DE CÉLULAS Las células tienen diferentes formas y llevan a cabo distintos trabajos. Sin embargo, todas ellas comparten algunas características ya que todas están rodeadas por una membrana que controla lo que entra y sale de la célula. Tienen citoplasma, un material gelatinoso que contiene los bloques de construcción necesarios para la vida. Y todas las células están hechas de moléculas similares. Una de estas moléculas es el DNA, la información genética. Hay dos tipos principales de células: Célula eucariota: La célula eucariota está formada por tres grandes componentes: Membrana plasmática: barrera semipermeable que limita a la célula. Citoplasma: contiene los orgánulos celulares. Núcleo: contiene el material genético. Presenta un alto grado de complejidad y organización. Presenta orgánulos y núcleo. Las células eucariotas pueden vivir aisladas, en forma de organismos unicelulares (Reino Protistas) o pueden formar parte de organismos pluricelulares. Imagen 11. Composición básica de una célula animal 20 Célula procariota: Se caracteriza por su gran sencillez y simplicidad. No posee orgánulos ni núcleo y el ADN se encuentra disperso en el citoplasma. Este tipo de organización lo presentan las bacterias. Imagen 13. Diferencia estructural entre Eucariotas y Procariotas. 21 3. 2 La membrana plasmática. La membrana plasmática es una estructura que rodea y limita a la célula y que constituye una barrera semipermeable con una permeabilidad selectiva, es decir, que controla el paso de sustancias entre el interior y el exterior celular. MODELO DEL MOSAICO FLUIDO Actualmente, el modelo de membrana aceptado es el “Modelo del Mosaico Fluido”, propuesto por Singer y Nicholson en 1972 que explica entre otros aspectos: 1) La membrana plasmática está constituida por una bicapa de lípidos, que es la estructura básica de todas las membranas biológicas. 2) Los movimientos de difusión lateral de los lípidos y proteínas, le confieren fluidez a la membrana. Es decir, a mayor movimiento lateral, más fluida será. 3) Otra característica del mosaico fluido es la asimetría que presenta la membrana, tanto en su capa interna (fluida) como en la externa (rígida). Imagen 14. Membrana plasmática. COMPOSICIÓN La composición química de la membrana plasmática es la siguiente: 22 Lípidos: Constituyen el 50% de la membrana aproximadamente. Son principalmente fosfolípidos (los más abundantes), esteroides (colesterol) y glucolípidos. Presentan una zona hidrófila o cabeza polar y una zona hidrófoba o cola apolar y por este motivo se las conoce como moléculas anfipáticas. Cuando se encuentran en medio acuoso se disponen con las colas enfrentadas hacia el interior y las cabezas hacia el exterior formando la bicapa lipídica gracias al carácter anfipático. Imagen 15. Representación de un fosfolípido y la membrana. Proteínas: constituyen el 40% de la membrana aproximadamente. Pueden ser: -Periféricas: Son hidrófilas, están asociadas a la cara interna o externa de la membrana, se separan fácilmente de ella. -Transmembranales o integrales: integradas en la membrana, presentan ambas regiones, hidrófobas hacia el interior e hidrófilas asociadas al exterior. Imagen 16. Tipos de proteínas de membrana 23 Glúcidos: Constituyen sólo el 10% de la membrana. Forman complejos tanto con lípidos (glucolípidos de membrana) como con proteínas (glucoproteínas). Siempre se disponen en la cara externa de la membrana. Forman la cubierta celular llamada glucocálix, cuyas funciones son brindar protección a la célula frente a ataques químicos, unión a otras células, etc. Imagen 17. Distribución del glucocálix. FUNCIONES La función principal de la membrana plasmática es limitar la célula, es decir, hacer de barrera para separar el contenido celular del medio que le rodea. Pero también está dotada de gran actividad y desempeña numerosas funciones, como, por ejemplo: recibir y transmitir señales entre las células y su entorno gracias a la presencia de receptores específicos, controla el desarrollo de la célula y la división celular, contiene moléculas con propiedades antigénicas, regula el intercambio de sustancias de manera selectiva con el exterior, con características de barrera permeable, etc. 24 3.3. Citoplasma. Es la parte de la célula contenida entre la membrana plasmática y el núcleo. En ella se hallan inmersos los orgánulos celulares. Está formado por citosol y citoesqueleto. Imagen 18. Interior celular. Citoplasma. CITOSOL El citosol, también llamado hialoplasma, es la fracción liquida del citoplasma. Se trata de una masa gelatinosa que alberga agua, sales minerales, iones y enzimas que intervienen en los distintos procesos metabólicos (glucólisis, biosíntesis de aminoácidos y ácidos grasos, etc.). Constituye el verdadero jugo celular y posee una alta organización interna denominada citoesqueleto. CITOESQUELETO El citoesqueleto, propio de las células eucariotas, es una red compleja de filamentos proteicos. Este término no se refiere a una estructura rígida ni a un armazón articulado como otros esqueletos, sino que se trata de una matriz organizada que proporciona a la célula consistencia morfológica (mantiene la forma celular) y una adquisición ordenada y dinámica del citoplasma responsable del desplazamiento de la célula, de la división celular, del transporte de sustancias y vesículas de unas partes a otras de la célula, etc. 25 Existen 3 clases de filamentos proteicos que integran el citoesqueleto: microfilamentos de actina, microtúbulos de tubulina y filamentos intermedios. Imagen 19. Tipos de filamentos que integran el citoesqueleto ORGÁNULOS CELULARES En el citoplasma se encuentran inmersos los orgánulos celulares, delimitados en compartimentos y con funciones muy claras. Los principales orgánulos celulares son: Centriolos: Los microtúbulos que forman el citoesqueleto son unos tubos huecos que en ocasiones se organizan de manera compleja dando lugar a una estructura llamada centriolos. Estos centriolos están formados por nueve tripletes de microtúbulos, repartidos en forma de círculo. 26 Imagen 20. Estructura de un centriolo. El centrosoma: Es un orgánulo formado por dos centriolos unidos, en cuyo entorno aparece un conjunto de microtúbulos proteicos, formando una red o áster. Dicha estructura tiene un papel primordial en el ciclo celular, tanto en la interfase, constituyendo el huso acromático, como en la mitosis, formando el huso mitótico, necesario para separar los cromosomas hacia las dos células hijas. Imagen 21.Organización del centrosoma. 27 RIBOSOMAS Son orgánulos sin membrana, presentes en todos los tipos celulares (eucariotas, procariotas, animales, vegetales…). Resultan visibles solamente al microscopio electrónico. Están formados por dos subunidades, una mayor y otra menor. Están constituidos mayoritariamente por ARNr. Los de procariotas son más pequeños que los de eucariotas. Pueden encontrarse libres en el citoplasma, asociados a la membrana externa del RER o del núcleo, en la matriz mitocondrial, en el estroma de los plastos o formando polirribosomas (grupos de 5 a 20 unidos por filamentos de ARNm). Su función es la síntesis de proteínas; llevan a cabo la traducción de la información contenida en el ARNm. Imagen 22. Ribosoma sintetizando proteínas RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Es un conjunto de cisternas y túbulos interconectados, rodeados de membrana, formando una red que se extiende por todo el citoplasma. El espacio interno se denomina lumen, donde existe una solución acuosa rica en proteínas. El RE se comunica con la membrana nuclear externa y con el Aparato de Golgi. Existen 2 tipos de RE: Rugoso (RER): posee ribosomas adheridos a la cara externa de su membrana. Liso (REL): no tiene ribosomas adosados a la membrana. 28 Imagen 23. Retículo endoplasmático 29 Las principales funciones del RE son: Síntesis de proteínas Los ribosomas membrana proteínas donde adheridos del que RER pasarán serán a la sintetizan al lumen, procesadas y transportadas al REL, y luego al Aparato de Golgi (AG) mediante vesículas de transición. Síntesis de lípidos En el REL se sintetizan fosfolípidos y colesterol, que serán expulsados en vesículas de transición hasta AG para ser procesados y de allí se dirigirán hacia la membrana plasmática. Detoxificación En la membrana del REL existen enzimas capaces de sustancias eliminar que la resultan toxicidad de perjudiciales para la célula, ya sean producidas por ella misma o provengan del exterior. La pérdida de esta toxicidad se consigue transformando estas sustancias en otras solubles, no perjudiciales, que pueden abandonar la célula y ser eliminadas por la orina. Está función la realizan principalmente las células de los riñones, pulmones, intestino y piel. 30 APARATO DE GOLGI Conjunto de cisternas aplanadas, rodeadas de membrana, llamadas sáculos, cuyo conjunto recibe el nombre de dictiosoma. El AG presenta polaridad, ya que tiene dos caras: la cara cis o de entrada de vesículas de transición pertenecientes del RE y una cara trans o de salida de vesículas de secreción. La cara cis se encuentra próxima al RE y al núcleo y la trans, próxima a la membrana plasmática. Las proteínas sintetizadas en el RER y los lípidos sintetizados en el REL, son transportados en vesículas de transición hacia la cara cis del AG. Aquí van pasando de un sáculo a otro, procesándose y modificándose hasta empaquetarse en vesículas de secreción que saldrán por la cara trans para llegar a su destino final. El AG tiene además otras funciones: Reciclaje de la membrana plasmática mediante la secreción de vesículas que se fusionarán con la membrana plasmática. Glicosilación (adicción de un glúcido a otra molécula) de lípidos y proteínas gracias a las enzimas glicosil-transferasas. Formación de lisosomas. Formación del glucocálix. Imagen 24. Aparato de Golgi 31 Es importante destacar que existe un tráfico de vesículas entre el AG, el RER y la membrana plasmática, que es especialmente destacable en células cuya función es la secreción. A esta relación se le conoce como sistema de membrana. Imagen 25. Sistema de membrana. Otras estructuras que conforman el citoplasma son: 32 LISOSOMAS Son vesículas rodeadas de membrana que contienen enzimas hidrolíticas para llevar a cabo la digestión intracelular. Se forman en la cara trans del AG. El funcionamiento de estas enzimas es óptimo a pH ácido. La membrana del lisosoma impide que él mismo sea digerido por estas enzimas, y se encarga de mantener el pH ácido en su interior. Imagen 26. Lisosoma La digestión intracelular tiene una finalidad doble: nutrir y defender a la célula. Los sustratos son capturados del medio por la célula a través de la endocitosis, formándose una vesícula llamada endosoma, que se fusionará con un lisosoma, dando lugar a un fagolisosoma. En su interior se llevará a cabo la digestión gracias a las enzimas, pasando los productos al citoplasma, donde serán utilizados por la célula, y los desechos serán expulsados al exterior celular mediante exocitosis. PEROXISOMAS Los peroxisomas son orgánulos membranosos, implicados en la oxidación de compuestos orgánicos, formándose agua oxigenada (peróxido de hidrógeno), producto altamente tóxico que posteriormente será eliminado por la acción de las enzimas como oxidasa y catalasa. Una de sus principales funciones es la detoxificación celular; oxidación de sustancias tóxicas como el etanol y el metabolismo lipídico. 33 Imagen 27. Visión de tres peroxisomas al microscopio electrónico VACUOLAS Son orgánulos rodeados de membrana que acumulan en su interior diversas sustancias. Su tamaño y forma depende del tipo celular. En células vegetales pueden llegar a ocupar el 95% del volumen celular; tienden a fusionarse en una sola muy grande. Sin embargo, en células animales, son más pequeñas y numerosas. Sirven como almacén de sustancias de reserva (glúcidos, lípidos, proteínas, sales minerales), de sustancias de desecho, pigmentos, enzimas, etc. Imagen 28. Vacuola 34 MITOCONDRIAS Orgánulo de las células eucariotas, con forma de bastón, limitado por una doble membrana: una membrana externa lisa y una membrana interna que emite una serie de invaginaciones denominadas crestas mitocondriales. Estas membranas definen dos compartimentos: una cavidad interna denominada matriz mitocondrial, y un espacio entre las dos membranas llamado espacio intermembranoso. La matriz mitocondrial contiene ADN, ribosomas, ARN, numerosas enzimas y ATP. La membrana interna posee una gran superficie gracias a las crestas, contiene las proteínas que forman la cadena de transporte electrónico y el complejo enzimático ATP-sintasa que cataliza la síntesis de ATP. La principal función de la mitocondria es la respiración celular para la obtención de energía en forma de ATP. Imagen 29. Mitocondria. Imagen 30. Mitocondria al microscopio electrónico 35 3.4 El núcleo Es un corpúsculo que destaca con claridad inmerso en el citoplasma de todas las células eucarióticas. Normalmente su posición es central pero puede hallarse desplazado por los constituyentes del citoplasma, como en las células vegetales. Su importancia es trascendental porque es el elemento que rige todas las funciones celulares y es además el portador de los factores hereditarios. Entre el núcleo y el citoplasma existe una relación muy estrecha ya que ambos dependen el uno del otro de tal manera que ninguna de las dos partes puede mantenerse viva mucho tiempo separada de la otra. Composición del núcleo El tamaño del núcleo varía bastante y depende del tipo celular, de la cantidad de ADN que se albergue en el núcleo (el núcleo de una célula haploide es menor que el de una diploide), de la fase del ciclo celular en la que se encuentre (es mayor cuando está en fases de síntesis) y del estado metabólico en que se encuentre la célula. En cuanto a su forma, la más frecuente es la esférica, pero existen muchos casos de núcleos elipsoidales, arriñonados e incluso lobulados, como en muchos glóbulos blancos. 36 La mayor parte de las células sólo poseen un núcleo, pero existen casos de células anucleadas, que pierden el núcleo debido a la especialización, como los eritrocitos o glóbulos rojos, y células plurinucleadas, como las células musculares. Composición del núcleo En todos los núcleos se pueden distinguir cuatro partes: Imagen 31. Composición del núcleo Membrana nuclear (o envoltura nuclear): es una doble membrana. No forma una cubierta continua ya que en varios puntos de ella existen interrupciones por la 37 presencia de unos poros nucleares que ponen en comunicación el contenido del núcleo con el citoplasma. Nucleoplasma (carioplasma): Es el contenido interno del núcleo, que queda delimitado por la envoltura nuclear y es similar al citosol. Está formado por una disolución compuesta por nucleótidos y enzimas implicados en la trascripción y replicación del ADN; también contiene proteínas, ATP, iones, etc. Contiene el nucléolo, la cromatina y diferentes enzimas útiles en el procesamiento del ADN Y ARN. Nucleolo: es un corpúsculo esférico que, a pesar de no estar delimitado por una membrana, suele ser muy visible dado que su viscosidad es mayor que la del resto del núcleo. Su función es formar y almacenar ARNr (ribosómico) con destino a la organización de los ribosomas, es decir, el nucleolo sintetiza los precursores ribosómicos. Material genético (ADN): según la fase del ciclo celular en la que se encuentre la célula, puede encontrarse en forma de cromatina o de cromosomas. Durante la interfase, el material genético se encuentra en forma de cromatina, que es un estado laxo, descondensado, poco denso, simplemente ADN asociado a proteínas. Para entrar en la fase de división (fase M), la cromatina tiene que condensarse y empaquetarse, hasta formar los cromosomas, que son el mayor nivel de empaquetamiento. Esto ocurre para que toda la información quepa en el reducido espacio nuclear. Mientras no exista división, el material se encontrará en forma de cromatina. Por tanto, los distintos niveles de ADN hasta alcanzar su máxima compactación como cromosoma serán: Doble hélice de ADN (Modelo doble hélice. El ADN está formado por dos hebras de nucleótidos) Collar de perlas (El ADN se une a proteínas histónicas, dando lugar al nucleosoma) Solenoide (El nucleosoma se enrolla dando lugar al solenoide) Fibra de cromatina de 30 nm (El solenoide se enrolla dando lugar a la cromatina) Cromosoma (máxima compactación cuándo la célula entra en división) 38 Imagen 32. Niveles de organización del ADN. VIDEO DE INTERÉS En el siguiente vídeo podrás obtener información sobre la condensación de la cromatina. https://www.youtube.com/watch?v=TEmoSRzdlsY 3.5. Cilios y flagelos Sólo se encuentran en algunos tipos celulares. Son prolongaciones móviles, localizadas en la superficie, que permiten a las células desplazarse por el medio que las rodea. Son estructuras especiales que permiten la locomoción de la célula, a veces necesaria para llevar a cabo funciones específicas (nutrición, espermatozoides para la fecundación). 39 Los cilios son muy numerosos y cortos y los flagelos son menos numerosos (generalmente sólo uno) pero mucho más largos. La estructura interna de cilios y flagelos es muy similar. Poseen en su interior una estructura formada por un haz de microtúbulos, llamada axonema, rodeada por la membrana plasmática y anclada al citoplasma mediante el corpúsculo basal. Imagen 33. Células con cilios y flagelos VISIÓN AL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO Imagen 34. Visión de células ciliadas al ME Imagen 35. Visión de célula flagelada al ME 40 ESTRUCTURA INTERNA Imagen 36. Estructura interna de cilios y flagelos 41 4. MITOSIS Te encuentras en el laboratorio de un hospital que en este momento está estudiando técnicas que permitan frenar el crecimiento incontrolado de las células del cáncer las cuales se dividen muchas veces e ignoran las señales que deberían detener su división celular. Al parecer, el motivo es que expresan una enzima llamada telomerasa que invierte el desgaste de los extremos del cromosoma durante la división celular. El crecimiento de los organismos exige que sus células lleven a cabo algún tipo de división celular y ésta debe producirse de forma que los componentes celulares esenciales sean distribuidos correctamente entre las células hijas. Una distribución desigual de algo tan esencial como el material genético, el portador de la información biológica, pondría en peligro el futuro de la especie. Para que esto no ocurra existe un mecanismo que produce la división regular de los componentes hereditarios, los cromosomas, llamado mitosis. La división celular exige por un lado que se divida el núcleo mediante un mecanismo complejo encaminado a mantener constante el número de cromosomas de las células hijas, pero, por otro lado, se produce también una división del citoplasma, lo que implica un reparto más o menos equitativo de los orgánulos celulares, como las 42 mitocondrias o los cloroplastos. Por esta razón es preciso distinguir entre la mitosis o división del núcleo, también llamada cariocinesis, y la división del citoplasma que logra la separación total de las dos células hijas, proceso llamado citocinesis. Con el fin de describir la mitosis, se suelen distinguir 4 fases o etapas: profase, metafase, anafase y telofase, pero en realidad es un proceso continuo y las 4 se suceden sin que exista un límite claro entre ellas. Profase: el ADN duplicado en la fase S, se condensa, formando cromosomas bien definidos, visibles al microscopio óptico. Cada uno se halla partido longitudinalmente en dos mitades llamadas cromátidas unidas entre sí únicamente por la zona correspondiente al centrómero. Dentro del centrómero, existe una estructura en forma de disco denominada cinetocoro, donde se insertarán los microtúbulos del huso mitótico. Al mismo tiempo que ocurre esto, la membrana nuclear se va disolviendo (cariocinesis) y llega a desaparecer por completo quedando los cromosomas libres en el citoplasma. Los nucleolos también desaparecen. Paralelamente también ocurren cambios en el citoplasma, sobre todo en el centrosoma. Los centriolos empiezan a separarse y cada uno se dirige hacia un polo de la célula. Entre ellos se desarrolla un haz de finísimas fibras denominado huso acromático, que va de polo a polo de la célula. Alrededor de los centriolos se disponen radialmente microtúbulos formando el áster. Esta estructura está perfectamente desarrollada al final de la profase Imagen 37. Estructura cromosoma. 43 Metafase: los cromosomas quedan alineados en la plano ecuatorial de la célula, quedando cada cromátida orientada hacia uno de los polos, formándose la placa ecuatorial o placa metafásica. En este momento, el centrómero se duplica con lo que las dos cromátidas de cada cromosoma quedan completamente independientes. En cada centrómero se inserta un filamento del huso acromático. Anafase: Los filamentos del huso empiezan a acortarse progresivamente por lo que cada pareja de cromátidas se va separando. A medida que se separan se van desplazando hacia los polos de la célula de forma que, al final de la anafase, la mitad de las cromátidas acaba situada en uno de los polos y la otra mitad en el otro. Paralelamente los filamentos del huso empiezan a palidecer. Telofase: Se caracteriza por la reconstrucción de los núcleos de las células hijas. Los dos grupos de cromátidas en los polos se desorganizan, se desempaquetan, dando lugar a cromatina. Se forma una nueva membrana nuclear alrededor de cada grupo de cromátidas hijas, aparecen los nuevos nucleolos y el huso desaparece totalmente. Al final de la telofase, se han formado los dos núcleos de las células hijas, y la mitosis ha alcanzado su fin. Durante la telofase ocurre también la división del citoplasma o citocinesis. En las células animales ocurre por estrangulamiento; se forma un anillo contráctil de microtúbulos y microfilamentos en la zona ecuatorial de la célula, que al contraerse desencadena el estrangulamiento de la célula, hasta que acaba dividiendo a la célula madre en dos células hijas. 44 Imagen 38. Etapas de la mitosis VIDEO DE INTERÉS Amplía tu conocimiento viendo este vídeo sobre el ciclo celular y la mitosis. https://www.youtube.com/watch?v=cV0BEdNwwWc&index=95&lis t=WL 45 5. EMBRIOLOGÍA GENERAL HUMANA. Nos encontramos en los laboratorios de una clínica de reproducción asistida donde se trabaja actualmente con técnicas de fecundación in vitro. En un ciclo de fecundación in vitro el ovocito se insemina con los espermatozoides en el laboratorio. Cuando se produce la fecundación, empieza el desarrollo del embrión que dará lugar al futuro bebé. Ese embrión permanece en el laboratorio entre 2 y 6 días, en los que pasará a ser un organismo compuesto por varias células listo para implantarse en el útero de la futura mamá. Estas técnicas son cada vez más demandadas. La embriología es el estudio de la formación de gametos (gametogénesis), del desarrollo embrionario (embriogénesis) y de la formación de estructuras y órganos en el feto (morfogénesis). 46 5.1 Gametogénesis Algunos conceptos relacionados con el proceso de formación de gametos son: La gametogénesis es el proceso de formación, desarrollo y maduración de los gametos femenino (óvulo) y masculino (espermatozoide). Tiene lugar en las gónadas (ovarios y testículos). Las células del organismo poseen una dotación genética compuesta por 46 cromosomas. Las células sexuales o gametos poseen sólo 23, es decir, han reducido su carga genética a la mitad mediante un proceso llamado meiosis. Al unirse tras la fecundación un óvulo con 23 cromosomas y un espermatozoide con 23 cromosomas darán lugar a un embrión con células de 46 cromosomas. De este modo, el número de cromosomas permanece constante a lo largo de las generaciones. Imagen 41. Gametogénesis. Comparación de la espermatogénesis con la ovogénesis 47 Los gametos o células germinales son células haploides (n), es decir, tienen la mitad de carga genética que el resto de células del cuerpo, llamadas células somáticas, tienen una carga diploide (2n). Esto es posible gracias a que sufren un proceso de división especial, la meiosis, en el que, partiendo de una célula primordial diploide, se obtienen células haploides al reducirse la dotación genética a la mitad. La espermatogénesis es el proceso de formación de los espermatozoides y tiene lugar en los testículos. Se forman millones de espermatozoides, a partir de unas células diploides llamadas espermatogonias; éstas se dividen por mitosis dando lugar a espermatocitos primarios, que al sufrir la primera división meiótica (meiosis I) generan espermatocitos secundarios, los cuales sufren la meiosis II (segunda división meiótica), dando lugar a espermátidas ya haploides, que sufrirán un proceso de maduración para convertirse en espermatozoides funcionales. Por tanto, a partir de una espermatogonia diploide, se obtienen 4 espermatozoides. Imagen 39. Espermatogénesis 48 La ovogénesis es el proceso de formación de los óvulos, y tiene lugar en los ovarios. La mujer nace con un número determinado de folículos ováricos, en cuyo interior se encierran las ovogonias. Las ovogonias son las células precursoras de los óvulos y tienen una carga diploide. Cada mes, una ovogonia madurará para dar lugar a un óvulo maduro, el cual podrá ser fecundado una vez liberado a la trompa de Falopio. La ovogonia se divide por mitosis dando lugar a un ovocito primario; ahora éste, sufre la primera división meiótica (meiosis I), que da como resultado un ovocito secundario (que contiene la mayor parte del citoplasma) y un primer corpúsculo polar. Estas dos células resultantes efectúan una segunda división meiótica (meiosis II), en la que del ovocito secundario se forman un óvulo (que tiene la mayor parte del citoplasma) y un segundo corpúsculo polar. Del primer corpúsculo polar se originan otros dos corpúsculos. Por tanto, a partir de una ovogonia diploide, se obtiene un óvulo haploide y tres corpúsculos polares que degenerarán. Imagen 40. Ovogénesis 49 VIDEO DE INTERÉS La meiosis y sus fases. https://www.youtube.com/watch?v=8uFiJXwVBQ&list=WL&index=49 5.2. Desarrollo embrionario El desarrollo embrionario es el proceso que se da desde la fecundación hasta el nacimiento de un nuevo individuo. Se divide en 4 etapas: Fecundación: es la fusión de un gameto femenino (óvulo) y un gameto masculino (espermatozoide), dando lugar a una célula huevo o zigoto. Tiene lugar en la trompa de Falopio. Imagen 42. Espermatozoides intentando fecundar al óvulo Imagen 43. Zigoto sufriendo sus primeras divisiones mitóticas 50 Segmentación: en el momento en que los núcleos del óvulo y del espermatozoide se unen, comienza la primera división mitótica y, a continuación, se siguen produciendo mitosis sucesivas. Esta etapa hace referencia a estas divisiones repetidas del óvulo fecundado. Cada célula en que se divide el zigoto se denomina blastómero. Las células cada vez son más numerosas, formándose una masa esférica maciza en forma de mora llamada mórula. Imagen 44. Mórula (8 células) Imagen 45. Mórula A continuación, las células migran a la periferia, y aparece una cavidad interior llena de líquido, llamada blastocele; ésta se rodeará por las células que migraron formando el blastodermo (blastómeros que se disponen en una capa rodeando a la cavidad); formándose así la blástula. Durante este tiempo, desde que se dio la fecundación, el embrión se ha ido desplazando desde la trompa hasta el útero, implantándose en la mucosa uterina mediante la anidación. 51 Imagen 46. Blástula Imagen 47. Blástula a la lupa Gastrulación: corresponde a la formación de la gástrula, mediante la invaginación de la blástula. Aquí aparecen las tres capas u hojas embrionarias: ectodermo (la más externa), endodermo (la más interna) y mesodermo (la intermedia entre las dos anteriores). También aparecen los anejos embrionarios como el amnios, el saco vitelino, el corion, etc. 52 Imagen 48. Representación del paso de blástula a gástrula Imagen 49. Gástrula Imagen 50. Paso de mórula a gástrula durante el desarrollo embrionario 53 Imagen 51. Representación de cómo el zigoto va desarrollándose mediante divisiones mitóticas hasta convertirse en gástrula. Organogénesis: es la formación y diferenciación de los órganos durante el desarrollo embrionario a partir de las hojas embrionarias. En estas tres capas germinativas, las células continúan dividiéndose y poco a poco se especializan en los aspectos funcional y estructural, generando los distintos tipos de tejidos. Esta especialización se denomina “diferenciación celular”. La diferenciación celular es el proceso de especialización celular en el que las células sufren modificaciones, obteniendo una forma y función determinadas, especializándose en un tipo celular concreto. Las células que presentan la capacidad de diferenciarse se denominan “células madre”. Éstas, según su capacidad de diferenciación, se clasifican en totipotentes (pueden dar lugar a cualquier tipo celular, es decir, pueden originar todos los tipos celulares; es el caso del zigoto), pluripotentes (pueden dar lugar a muchos tipos celulares, pero no a todos) y unipotentes (solo pueden originar un tipo celular concreto). 54 Imagen 52. Representación de cada uno de los tejidos que se forman a partir de las capas embrionarias (endo, meso y ectodermo) de la gástrula. 55 RESUMEN Como hemos visto a lo largo del tema, existe una estructura jerárquica en el organismo. Los niveles estructurales de organización biológicos son: Célula- tejidoórgano- sistema- aparato- organismo. Y en cada nivel aparecen nuevas características que no existían en niveles anteriores. La citología es el estudio de la célula; ésta se define como la unidad anatómica y fisiológica de todos los seres vivos. Está formada por tres componentes principales: membrana plasmática (barrera semipermeable), citoplasma (contiene inmersos los orgánulos celulares, como mitocondrias, ribosomas, RE, etc.), y núcleo (porta el material genético y controla y rige todas las funciones celulares). Por otro lado, la embriología se basa en el estudio de la formación de gametos (gametogénesis) y del desarrollo embrionario. Este desarrollo embrionario es el proceso que se da desde la fecundación hasta el nacimiento de un nuevo individuo y se divide en: fecundación, segmentación, gastrulación y organogénesis. 56