BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA Temario
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Temario BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA Células procariotas y eucariotas. La célula animal y vegetal. Formas acelulares. 23-11790-13 26 Métodos de estudio de la célula. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 1. MÉTODOS DE ESTUDIO DE LA CÉLULA 1.1. INSTRUMENTOS DE ANÁLISIS DE LAS ESTRUCTURAS BIOLÓGICAS 1.1.1. Microscopio óptico (MO) 1.1.2. Microscopio electrónico (ME) 1.2. TÉCNICAS Y MÉTODOS MICROSCÓPICOS E HISTOQUÍMICOS 1.2.1. Técnicas de preparación de muestras para microscopía 1.2.2. Técnicas de cultivo de tejidos 1.2.3. Técnicas de microcirugía 1.2.4. Técnicas de fraccionamiento celular 1.2.5. Técnicas citoquímicas e histoquímicas 1.2.6. Otras técnicas 2. CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS 2.1. DIFERENCIAS ENTRE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS 2.2. ORIGEN DE LAS CÉLULAS EUCARIOTAS 3. LA CÉLULA VEGETAL Y ANIMAL 4. FORMAS ACELULARES 4.1. VIRUS 4.1.1. Características generales 4.1.2. Estructura de los virus 4.1.3. Origen de los virus 4.2. VIROIDES 4.3. PRIONES 3 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 INTRODUCCIÓN El nombre de célula procede del latín cella, que literalmente significa espacio vacío. Esto se debe a que las primeras observaciones de células con lentes de aumento se realizaron en corcho por R. Hook, en el siglo XVII, que está formado por células muertas de las que sólo queda la pared celular, que es la característica de las células vegetales. Dos siglos después de estas observaciones, M. Schleiden y T. Schwann propusieron la teoría celular que se mantiene en la actualidad con sus consiguientes modificaciones, debidas a los grandes avances que se han realizado en el campo de la citología. Esta teoría la podemos resumir en cuatro puntos: Toda célula procede de otra célula. Todos los seres vivos están formados por células. Existen seres unicelulares y pluricelulares. Los gérmenes de reproducción o gametos son también células. Por tanto, podemos definir la célula como la unidad anatómica y funcional que posee un dinamismo propio; es un sistema viviente complejo en la estructura de los seres vivos. Los virus fueron descubiertos después y poseen una estructura diferente a la celular; constituyen las llamadas formas acelulares y no son considerados seres vivos. Pero tienen el material genético necesario para su reproducción, aunque para realizarla necesitan infectar células vivas; esto ha llevado a que sean considerados seres vivos por algunos investigadores. 5 6 TEMARIO 1 MÉTODOS DE ESTUDIO DE LA CÉLULA La observación y el estudio de las estructuras biológicas necesitan de una metodología especial debido a que las células son generalmente de pequeño tamaño, y transparentes a la luz visible. Con el descubrimiento del microscopio óptico, y el posterior desarrollo de las técnicas microscópicas y de los nuevos tipos de microscopios, como el electrónico, se ha logrado llegar al elevado nivel de conocimientos actuales en citología. 1.1. INSTRUMENTOS DE ANÁLISIS DE LAS ESTRUCTURAS BIOLÓGICAS Tanto el pequeño tamaño que generalmente tienen las células como la trasparencia a la luz visible han sido decisivos para el desarrollo de microscopios, que son principales instrumentos para el estudio de las células. Éstos aumentan el poder resolutivo del ojo humano, contrarrestando la transparencia de la célula mediante el aumento del contraste. Existen dos tipos básicos de microscopios: 1.1.1. Microscopio óptico (MO) XX Partes del microscopio Fundamentalmente es un tubo provisto de dos lentes (una en cada extremo) que amplían sucesivamente la imagen del objeto, que está intensamente iluminado. Está formado por tres sistemas: a) Sistema mecánico, que es el encargado de sostener la parte óptica y de iluminación. Comprende: pie o base, tubo, revolver, asa, platina con carro y tornillos macrométrico y micrométrico. b) Sistema óptico, encargado de reproducir y aumentar las imágenes mediante lentes. Está formado por: −− Objetivos: están situados próximos al objeto en el tubo en una pieza especial denominada revolver, son los encargados de generar una imagen real, invertida y ampliada del objeto a observar. En el revolver se colocan varios objetivos con diferentes aumentos y uno de inmersión de 100 aumentos que requiere colocar una gota de aceite de cedro entre la lente y la preparación. −− Oculares: están situados en el extremo superior del tubo, próximo al ojo del observador. Captan la imagen formada en el objetivo y la amplían. Suele haber dos oculares (microscopios binoculares) para la observación simultánea por los dos ojos, y generalmente se utilizan los de 10 aumentos. c) Sistema de iluminación: tiene como finalidad regular y dirigir la luz de manera que ilumine la preparación que se va a observar. Comprende: −− Condensador: situado debajo de la platina y encargado de concentrar el haz luminoso. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 −− Diafragma: localizado en el interior del condensador y tiene como función regular el cono de luz que pasa a través del objeto. Cuanto más se cierra, más se mejora el contraste, pero se pierde en resolución. −− Fuente de luz: actualmente suele consistir en una lámpara halógena de intensidad variable y situada en el pie o base del microscopio. XX Propiedades del microscopio El círculo o porción que se observa a través del ocular se llama campo del microscopio. Al aumentar los objetos, disminuye el campo del microscopio. Aumento del microscopio: es el número de veces que se ve un objeto por encima de su valor real. El aumento total de un microscopio se obtiene multiplicando el aumento del ocular por el aumento del objetivo. El número de aumentos se reseñan mediante el signo X. Poder de definición o profundidad de campo: es la nitidez con que se observan las imágenes. Cuanto menos aumentos, mayor profundidad de campo. Poder de resolución: es la distancia mínima entre dos puntos que estando próximos pueden verse como separados. El límite de resolución de un microscopio depende de la longitud de onda utilizada, del índice de refracción del medio entre la lente y la preparación, y la apertura numérica, característica propia de cada lente. Las mayores resoluciones posibles en un MO son de 0,2 micras. XX Tipos de microscopios ópticos Existen varios tipos: Microscopio óptico normal o de campo claro El material a observar se colorea con colorantes específicos que aumentan el contraste y revelan detalles que no se aprecian de otra manera. Microscopio de contraste de fases Se basa en que, aun cuando las estructuras biológicas son sumamente transparentes a la luz visible, introducen cambios de fase en las radiaciones que las atraviesan. Las diferencias entre los índices de refracción de los distintos constituyentes de la muestra son transformadas por un sistema óptico especial en diferencias de luz y oscuridad en la imagen final. Este tipo de microscopía se usa como método de rutina en la observación de células y tejidos vivientes, fundamentalmente en la observación de células cultivadas in vivo. En éstas, usando cinematografía con intervalos, se observan fácilmente los diferentes cambios nucleares y citoplásmicos que tienen lugar durante la división celular. Una variante de este microscopio es el de Nomarski, en el que se producen dos rayos de luz polarizada que siguen trayectorias distintas y que se interfieren entre sí. La imagen resulta en relieve y se emplea para ver células in vivo. Microscopio de campo oscuro Se basa en el hecho de que la luz se dispersa en los límites entre los diversos materiales que poseen diferentes índices de refracción. Requiere de un condensador especial paraboloide que ilumina la preparación de manera que sólo la luz difractada por los componentes de la muestra 7 8 TEMARIO es la que penetra en el objetivo; de esta forma el objeto queda intensamente iluminado sobre un fondo oscuro. Microscopio de polarización Se fundamenta en el comportamiento que tienen ciertos componentes de la célula cuando son observados con luz polarizada. Este microscopio lleva agregados el polarizador y el analizador. Se utiliza para analizar indirectamente la ultraestructura de la célula y permite analizar especies cristalinas. Actualmente ha perdido gran vigencia en favor de la microscopía electrónica. Microscopio de fluorescencia Algunos colorantes, denominados fluorocromos, tienen la propiedad de ser excitados (pasar a un nivel superior de energía) cuando absorben luz ultravioleta (luz de longitud de onda corta). A medida que las moléculas excitadas regresan a su estado normal liberan el exceso de energía en forma de luz visible de mayor longitud de onda que la radiación excitante. Esta propiedad se denomina fluorescencia. Los fluorocromos se unen a ciertos componentes de la célula de manera que su tinción aumenta la resolución de la muestra. Se han desarrollado métodos microscópicos modernos que aprovechan esta propiedad, como la inmunofluorescencia. 1.1.2. Microscopio electrónico (ME) La potencia amplificadora de un microscopio óptico está limitada por la longitud de onda de la luz visible. El microscopio electrónico utiliza electrones para iluminar un objeto. Dado que los electrones tienen una longitud de onda mucho menor que la de la luz pueden mostrar estructuras mucho más pequeñas. En un M. E. el poder de resolución es de 0,002 micras. La longitud de onda de los electrones que se utilizan en los microscopios electrónicos es de alrededor de 0,5 angstrom. Todos los microscopios electrónicos cuentan con varios elementos básicos. Disponen de una fuente de electrones, que es una lámpara de cátodo hueco, y son acelerados por alto voltaje. En lugar de lentes ópticas, se utilizan lentes electromagnéticas para crear campos magnéticos que en vacío dirigen y enfocan el haz de electrones. Los electrones chocan contra el material a examinar y se desvían de manera desigual, creando una imagen aumentada que debe recogerse en una pantalla fluorescente, la cual posee una superficie impregnada con fósforo o sulfuro de cinc sensible al impacto de los electrones. La imagen de la pantalla puede ser fotografiada o transferida a un ordenador. Hay dos tipos básicos de microscopios electrónicos: Microscopio electrónico de transmisión (MET o TEM) Permite observar muestras en cortes ultrafinos. Con él se dirige el haz de electrones hacia el objeto que se desea aumentar. Una parte de los electrones rebotan o son absorbidos por el objeto y otros lo atraviesan formando una imagen aumentada del mismo. Tras él se coloca una placa fotográfica o una pantalla fluorescente que registra la imagen aumentada. Los MET pueden aumentar un objeto hasta 106 veces. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 Microscopio electrónico de barrido (MEB o SEM) Con él se explora la superficie del objeto punto por punto, por lo que se van a generar imágenes tridimensionales. Para ello se emplea un haz de electrones que rastrea la superficie del objeto que previamente ha sido recubierto con una capa de un metal pesado (generalmente oro), y posteriormente un detector proyecta la imagen generada en una pantalla de televisión por los electrones desviados o reflejados por la superficie de la muestra. 1.2. TÉCNICAS Y MÉTODOS MICROSCÓPICOS E HISTOQUÍMICOS Las células y tejidos deben prepararse especialmente para el análisis con instrumentos ópticos y para el estudio de su organización química. En Biología Celular se emplean muchos tipos diferentes de especímenes y técnicas. En algunas ocasiones, el desarrollo de una rama entera de la Citología ha dependido del descubrimiento o elección apropiada de un material determinado o de la expansión de una técnica particular. 1.2.1. Técnicas de preparación de muestras para microscopía En la observación microscópica es frecuente utilizar el examen vital, que se aplica a células libres en un medio líquido, a células aisladas de fragmentos de tejido, a membranas transparentes, a partes transparentes de animales y a órganos opacos. Este tipo de observación puede mejorarse por medio del uso de algunos colorantes que tengan poco o ningún efecto nocivo sobre las células. Pero en el estudio más exhaustivo de células y tejidos con el MO y ME es necesario realizar preparaciones de las muestras, que básicamente podemos agrupar en los siguientes pasos: XX Fijación La fijación es esencialmente un método para la preservación de la morfología y composición química de la célula, pues hace que las moléculas queden estabilizadas en su posición original. Es esencial para hacer preparaciones permanentes que después puedan ser teñidas y visualizadas. Algunos de los procedimientos de fijación en microscopía óptica son: el calor, un baño breve en ácidos o disolventes orgánicos como alcoholes, y el tratamiento con aldehídos activos como formaldehído y glutaraldehido. La fijación se realiza habitualmente sobre células colocadas en un portaobjetos. El fijador penetra en la pieza por difusión, por lo que se crea un gradiente de fijación que depende de la penetrabilidad del fijador y de su dilución progresiva con los líquidos celulares. Según el propósito perseguido, debe hacerse una adecuada elección del fijador. El calor es utilizado corrientemente para la fijación de bacterias. Para el núcleo y los cromosomas se usan fijadores ácidos, pero para estudios de la actividad enzimática se emplean la acetona o el formaldehído. En microscopía electrónica uno de los fijadores más empleados es el tetróxido de osmio. Este fijador reacciona muy bien con los lípidos, por medio de dobles ligaduras que forman ésteres inestables de osmio, que se descomponen para depositar óxidos o hidróxidos de osmio. En las proteínas produce una gelificación inicial, que confiere una estructura homogénea, mientras 9 10 TEMARIO que con otros fijadores se produce la coagulación. Esta gelificación inicial puede venir seguida de una oxidación y de la solubilización de algunos productos que son susceptibles de extraerse de la célula. El grado de organización macromolecular es de gran importancia para la preservación de la estructura por fijación. En estructuras bien organizadas, como los cromosomas, existen gran número de fuerzas que interactúan manteniendo las moléculas unidas, debido a lo cual la acción del fijador es insuficiente para alterar las reacciones estructurales. Sin embargo, en regiones menos homogeneizadas, como el citoplasma, la preservación se vuelve más dificultosa y es más probable la producción de artefactos de fijación. Otro método muy utilizado para la fijación es por congelación-desecación, que consiste en una rápida congelación y la deshidratación en el vacío a baja temperatura. La congelación rápida evita el proceso de inclusión previo al corte de la muestra, que en este caso se realiza cortando directamente la muestra con un criostato1. Las ventajas de este método son las siguientes: La estructura se mantiene, y no produce retracción del tejido. La fijación es homogénea en todo el espesor de la pieza. No hay extracción de sustancias solubles. La composición química se mantiene. La técnica de congelación-desecación se debe considerar intermedia entre el examen de los tejidos fijados y frescos, ya que muchos de los componentes celulares se conservan en forma soluble de la misma manera que en estado viviente. Una modificación a este método es la congelación-sustitución, que consiste en una rápida congelación, manteniéndose el tejido congelado a baja temperatura en un reactivo como etanol o metanol, que disuelve los cristales de hielo. XX Inclusión y corte Una vez realizada la fijación, los tejidos deben de ser cortados en secciones muy finas que son colocadas en un portaobjetos. Para este fin se utilizan los microtomos, que pueden ser manuales o automáticos. En microscopía óptica las secciones deben ser entre 1 y 10 micras de grosor. En microscopía electrónica se utilizan microtomos de congelación, que son enfriados con dióxido de carbono líquido. Las técnicas de corte más usadas implican la inclusión de la muestra en un material que da al tejido una consistencia apropiada, ya que por lo general los tejidos son frágiles y blandos. Para microscopía óptica se usa inclusión en parafina, celoidina o resinas. El tejido fijado se deshidrata y luego se incluye en uno de estos compuestos, después de pasarlo por un solvente intermedio (xileno o tolueno en el caso de la inclusión con parafina). XX Tinción Una vez incluida y cortada la preparación, se realiza la tinción. La mayoría de los colorantes son de naturaleza orgánica y aromática, y tienen alguna afinidad específica por los materiales celulares. Se reconocen dos tipos de colorantes: básicos y ácidos. 1 La inclusión y el corte de las muestras se estudia en el punto siguiente de este mismo apartado. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 Los colorantes básicos tienen como grupo cromóforo cationes, como el radical azo y el indamino, y se combinan con constituyentes celulares cargados negativamente, tales como los ácidos nucleicos y polisacáridos ácidos. Como ejemplos de colorantes básicos, están: el azul de metileno, safranina, hematoxilina y cristal violeta. Los colorantes ácidos tienen como grupos cromóforos aniones; los más comunes contienen el grupo nítrico y el quinoide, y se combinan con constituyentes celulares cargados positivamente, como muchas proteínas. Como ejemplos de colorantes ácidos están: la eosina, fucsina ácida y el rojo Congo. Otro grupo de colorantes son sustancias liposolubles que se combinan con compuestos lipídicos de las células como gotas de grasa; entre éstos está el Sudán negro. La intensidad de la coloración depende del grado de acidez o alcalinidad del medio, ya que cuantos más grupos ácidos o básicos se disocien, mayor cantidad de colorante se unirá por uniones salinas a las proteínas. Para los ácidos nucleicos la carga neta está determinada por la disociación de los grupos fosfato y el pH (2 o menos). Por esto, colorear a pH bajo con colorantes básicos (azul de toluidina) es selectivo para los ácidos nucleicos. En algunos casos los colorantes tiñen mejor si la preparación es tratada previamente con otra sustancia química llamada mordiente (como el ácido tánico), que al unirse a los constituyentes celulares facilitan la acción del colorante. Algunos colorantes básicos (azul de toluidina, tionina) tienen la propiedad de teñir ciertos componentes celulares con un color que difiere del original del propio colorante. Esta propiedad es la metacromasia, que tiene importantes aplicaciones en fisicoquímica e histoquímica. Existen dos tipos de tinción: Las tinciones simples, en las que se emplea sólo un colorante. Es muy habitual emplear el azul de metileno, que actúa sobre todas las células. Las tinciones diferenciales, en las que se emplean varios colorantes. Entre las tinciones de este tipo, la más extensamente utilizada es la tinción de Gram, que se utiliza en bacteriología. Los colorantes utilizados son primero cristal violeta, y después la safranina o la fucsina básica. Describe el método utilizado para realizar preparaciones y ser observadas al microscopio óptico. 1.2.2. Técnicas de cultivo de tejidos Una de las técnicas que permite la observación de células vivas en condiciones favorables es el cultivo de tejidos. Esta técnica consiste en transferir pequeñas porciones de diversos tejidos a un medio adecuado donde las células puedan adaptarse y crecer de forma autónoma. Por lo general, el medio incluye componentes de la matriz extracelular, como colágeno, y factores de crecimiento, como aminoácidos, vitaminas y sales minerales, que se depositan en la superficie de un cubreobjetos. Después, éste se invierte sobre un portaobjetos especial, y el conjunto se sella con parafina. En esta cámara cerrada se incuba a la temperatura del cuerpo del animal. Con este tipo de técnica se han conseguido cepas celulares puras. 11 12 TEMARIO 1.2.3. Técnicas de microcirugía La microcirugía ha contribuido al conocimiento de la célula viva. Esta técnica implica la introducción en las células y tejidos, de micropipetas, microagujas, microelectrodos, etc., con ayuda de aparatos especiales, que permiten el movimiento controlado de estos instrumentos bajo el campo del microscopio. Así, se realiza la disección y extracción de partes de células y tejidos, se inyectan sustancias, se miden las variables eléctricas y se realizan injertos de partes de una célula en otra. 1.2.4. Técnicas de fraccionamiento celular Los métodos de fraccionamiento celular consisten en la homogeneización de la muestra, destruyendo los tejidos mediante un homogeneizador, que por procedimientos mecánicos rompe los límites celulares quedando los orgánulos libres y sin destruir. El homogeneizado se somete a una ultracentrifugación en un tubo de ensayo especial, y se van separando las fracciones subcelulares de acuerdo con su masa, volumen y peso específico (Figura 1). Se diferencian cuatro fracciones morfológicamente diferentes: nuclear, mitocondrial, microsomal y soluble. En una primera centrifugación a 1.000 G (1.000 veces la fuerza de la gravedad de la Tierra) durante 20 minutos se obtienen sedimentados los núcleos (fracción nuclear), y en el sobrenadante el resto de orgánulos celulares. El sobrenadante es sometido a una segunda centrifugación a 10.000 G, después de la cual se separará un sedimento con mitocondrias, lisosomas y otros orgánulos de similar tamaño (fracción mitocondrial), y el resto formará un sobrenadante. Éste se centrifuga una tercera vez a 105.000 G durante 120 minutos para separar el RE, vesículas del aparato de Golgi y restos de la membrana plasmática (fracción microsomal) del sobrenadante o fracción soluble formada por el citosol, ribosomas libres, microtúbulos y microfilamentos. Posteriormente, estas fracciones celulares se analizan por métodos bioquímicos o microquímicos. 1.2.5. Técnicas citoquímicas e histoquímicas Citometría. Diversos componentes de las células poseen la propiedad de absorber específicamente la luz ultravioleta. Por ejemplo, los ácidos nucleicos absorben en la banda de 2600 Å, mientras que las proteínas lo hacen a 2800 Å. De la misma forma, algunas reacciones histoquímicas de coloración dan absorción específica en el espectro visible y pueden analizarse cuantitativamente por medio de citómetros. Fluorescencia. Al igual que la citometría, la microscopía de fluorescencia se utiliza en histoquímica. En este método los cortes de tejido son examinados con luz ultravioleta, cerca del espectro visible, y los componentes se reconocen por la fluorescencia que emiten en el espectro visible. Se estudian dos tipos de fluorescencia: −− Fluorescencia natural, que resulta de sustancias halladas normalmente en los tejidos. −− Fluorescencia secundaria, inducida por coloración con colorantes fluorescentes o fluorocromos, como la fluoresceína y la rodamina. La primera emite un color amarillo-verdoso, y la segunda un rojo intenso. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 Figura 1. Esquema de la técnica de fraccionamiento celular con centrifugación. La ventaja de este método es su gran sensibilidad, lo cual tiene particular importancia para los estudios vitales, puesto que la baja concentración de colorante fluorescente necesaria produce una interferencia mínima con la fisiología normal del tejido. A menudo este método proporciona una información citoquímica específica debido a que algunos componentes del tejido poseen una emisión fluorescente típica. Así se ha podido descubrir la presencia de vitamina A, tiamina, riboflavina y otras sustancias. Inmunocitoquímica. Los métodos inmunocitoquímicos se basan en la reacción antígeno-anticuerpo. Pueden ser directos o indirectos; en el primer caso se une la γ-globulina a un colorante fluorescente, o a una molécula opaca; en el segundo caso, que es el más utilizado, el complejo antígeno-anticuerpo no marcado reacciona con un anticuerpo antiglobulina marcado con fluoresceína para hacer visible el complejo con microscopía de fluorescencia, o con ferritina, para su observación mediante microscopía electrónica. 13 14 TEMARIO Este método, tanto en forma directa como indirecta, puede ser utilizado para localizar virus en los tejidos y para determinar la secrección de γ-globulina por los plasmocitos. Empleo de radioisótopos. Uno de los métodos más utilizados en citoquímica se basa en el uso de sustancias marcadas por radioisótopos. La sustancia en cuestión es incorporada a la célula y luego se la localiza utilizando una emulsión fotográfica, puesto que los radioisótopos tienen la propiedad de actuar sobre los cristales de bromuro de plata de la emulsión. El corte de tejido se pone en contacto con la emulsión fotográfica durante cierto periodo y después la autorradiografía se revela como en el método fotográfico común. Comparando la imagen fotográfica con la de las células observadas por medio del microscopio, se puede lograr una localización precisa del radioisótopo. 1.2.6. Otras técnicas Otra técnica instrumental para el estudio de las estructuras biológicas es la difracción de rayos X. Se basa en la propiedad que poseen las radiaciones de difractarse cuando se encuentran pequeños obstáculos. El material a observar es atravesado por un haz fino de rayos X y detrás se coloca una placa fotográfica que recoge el espectrograma. Permite determinar la orientación de las moléculas, medir con precisión la distancia que las separan y reconocer su organización atómica. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 2 CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS2 Existen dos tipos principales de células: procariotas y eucariotas. Los procariontes son seres vivos cuyas células no poseen núcleo. Muchos son unicelulares y de pequeñas dimensiones y están representados por las bacterias (figura 2), sin embargo, hay procariontes, como las cianobacterias, que forman colonias. Por su parte los eucariontes son seres vivos cuyas células están dotadas de núcleo. Pueden ser unicelulares o pluricelulares. 2.1. DIFERENCIAS ENTRE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS Para estudiar las diferencias entre ambas, vamos a relacionar las características diferenciales de cada una por separado3. XX Procariotas Células generalmente pequeñas (1-10 µm); las más complejas desde el punto de vista morfológico a veces forman filamentos (cianobacterias). Al exterior de la membrana plasmática suele existir una pared celular formada por mureína. Sin núcleo diferenciado. Material genético no rodeado por una membrana, llamado cromosoma bacteriano o nucleoide. Figura 2. Esquema de una célula bacteriana con sus principales componentes. 2 Repasar antes, en el tema 22, el origen de las células eucariotas y las principales diferencias entre células procariotas y eucariotas. 3 Estas diferencias podrían expresarse también en una tabla comparativa de los dos tipos celulares. 15 16 TEMARIO ADN en molécula circular sin unir a proteínas, con genes que no poseen intrones. División celular directa, normalmente por bipartición; el material genético no se tiñe mediante la técnica de Feulgen. No hay centriolos ni aparato mitótico. Ausente en la mayoría de las formas; cuando la hay, consiste en una transferencia unidireccional de un donante a un receptor. No hay movilidad intracelular. Sin orgánulos con membrana como RE, aparato de Golgi, lisosomas, vacuolas, mitocondrias, cloroplastos, etc. Los organismos multicelulares nunca se desarrollan a partir de un cigoto diploide y no presentan diferenciación tisular. Comprende formas anaerobias estrictas, anaerobias facultativas, microaerofílicas y aerobias. Grandes diferencias en los esquemas metabólicos en el conjunto del grupo; mitocondrias y cloroplastos ausentes. La membrana presenta unos repliegues hacia el interior, llamados mesosomas, cuyas funciones son muy diversas. Sirven para sujetar el cromosoma bacteriano y dirigir la duplicación del ADN. En ellos, además, se realiza la respiración celular, síntesis de ATP; en las bacterias fotosintetizadoras se realiza la fotosíntesis, y otras. Flagelo bacteriano, cuando existe, simple, formado por una proteína llamada flagelina. Sin microtúbulos. Cuando hay fotosíntesis las enzimas se encuentran adheridas a la membrana celular. Ribosomas de 70S. Esteroides ausentes o en cantidad limitada. XX Eucariotas Células generalmente grandes (10-100µm); la mayoría forman organismos de tamaño grande. Los más complejos desde el punto de vista morfológico son los vertebrados y las plantas con flores. Las células vegetales poseen pared celular externa formada principalmente de celulosa. Núcleo diferenciado y protegido por una membrana. División celular por mitosis, cromosomas que contienen ADN y proteínas; el núcleo se tiñe de rojo con la técnica de Feulgen, tienen centriolos y/o presencia de aparato mitótico. ADN no circular y genes con intrones. Sexualidad presente en la mayoría de las formas; participación de dos individuos en la producción de gametos. Importante movilidad intracelular. Presencia de orgánulos con membrana como RE, aparato de Golgi, lisosomas, vacuolas, mitocondrias, cloroplastos, etc. Los organismos pluricelulares se desarrollan a partir de un cigoto diploide y presentan una diferenciación celular importante. Todas las formas son aerobias las excepciones son adaptaciones secundarias. Dentro del grupo existe el mismo metabolismo de oxidación; las enzimas de oxidación de las moléculas orgánicas están alojadas en las mitocondrias. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 Cilios y flagelos con estructura compleja compuesta por microtúbulos constituidos por tubulina y otras proteínas. Cuando hay fotosíntesis, las enzimas se encuentran en los cloroplastos. Ribosomas de 80S. Importante cantidad de esteroides. Señala, mediante un cuadro esquemático, al menos diez diferencias entre células procariotas y eucariotas. 2.2. ORIGEN DE LAS CÉLULAS EUCARIOTAS La compleja organización de las células eucariotas sugiere que aparecieron posteriormente a las procariotas. Para explicar este paso existen dos teorías. Una es la llamada autógena, que propugna que la célula eucariota apareció, a partir de células procariontes, por la formación progresiva en el seno del citoplasma de compartimentos especializados a partir de invaginaciones de la membrana plasmática, y por incremento sucesivo del tamaño de las células. Hasta el presente no se ha demostrado que la teoría sea falsa. Sin embargo, si los orgánulos de las células eucariotas aparecieron realmente de esta forma en el curso de una evolución que duró millones de años, ¿por qué no aparece ninguna forma intermedia? Sin embargo, parece más aceptable la teoría denominada de endosimbiosis en serie. Esta teoría, propuesta por Lynn Margulis a mediados de los años sesenta del siglo pasado, se basaba en las observaciones realizadas previamente por otros investigadores, y son las siguientes: Las mitocondrias y los cloroplastos tienen unas dimensiones parecidas a las de las bacterias. Estos orgánulos contienen ADN, ARN mensajero, ribosomas y ARN de transferencia. Pueden multiplicarse independientemente del núcleo celular, mediante la replicación de su ADN. Sintetizan parte de sus proteínas bajo el control de sus propios genes. Todo sugiere que estos orgánulos, involucrados en funciones energéticas, derivan de bacterias que fueron fagocitadas, eludieron los mecanismos de fagocitosis y se establecieron como simbiontes en otras células procariontes más grandes, heterotrófas y anaerobias. Estas bacterias fueron capaces de autorreproducirse y de sintetizar la totalidad de sus proteínas, aunque contienen menos ADN que las bacterias actuales. De esta forma se estableció una simbiosis entre los distintos organismos, lo que acabaría dando los primeros seres unicelulares eucariotas. Las células eucariotas serían por tanto unas comunidades microbianas bien integradas, coevolucionadas. La teoría de Margulis ha ido revisándose conforme se producían nuevos descubrimientos en Biología Celular y propone que en un principio se fusionaron una arqueobacteria con una espiroqueta, bacteria de forma helicoidal y muy móvil. La espiroqueta aportaría a la célula original los microtúbulos y sería el origen de las actuales prolongaciones móviles, como cilios y flagelos; 17 18 TEMARIO en momentos posteriores esta célula habría fagocitado las bacterias precursoras de las actuales mitocondrias y cloroplastos. Las mitocondrias podrían haber evolucionado de antiguas bacterias púrpuras y haber aportado a la simbiosis la respiración aerobia de la cual carecía la célula original. Por otro lado, los cloroplastos y otros orgánulos fotosintetizadotes se habrían diferenciado a partir de antiguas cianobacterias y aportaron una fuente sencilla de carbono, como es el dióxido de carbono, para la síntesis de moléculas orgánicas. Si la teoría de la endosimbiosis es correcta, significaría que la simbiosis es uno de los mecanismos más importantes y más rápidos de la evolución, por lo que la Biología Celular sería un caso especial de la ecología microbiana. La teoría de la endosimbiosis está de acuerdo con la clasificación actual de los seres vivos en cinco reinos. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 3 LA CÉLULA VEGETAL Y ANIMAL Las células eucariotas varían en su estructura, forma y tamaño, dependiendo de que sean un ser vivo unicelular o formen parte de los tejidos; en este caso difieren según la función específica que realicen dentro de ellos. Los dos tipos de células eucariotas que son más diferentes entre sí son las células animales y las células vegetales. Las diferentes formas de las células y sus posibles modificaciones dependen de la tensión superficial, la viscosidad del protoplasma, la rigidez de la membrana, la función específica que realizan, y la presión que ejerzan las células contiguas. En cuanto a la forma, la célula animal aislada tiende a tener forma esférica, pero hay grandes variaciones dependiendo del tejido del que forme parte: las células epiteliales tienen una forma más o menos prismática, las del tejido nervioso son estrelladas, y las musculares tienen forma de huso (Figura 3). Por otro lado, la célula vegetal aislada tiene forma prismática, debido a la rigidez de la pared celular; su forma puede variar ligeramente al encontrarse formando parte de un tejido, ya que por la presión que ejercen otras capas de células puede aplanarse (Figura 4). El tamaño de las células también es muy variable y oscila entre cuatro micras de diámetro, las más pequeñas, y varios centímetros, en el caso de algunos huevos de aves. El tamaño celular no está relacionado con el tamaño del tejido u órgano del que formen parte. En general, el tamaño de las células es constante para un tipo celular determinado, relación que se conoce como la ley del volumen celular constante. XX Orgánulos comunes En ambos tipos celulares se observa un núcleo rodeado de la membrana nuclear, que lo separa del citoplasma. El núcleo en estado de interfase está formado por la cromatina, que aparece Figura 3. Célula eucariota animal. 19 20 TEMARIO irregularmente distribuida en apelotonamientos o filamentos en el jugo nuclear, que llena por completo el núcleo; durante la división forma los cromosomas. Aparte de estos dos componentes, existen uno o más cuerpos esféricos, los nucleolos. El citoplasma fundamental situado por fuera del sistema de membranas y de orgánulos membranosos constituye el medio interno de las células y contiene ribosomas, que intervienen en la biosíntesis de proteínas. Tanto en las células vegetales como animales, pero preferentemente en las vegetales, existen vacuolas de contenido fluido. En las células animales las vacuolas son pequeñas y numerosas, mientras que en las células vegetales son escasas pero siempre de tamaño grande, de manera que suelen desplazar al núcleo del centro de la célula. En las células vegetales jóvenes las vacuolas son numerosas y pequeñas; a medida que las células crecen se van fundiendo unas con otras hasta constituir vacuolas más grandes. Las mitocondrias también son orgánulos que se encuentran en los dos tipos de células, están distribuidos por todo el citoplasma y contienen en su interior material genético y capacidad de división. Los lisosomas son pequeñas vesículas que intervienen en la digestión intracelular pues contienen diferentes enzimas hidrolíticas. También los peroxisomas son orgánulos comunes y su función es trasformar el peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno por su actividad catalasa. En el complejo sistema de membranas que existe en el citoplasma, cuyo desarrollo varía en los diferentes tipos celulares de acuerdo con la diferenciación celular, destacan el aparato de Golgi y el retículo endoplásmico, el cual se organiza en dos tipos: rugoso (que posee ribosomas adheridos a la pared exterior de su membrana) y liso. Figura 4. Célula eucariota vegetal. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 La existencia del citoesqueleto es común a células animales y vegetales. Está formado por microtúbulos y microfilamentos, y además de tener un papel mecánico y de soporte, participa también en los movimientos intracelulares XX Orgánulos diferenciales En las células vegetales la membrana plasmática se halla cubierta y protegida exteriormente por la pared celular, a través de la cual se encuentran puentes celulares que comunican células contiguas llamados plasmodesmos. La pared celular es producto de la acción del protoplasma, que segrega diferentes componentes de la pared, principalmente celulosa. El crecimiento en espesor de la pared tiene lugar por aposición, es decir, por depósito de nuevas moléculas debajo de las primeras. Una de las principales características de las células vegetales es la presencia de plastos, de mayor tamaño que las mitocondrias y, como éstas, con una doble membrana limitante. Si no contienen pigmentos se llaman leucoplastos, y si acumulan pigmentos, cromoplastos, de los cuales los más frecuentes son los cloroplastos, ricos en clorofila y la fotosíntesis. En el citosol se acumulan diferentes sustancias según el tipo celular. Mientras que en las células animales son característicos los acúmulos de glucógeno como sustancias de reserva energética, en las células vegetales se acumula otro polisacárido, el almidón. Otros orgánulos celulares, que sólo poseen las células animales, son los centriolos, que se relacionan con la división celular y se encuentran también vinculados con la diferenciación de cilios y flagelos. Los centriolos se observan raramente en células vivas. XX Diferencias en la división celular4 La división celular en las células vegetales es diferente a la que se produce en las animales. Al carecer de centriolos, en las células vegetales la polimerización de los microtúbulos para formar el huso acromático se produce en una región predeterminada, sin una estructura visible. Las mitosis que carecen de centriolos se denominan mitosis anastrales, frente a las astrales de células animales. Además, la citocinesis o división del citoplasma se realiza en las células vegetales por formación de un tabique o fragmoplasto a partir de vesículas que se alinean en la zona media de la célula en división y entre los dos núcleos hijos. Por su parte, las células animales dividen por estrangulamiento. 4 Consultar, en el tema 29, más detalles sobre la división celular. 21 22 TEMARIO 4 FORMAS ACELULARES 4.1. VIRUS5 4.1.1. Características generales En sentido histórico, el término virus ha sido utilizado para designar cualquier agente capaz de producir una enfermedad infecciosa. Esta situación perduró hasta el siglo XIX, cuando empezaron a reconocerse agentes microbianos específicos para cada enfermedad infecciosa. En 1892 el botánico ruso D. Ivanowsky, trabajando con plantas del tabaco que presentaban la enfermedad del mosaico, comprobó que si hacia un extracto de dichas plantas y lo filtraba se mantenían unos agentes infecciosos, a los que denominó virus filtrantes. Con el tiempo el adjetivo «filtrante» desapareció y la palabra virus se convirtió en una designación específica para estos agentes infecciosos ultramicroscópicos capaces de pasar a través de los filtros que retenían bacterias. Durante las primeras décadas del siglo XX, se propuso que los virus eran otra clase de microorganismos, cuya diferencia con los demás estribaría en su pequeño tamaño. Pero M. Beijerinck descubrió que el virus de mosaico del tabaco (Figura 5) podía ser precipitado con alcohol a partir de una suspensión, sin perder por ello la capacidad infectiva, siendo capaces de difundir a través de un gel de agar. Estas propiedades no las presenta ningún otro tipo de microorganismo, por lo que el virus no era un organismo vivo, sino más bien un principio infeccioso soluble. En 1935, W. Stanley purificó el virus del mosaico del tabaco, y descubrió que el principio infeccioso del mismo virus podía ser estabilizado y que estos cristales eran de naturaleza proteica. Figura 5. Virus del mosaico del tabaco. Actualmente se conocen gran cantidad de tipos de virus; así mismo se han descrito numerosas estructuras virales, todos ellos son agentes infecciosos acelulares constituidos por un genoma vírico de ADN o ARN y una cubierta externa formada en su mayor parte por proteínas. Los virus carecen de núcleo, citoplasma, ribosomas, ATP o cualquier maquinaria metabólica propia; por ello son siempre parásitos intracelulares obligados, incapaces de reproducirse por sí mismos fuera de una célula huésped. Su reproducción la realizan a expensas del aparato enzimático, orgánulos y energía 5 Los virus son estudiados con más detalle en el tema 32. Aquí se ven características generales, estructura y origen de los virus. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 suministrados por la célula hospedante. Después de entrar en ésta, para multiplicarse, se desintegran y construyen otros nuevos en el interior de la célula atacada. En los virus que llevan ADN, el ADN vírico compite con el ADN de la célula huésped para dirigir las actividades metabólicas de ésta. En los virus con ARN, éste se comporta, directa o indirectamente, como ARN mensajero en la célula huésped, asociándose a sus ribosomas y actuando como matriz para la síntesis de proteínas víricas. Los virus pueden variar ampliamente en tamaño (170-3.000 angstroms), forma, extensión de células atacadas, tipos de daños celulares inducidos, etc. Por su pequeño tamaño la identificación se hace con el microscopio electrónico. Hay virus que infectan a células animales (con ADN o ARN nunca los dos a la vez), otros a células vegetales (con ARN), y otros específicamente a bacterias o bacteriófagos (con ADN). Desde el punto de vista genético, los virus son capaces de reproducirse por ellos mismos y controlar la síntesis de proteínas víricas específicas, aunque siempre con ayuda de la maquinaria enzimática de la célula huésped. Al ser la multiplicación una propiedad general de los seres vivos, habría que decir que, desde el punto de vista genético, el virus es un organismo vivo. Desde el punto de vista fisiológico, que estudia el flujo de materiales y energía, la reproducción vírica no se puede producir si no es a través de una célula que le proporciona el metabolismo energético y los orgánulos para realizar la síntesis de proteínas. Por lo tanto, desde este punto de vista no se puede asegurar que los virus sean seres vivos. Además, al igual que la materia no viva, los virus, cuando las condiciones ambientales les son adversas, son capaces de cristalizar. 4.1.2. Estructura de los virus Las partículas víricas son extraordinariamente diversas en cuanto a su estructura. En general, se reduce a una sola molécula de ácido nucleico (ADN o ARN) envuelta por una capa protectora, de naturaleza principalmente proteica, denominada cápsida; cada una de las unidades proteicas que forman la cápsida se denomina capsómero. Sólo algunos tipos de virus poseen enzimas. El conjunto de ácido nucleico y cápsida se denomina nucleocápsida. El ácido nucleico puede ser de cadena sencilla o doble; lo normal es que tengan una sola molécula, pero los retrovirus, con ARN, tienen dos. Algunos virus ARN contienen fragmentos múltiples de ARN y se dice que tienen el genoma fragmentado. La disposición de los capsómeros determina la morfología característica del virus. Así, la cápsida de muchos virus, que parece esférica, es en realidad icosaédrica; otros tienen una cápsida semejante a un largo cilindro, cuyo ácido nucleico forma una espiral en su interior. Los llamados virus complejos poseen cápsidas con formas mucho más complicadas; por ejemplo, los bacteriófagos o virus que atacan a las bacterias. Algunos de los virus de mayor tamaño, como los que provocan los distintos tipos de gripes, pueden estar rodeados de una envoltura membranosa que rodea la nucleocápsida, y se llaman virus envueltos, frente a los que carecen de envuelta que se denominan virus desnudos. La envoltura posee una estructura típica de bicapa lipídica con proteínas. Los lípidos provienen de las membranas de las células hospedadoras, mientras que las proteínas son codificadas por el propio virus y desplazan a las proteínas de membrana de la célula hospedante. 23 24 TEMARIO 4.1.3. Origen de los virus Para explicar el origen de los virus se han propuesto varias hipótesis, que son las siguientes: Los virus se volvieron parásitos de los primeros organismos celulares, y los virus actuales son los descendientes directos de estas estructuras subcelulares. Conforme los nuevos organismos han evolucionado, nuevos virus evolucionan con ellos. Los virus no son organismos individuales, sino componentes de las células, las cuales, en ocasiones, degeneran; dentro de la célula, el virus podría ejercer una influencia autocatalítica, de tal manera que se formen duplicados de ella a partir de materiales del interior de la célula. Una matización de esta hipótesis sería que los virus son derivados de genes celulares normales, que se volvieron capaces de autoduplicarse autónomamente y adquirieron la información genética para cifrar las proteínas de la cápside. Los virus han evolucionado a partir de bacterias patógenas que experimentaron un proceso evolutivo retrógrado. De hecho, algunas bacterias han perdido parte de sus funciones necesarias para mantener su existencia independiente, aunque este hecho no es en absoluto suficiente como para considerar a estas bacterias como virus. Los virus han surgido de forma independiente. Es bastante difícil imaginar el origen de los virus según esta hipótesis. El origen de los virus de ARN podría ser explicado según este modelo, dado que el ARN no presenta autoduplicación en las células normales. Discute porqué, para algunos científicos, los virus son considerados seres vivos mientras que otros científicos no los consideran así. 4.2. VIROIDES Otros tipos de formas acelulares son los viroides y los priones. Los viroides son partículas infecciosas de tamaño muy pequeño, sensibles a la ribonucleasa, y resistentes a la desoxirribonucleasa, al calor y al fenol, lo que hace suponer que presenta las características del ácido nucleico sin proteínas. Serían pequeñas moléculas de ARN monocatenario, de peso molecular de alrededor de 100.000, que se encuentran plegadas y que presentan una estructura secundaria particular con apareamiento intracatenario parcial de las bases que hace que existan regiones de ARN monocatenario alternando con otras de ARN bicatenario, simulando asas y estando totalmente desprovistas de cubierta proteica. Contienen la información genética sólo para su propia replicación, que se realiza en el núcleo de la célula huésped; se considera que dicha replicación interferiría con la síntesis de ARN mensajero y nucleolar de la célula huésped, célula que se comportaría la célula como un inhibidor competitivo y desorganizado funcionalmente. Hasta el presente sólo se han demostrado en 11 enfermedades de plantas, como el mosaico del crisantemo, clorosis del pepino, etc. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 4.3. PRIONES Por otra parte, desde hacia tiempo se conocía la existencia de enfermedades crónicas y degenerativas del SNC de los animales y del hombre, como el scrapie o prurito lumbar de las ovejas, el Kuro o ataxia degenerativa endémica y la enfermedad de Creutzfeldt-Jacob (demencia presenil), que se podían transmitir a los animales por inoculación del cerebro de los enfermos y que se consideraban virosis lentas, pero en las cuales no se había podido demostrar la presencia de virus. Recientemente, S. Prusiner (1982) consiguió aislar de la sustancia amiloide de los enfermos unas glicoproteínas capaces de transmitir la enfermedad a ratones y hámsters, a las que denominó priones por considerar que eran proteínas infecciosas de bajo peso molecular (27.000), no antigénicas, con una gran tendencia a la agregación y que al microscopio electrónico se observan como fibrillas de 20 por 200 nm. Son resistentes a las sustancias y procedimientos que inactivan los virus (rayos UV, calor, nucleasas, formol, glutaraldehído, óxido de etileno), pero se inactivan mediante una solución de NaOH 0,1N. Existen dos formas del prión, una la PrPc o forma celular, y otra patógena, PrPSc. La PrPc es una proteína habitual de las membranas celulares de neuronas. Las formas PrPc y PrPSc son la misma proteína, pues comparten la misma secuencia de aminoácidos o estructura primaria. La diferencia entre ambas reside en su estructura secundaria y terciaria, es decir, en su conformación espacial. La forma PrPSc ha sufrido un plegamiento respecto a la forma PrPc. Cuando una molécula PrPSc entra en contacto con una molécula de PrPc de la misma especie, la PrPSc actúa como patrón y ocasiona que las moléculas de PrPc se replieguen y se trasformen en moléculas PrPSc patógenas, que ponen en marcha una reacción en cadena, de forma que la infección se desarrolla exponencialmente. El mecanismo por le cual los priones ocasionan la enfermedad aún no se comprende a la perfección. Se cree que la acumulación intracelular de PrPSc no degradable mata las neuronas y conduce a la espongiosis de estado que caracteriza a las enfermedades relacionadas con priones. 25 26 TEMARIO BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA COMENTADA ALBERTS, B.; BRAY, D.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K. y WATSON, J. D. (2004): Biología Molecular de la Célula. Barcelona: Omega. Libro muy completo, se trata de un excelente manual de biología molecular y celular, que refleja la importancia de los conocimientos de la biología abordados con un enfoque molecular; con contenidos tanto de morfología como de fisiología celular, así como de biología molecular. Destacan los abundantes esquemas y microfotografías, así como un CD-ROM interactivo con todas las figuras del libro. ALBERTS, B.; BRAY, D.; HOPKIN, K.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K. y WALTER, P. (2006): Introducción a la Biología Celular. Madrid: Médica Panamericana. Este libro, similar al anterior, es de fácil y atractiva consulta. Recoge los principales aspectos de la citología, y hace énfasis en los aspectos funcionales y en el material genético. Cada tema es finalizado con un resumen de los conceptos esenciales y preguntas. BECKER, W. H.; KLEINSMITH, L. J. y HARDIN, J. (2007): El mundo de la célula. Madrid: Pearson Educación. Libro muy actualizado de citología general, con numerosos esquemas, fotos y sencillos dibujos que ayudarán a la comprensión de conceptos. Cada tema termina con problemas y cuestiones. Incluye además un CD-ROM. COOPER, G. M. y HAUSMAN, R. E. (2005): La célula. Madrid: Marbán Libros. Este texto, además de contenidos sobre biología celular y molecular, da una información más básica de Bioquímica. Se ha puesto al día en los capítulos relativos a las áreas de mayor progreso científico, desde un enfoque claro de biología celular. El libro presenta unas ilustraciones muy atractivas y existe un resumen al final de cada tema, con un conjunto de palabras clave en negrita. Además, como material complementario, dispone de un CD-ROM. DE DUVE, C. (1988): La célula viva. Barcelona: Prensa Científica S.A. Libro clásico y sencillo sobre la morfología y estructura de la célula. En el se citan numerosas experiencias y trabajos sobre los estudios en citología. Difícil de encontrar en librerías, pero es frecuente en bibliotecas. DE ROBERTIS, E. M. F., HIB, J., PONZIO, R. (2003): Biología Celular y Molecular de De Robertis. Buenos Aires : El Ateneo. Libro con varias ediciones, ésta ha sido revisada y reescrita con el fin de dar a conocer el estado actual de los conocimientos. La mayoría de las ilustraciones son nuevas. Se hace especial referencia en el conocimiento de las funciones celulares y en las aplicaciones en biotecnología. LUQUE, J. y HERRÁEZ, A. (2002): Texto ilustrado de Biología molecular e Ingeniería genética. Madrid: Elsevier Science. Manual sumamente pedagógico que combina un texto con sencillas explicaciones y numerosos esquemas donde las figuras por sí mismas ayudan al estudio y la comprensión fácil del texto. La estructura y los contenidos son amplios. Viene acompañado de un CD-ROM con diversas imágenes del libro. MARGULIS, L.; SAGAN, D. (2003): Captando genomas: una teoría sobre el origen de las especies. Barcelona: Kairós. Este libro es innovador y revolucionario, en el que sus autores proponen que la adquisición de nuevos genomas por fusión simbiótica fue el principal motor de la evolución de los seres vivos, cuestionando muchas de las teorías clásicas de la biología evolutiva. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 PANIAGUA GÓMEZ-ÁLVAREZ, R. (2007): Biología celular. Madrid: McGraw-Hill Interamericana. Libro dirigido a los estudiantes, en el que se seleccionan aquellos conocimientos esenciales de la biología celular que se requieren para la comprensión de la estructura celular y de sus principales mecanismos vitales. El contenido se adapta al estudio morfológico ensamblado con los aspectos moleculares a nivel de estructuras. BIBLIOGRAFÍA REFERIDA CURTIS, H. y SUE, N. (2001): Biología. Madrid: Médica Panamericana. JUNQUEIRA, L. C. y CARNEIRO, J. (2005): Histología básica. Barcelona: Salvat. VELASCO J. et al. (2003): Biología. Madrid: Editex. WEBGRAFÍA http://es.geocities.com/que_es_la_celula/ http://www.aula2005.com/ http://www2.uah.es/biomodel/model2/bicapa/inicio.htm www.um.es/~molecula/ http://www.cellsalive.com/mitosis.htm http://www.arrakis.es/%7Elluengo/componentes.html http://www.kidlink.org/spanish/kidproj-spanish/celula/ 27 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 26 RESUMEN Métodos de estudio de la célula. Células procariotas y eucariotas. La célula animal y vegetal. Formas acelulares. 1. MÉTODOS DE ESTUDIO DE LA CÉLULA 1.1.INSTRUMENTOS DE ANÁLISIS DE LAS ESTRUCTURAS BIOLÓGICAS Existen dos tipos básicos de microscopios 1.1.1. Microscopio óptico (MO) XXPartes del microscopio Sistema mecánico, sistema óptico (objetivos y oculares) y sistema de iluminación (condensador, diafragma y fuente de luz). XXPropiedades del microscopio Campo del microscopio, aumento del microscopio, poder de definición y poder de resolución. XXTipos de microscopios ópticos Microscopio óptico normal o de campo claro. Microscopio de contraste de fases. Microscopio de campo oscuro. Microscopio de polarización. Microscopio de fluorescencia. 1.1.2. Microscopio electrónico (ME) El microscopio electrónico utiliza electrones para iluminar un objeto. En un M. E. el poder de resolución es de 0,002 micras. Hay dos tipos básicos de microscopios electrónicos: Microscopio electrónico de transmisión (MET o TEM) Permite observar muestras en cortes ultrafinos. Microscopio electrónico de barrido (MEB o SEM) Con él se explora la superficie del objeto punto por punto, por lo que se van a generar imágenes tridimensionales. 1.2.TÉCNICAS Y MÉTODOS MICROSCÓPICOS Y HISTOQUÍMICOS 1.2.1. Técnicas de preparación de muestras para microscopía Se puede utilizar el examen vital, que se aplica a células libres en un medio líquido. Pero en el estudio más exhaustivo es necesario realizar preparaciones en los siguientes pasos: XXFijación Por calor, alcoholes, formaldehído y glutaraldehído. En microscopía electrónica el más empleado es el tetróxido de osmio. Otro método muy utilizado es por congelación-desecación. XXInclusión y corte Los tejidos deben de ser cortados en secciones muy finas, y se utilizan los microtomos. Antes del al corte se realiza la inclusión de la muestra en un material que da al tejido la consistencia apropiada. XXTinción Se reconocen varios tipos de colorantes: básicos, ácidos y liposolubles. Existen tinciones simples, en las que se emplea sólo un colorante, y tinciones diferenciales, en las que se emplean varios colorantes. 1.2.2. Técnicas de cultivo de tejidos Esta técnica consiste en transferir pequeñas porciones de diversos tejidos a un medio adecuado donde las células puedan adaptarse y crecer de forma autónoma. 1.2.3. Técnicas de microcirugía Esta técnica implica la introducción, en las células y tejidos, de micropipetas, microagujas, microelectrodos, etc., con ayuda de aparatos especiales. 1.2.4. Técnicas de fraccionamiento celular Que consisten en la homogeneización de la muestra, destruyendo los tejidos y posterior ultracentrifugación en varias veces para separar los componentes celulares en fracciones. 1.2.5. Técnicas citoquímicas e histoquímicas Citometría. Microscopía de fluorescencia que estudia dos tipos de fluorescencia: natural y secundaria inducida por coloración con colorantes fluorescentes o fluorocromos. Inmunocitoquímica basada en la reacción antígeno-anticuerpo. Empleo de radioisótopos. 1.2.6. Otras técnicas Otra técnica es la difracción de rayos X, basada en la propiedad que poseen las radiaciones de difractarse cuando se encuentran pequeños obstáculos. 29 30 TEMARIO 2. CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS Existen dos tipos principales de células: procariotas y eucariotas. 4. FORMAS ACELULARES 4.1.VIRUS 4.1.1. Características generales 2.1.DIFERENCIAS ENTRE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS Las diferencias entre células procariotas y eucariotas son numerosas: las procariotas son más sencillas, no poseen núcleo diferenciado y carecen de la mayoría de orgánulos celulares que sí tienen las células eucariotas. 2.2.ORIGEN DE LAS CÉLULAS EUCARIOTAS La teoría más aceptada en la actualidad es la de la endosimbiosis en serie, que propone que las células eucariontes proceden de una antigua célula procarionte en la cual quedaron simbiontes otras bacterias con diferentes especializaciones. Así, de espiroquetas se produjeron los actuales cilios y flagelos, de cianobacterias evolucionaron los cloroplastos, y de antiguas bacterias púrpuras aerobias, las actuales mitocondrias. Son los agentes infecciosos más pequeños que las bacterias. Son parásitos intracelulares obligados, y para reproducirse, el genoma (ácido nucleico) del virus se adueña de la maquinaria enzimática de la célula produciendo nuevas estructuras virales a costa de las proteínas y otros componentes de la célula hospedante. Hay virus que infectan a células animales, otros a células vegetales y otros específicamente a bacterias (bacteriófagos). Se discute sobre si son seres vivos o no, pues no son formas celulares. 4.1.2. Estructura de los virus Formados generalmente por una molécula de ADN o ARN que constituye el genoma. Éste, se encuentra protegido exteriormente por proteínas que forman la cápsida constituida por subunidades más pequeñas o capsómeros. Algunos poseen exteriormente una envoltura formada con una bicapa de lípidos con proteínas. 4.1.3. Origen de los virus 3. LA CÉLULA VEGETAL Y ANIMAL Existen diferencias en la forma y tamaño de la célula animal y vegetal, pues la célula vegetal es más poligonal que la animal, que es más globosa, y también el tamaño depende del tejido al que pertenezca la célula. Orgánulos comunes: poseen una membrana celular, mitocondrias, lisosomas, vacuolas, núcleo, retículo endoplásmico, aparato de Golgi, ribosomas. Orgánulos diferenciales: las células vegetales carecen de centriolos, poseen pared celular y cloroplastos y almacenan glucógeno. Las células animales tienen centriolos y almacenan almidón. Diferencias en la división celular: la mitosis de las células animales, al tener centriolos, es astral, mientras que la citocinesis es por estrangulación del citoplasma. En las células vegetales, al no tener centriolos, la mitosis es anastral y con citocinesis por tabicamiento con fragmoplasto. Existen diversas hipótesis sobre su origen, sin que se haya llegado a ninguna conclusión cierta. Para unos proceden de parte del genoma de la célula, otros creen que son independientes, otros que proceden de bacterias, etc. 4.2.VIROIDES Son partículas infecciosas de tamaño muy pequeño, sensibles a la ribonucleasa y resistentes a la desoxirribonucleasa, al calor y al fenol, lo que hace suponer que presenta las características de un ARN con un plegamiento especial y sin proteínas. Infecciones sólo en plantas. 4.3.PRIONES Son considerados proteínas infecciosas de bajo peso molecular, capaces de transmitir enfermedades relacionadas con el sistema nervioso. La proteínas patógenas, cuando infectan, producen en proteínas similares no patógenas de la membrana plasmática un cambio conformacional que las vuelve patógenas, generando la enfermedad.
