BIOLOGÍA CELULAR Introducción: Origen de la célula, de la célula procariota a la eucariota; aspectos evolutivos. En el siglo XVII A. Van Leeuwenhoek construye el primer microscopio y Robert Hooke describe su observación al microscopio de una lámina delgada de corcho llamando células a las estructuras observadas, posteriormente se determino que lo observado por Hooke, fueron las paredes celulares de células vegetales. Desde 1837 hasta 1855 Schleiden, Swann y Wirchow elaboran la teoría celular con dos postulados: 1º La célula es la unidad anatómica y funcional del ser vivo. 2º Toda célula procede de otra célula. En 1938 El científico soviético A.I. Oparín enunció la teoría sobre el origen de la vida, independientemente Haldane en Inglaterra elaboró una teoría similar, esta teoría fue apoyada experimentalmente por Miller en 1953. La teoría de Oparín es actualmente la más aceptada aunque se encuentra aún en fase de revisión, esta teoría intenta explicar la aparición de materia orgánica a partir de la materia inorgánica existente en la tierra, se calcula la edad de la tierra en 4.500 millones de años y la aparición de la vida hace unos 3.500 millones de años, en ese momento la tierra tendría una atmósfera reductora sin oxígeno, rica en CH4, CO2, NH3, y vapor de agua, la atmósfera era muy permeable a la radiación solar y se producirían grandes diferencias de temperatura entre el día y la noche y descargas eléctricas, estas condiciones fueron simuladas en el laboratorio por Miller en su experimento, con estas condiciones se supone que se formarían moléculas orgánicas a partir de la atmósfera. Desde la formación de estas moléculas hasta la aparición de células hay una secuencia evolutiva consistente principalmente en la formación de una molécula capaz de autoduplicarse (supuestamente ARN) y de dirigir la síntesis de otras moléculas (proteínas), para ello necesitaría un código genético. El siguiente paso sería que esta molécula se aislase en el interior de una membrana que produjera diferencias entre el interior y el exterior y permitiera el intercambio de sustancias y después un mecanismo de reproducción y reparto de las moléculas sintetizadas dentro de la membrana. Células procariotas y eucariotas Para que un agregado de moléculas sea considerado célula, en primer lugar tienen que existir diferencias entre este agregado y el resto, eso se consigue con una membrana que aísle a este conjunto de moléculas; también tiene que tener capacidad de crecer para ello tiene que haber un aparato enzimático capaz de sintetizar moléculas (Ribosomas) y mecanismos de incorporación de más moléculas en la membrana; por último tiene que tener una manera de dividirse capaz de trasmitir la información para que una vez dividida en dos, estas puedan seguir desarrollándose de igual manera. Todos estos requerimientos los tienen las actuales células procariotas (membrana semipermeable, Material genético y ribosomas) aparte de esto las actuales células procariotas (Bacterias, cianobacterias o algas verdeazules y micoplasmas) han evolucionado principalmente en dos sentidos: producen una cápsula esquelética de naturaleza glucoproteica que las protege de choques osmóticos y producen invaginaciones de la membrana que se llaman mesosomas en las bacterias y tilacoides en las cianobacterias que aumentan la superficie de la membrana para un determinado volumen y que guardan relación con mecanismos de obtención de energía producidos con el concurso de proteínas apoyadas en la membrana. Otra línea evolutiva fue la seguida por las células eucariotas, la presencia de un código genético universal hace suponer que las actuales células eucariotas evolucionaron a partir del mismo tronco común de las procariotas, pero que evolucionaron hasta la actualidad en dos tendencias principales: 1ª Los orgánulos membranosos y la membrana nuclear proceden de la tendencia al desarrollo de esas invaginaciones de la membrana que también se producen en las procariotas, el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, los lisosomas, las vacuolas son los orgánulos producidos por esas invaginaciones, cada uno realiza una función determinada, parte de estas membranas se agrupan formando la membrana nuclear cuyo único fin es resguardar al material genético y permite que a lo largo de la evolución haya ido aumentando en cantidad, sin perdidas por errores en los mecanismos de división. 2ª La teoría endosimbiótica propone la simbiosis de una de estas células con un aparato membranoso muy desarrollado y por tanto de mayor tamaño, con una o varias células procariotas que se incluían dentro de ella, en vesículas de endocitosis y que se especializaron en la obtención de energía; esta relación endosimbiótica daría origen a las actuales mitocondrias y cloroplastos, esta teoría está apoyada por varias observaciones: estos orgánulos tienen ADN circular y ribosomas en su interior como las actuales procariotas; se multiplican por división de las ya existentes en la célula y nunca se forman de nuevo; tienen doble membrana, la interior está replegada para aumentar su superficie, donde se obtiene energía; En algunas ocasiones los cloroplastos pueden seguir siendo funcionales incluidos en otras células diferentes a las de origen, lo que confirma que son orgánulos bastante autónomos (Se ha descubierto cloroplastos fotosintéticos en células de nudibranquios, unos caracoles, que se incorporan a sus células procedentes de las algas de las que se alimentan y siguen realizando la fotosíntesis dentro de ellas aunque sean células animales. Membrana plasmática. Composición y estructura 2 La membrana plasmática es el límite de la célula, es semipermeable y selectiva, permite el intercambio entre la célula y el medio extracelular de forma selectiva y es así como origina las diferencias entre el citoplasma y el medio extracelular (si fuese completamente impermeable no dejaría nutrirse a la célula y por lo tanto no habría desarrollo ni crecimiento, no habría ser vivo; si fuese completamente permeable no habría diferencias entre el interior y el exterior no podríamos definir si el ser vivo es lo de dentro o lo de fuera), también es la zona que recibe los estímulos procedentes del exterior; se puede decir que la membrana tiene a su cargo las funciones de nutrición y de relación de la célula. Está compuesta aproximadamente por un 50% en peso de proteínas y un 50% de lípidos, pero como las proteínas son más densas la mayor parte de la superficie de la membrana está formada por lípidos. Los lípidos de membrana son los fosfolípidos, los glucolípidos y el colesterol, todos estos lípidos comparten una característica fisicoquímica, son todos anfipáticos, poseen una zona polar y otra apolar. Estructura de la membrana: Históricamente ha habido varios modelos de membrana, hoy día se acepta como demostrado el modelo propuesto en 1972 por Singer y Nicholson, modelo de mosaico fluido. La membrana está formada por una doble capa de fosfolípidos colocados con sus colas apolares enfrentadas, al microscopio electrónico se ven tres bandas, una clara entre dos densas, que miden aproximadamente 100 Å de grosor; entre estos fosfolípidos se intercala el colesterol y las proteínas formando un mosaico. Las proteínas difunden libremente por la membrana de ahí el nombre de mosaico fluido. Hay que destacar que la membrana presenta una clara polaridad entre las dos capas de fosfolípidos, determinadas proteínas, sólo se encuentran en el interior, otras en el exterior, los glucolípidos solo en el exterior; esta polaridad es consecuencia de la función de cada molécula. Cubiertas y paredes celulares Mas que como diferenciaciones de la membrana han de ser consideradas como estructuras de secreción celular que se colocan inmediatamente por fuera de la membrana para cumplir su función. Glicocaliz o glucaliz o glicocalix. Se llama glucocaliz a la capa de glucidos anclados a la membrana, recordemos, todos los glucolípidos están en la capa externa de la membrana, se supone que los glucidos salen exportados del interior de la célula y luego 3 se unen a los fosfolípidos, de forma que en este caso no se sabe muy bien si hay que considerarlos como parte de la membrana o un producto de secreción, el caso es que la capa glucídica que cubre la membrana parece que interviene en el reconocimiento de célula a célula y permite que se mantengan unidas, este hecho aunque parece bastante probable aún no ha podido ser demostrado completamente. Pared celular: Es una cubierta de secreción propia de los vegetales. La pared celular está compuesta por fibras de celulosa formadas por una agrupación cristalina de varia moléculas colocadas paralelamente, estas fibrillas se unen unas con otras con pectinas (proteína) y hemicelulosa (polisacárido). Se pueden distinguir dos tipos de paredes: Pared primaria con poca cantidad de celulosa y bastante cemento (pectina y hemicelulosa) y las fibras de celulosa sin orientar. Esta organización permite el crecimiento celular. Pared secundaria que crece posteriormente, en las células que se diferencian como tejidos mecánicos, entre la pared primaria y la membrana se estructura colocándose capas de fibras de celulosa orientadas todas en la misma dirección, se colocan tres capas con las fibras orientadas en direcciones diferentes, esta ordenación da mucha rigidez a la pared y es muy difícil de modificar una vez formada, con lo que detiene el crecimiento celular. Esta pared puede impregnarse de lignina para aumentar su rigidez o de suberina y ceras para inpermeabilizar tejidos protectores, en ambos caso la pared se vuelve impermeable e impide la nutrición de la célula que muere quedando como tejido esquelético y protector del individuo. Tanto la pared primaria como la secundaria son permeables y solo constituyen un filtro mecánico, no son semipermeables por lo que es un error decir que los vegetales tienen dos membranas, su función es servir de esqueleto a los vegetales que no tienen capacidad de movimiento y se ven continuamente expuestos a cambios de disolución extracelular que plantea problemas osmóticos, las paredes impiden que las células estallen cuando se encuentran frente a disoluciones hipotónicas. (en el examen no quiero ver escrito que las células vegetales tienen dos membranas, es un error que soléis cometer con frecuencia) Ribosomas Son estructuras supramoleculares formadas por ARN y proteínas, no están rodeados de membrana, por lo tanto están bañados en la disolución salina del citosol, por eso no se les puede llamar orgánulos en sentido estricto. Su función es formar proteínas y se encuentran tanto en eucariotas como en procariotas, aunque en los dos tipos de células los tamaños son diferentes, también hay ribosomas en mitocondrias y cloroplastos hecho que apoya la teoría endosimbiótica. 4 Son estructuras esferoidales de unos 230 Å de diámetro, compuestas por dos subunidades, los ribosomas normalmente se encuentran disociados en sus dos subunidades cuando no están formando proteínas. Los ribosomas de cloroplastos y mitocondrias son de tamaño variable según las especies pero se parecen a los de procariotas. Es normal encontrarse múltiples ribosomas traduciendo la misma cadena de ARNm formando un polisoma. Los ribosomas pueden estar sueltos en el citoplasma formando proteínas que cumplirán su función dentro de la célula o adosadas a la membrana del retículo endoplásmico formando proteínas exportables fuera de la célula, el ribosoma se une a la membrana dirigido por la propia proteína que produce, que en sus primeros aminoácidos tiene radicales hidrofóbicos capaces de unirse a la membrana y que una vez se han unido se desprenden de la proteína. Retículo endoplásmico El retículo endoplásmico es un entramado de membranas semejantes a la membrana plasmática, parece estar conectado con esta y con la membrana nuclear. Existen dos zonas conectadas dentro del retículo una lisa y otra rugosa. El retículo endoplásmico liso está formado por canales cilíndricos membranosos y su función es formar fosfolípidos y colesterol, también interviene en los procesos de desintoxicación celular. El retículo endoplásmico rugoso está formado por cisternas aplanadas en lugar de tubos y adosados a su membrana tiene ribosomas que le dan el aspecto rugoso, su función es producir proteínas de membrana y proteínas exportables, para ello como ya hemos visto los ribosomas se unen en el citosol (hialoplasma) al ARNm y empiezan a producir las proteínas, solo las proteínas que tengan una secuencia señal se unirán al retículo y se verterán en él. El retículo endoplásmico conduce sus productos hasta una zona donde se forman los dictiosomas del aparato de Golgi. Aparato de Golgi 5 El aparato de golgi se forma por expansiones membranosas del retículo endoplásmico, estas expansiones se aislan del retículo y se funden unas con otras para formar una cisterna del aparato de Golgi. El conjunto de varias cisternas del mismo origen se conoce con el nombre de dictiosoma. Estas cisternas evolucionan y van siendo empujadas por las recién creadas. En ellas se van produciendo glicosilaciones de proteínas y de lípidos, en definitiva se van procesando los productos del retículo, al final del desarrollo estas cisternas se dividen en vesículas donde se concentran los productos de secreción (Vesículas exocíticas) o las enzimas digestivas (lisosomas). Se llama complejo GERL a la zona de transición entre el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi, se compone de una serie de vesículas que se forman en el retículo y que al fundirse van formando las grandes cisternas del aparato de Golgi. Lisosomas Son vesículas esféricas que contienen enzimas hidrolíticas, podrían digerir el contenido celular si estuvieran libres en el citoplasma. Estas enzimas son hidrolasas ácidas que actúan a pH próximo a 5, se supone que en la membrana de los lisosomas tiene que haber una bomba de protones que meta protones dentro del lisosoma para acidificar su contenido, este hecho supone un seguro adicional para la célula ya que si las enzimas fuesen liberadas al citoplasma se desnaturalizarían. Se llaman lisosomas primarios a los lisosomas recién producidos que presentan un aspecto amorfo al microscopio. Los lisosomas secundarios son los que se han unido a una vesícula endocítica y se ve su contenido en proceso de digestión. Los lisosomas también se pueden unir a vesículas formadas por el retículo endoplásmico liso encerrando parte del contenido celular, en este caso se llaman vesículas de autofagia o vacuolas de autofagia (cuidado al utilizar el término vacuola) Vacuola Aunque en los apuntes he mencionado el término vacuola para las vesículas de autofagia, debido a su gran tamaño; esta palabra debería ser utilizada exclusivamente para designar un espacio membranoso exclusivo de las células vegetales. La vacuola es como acabo de decir un espacio de gran tamaño rodeado por una membrana llamada tonoplasto, se forma por la progresiva fusión de vesículas pequeñas a lo largo de la vida de las células vegetales. En las células maduras puede llegar a ocupar el 90% del volumen celular desplazando al núcleo a una zona lateral de la célula. Su función es ser un riñón de acumulación donde se almacenan sustancias de desecho. También se acumulan sustancias de reserva e intervienen en la regulación del volumen celular variando su presión osmótica para adaptarse a la presión osmótica del medio, estos cambios de presión osmótica los realiza polimerizando o despolimerizando almidón principalmente, cuando la célula es demasiado hipertónica con respecto al 6 medio, se hincha por entrada de agua, entonces la vacuola reduce la presión osmótica celular polimerizando almidón, cuando el medio es hipertónico y la célula tiene que impedir la salida de agua despolimeriza almidón para aumentar la concentración de glucosa soluble y así aumentar la presión osmótica celular. Hay vegetales que almacenan sales inocuas (Na + por ejemplo) en la vacuola para mantener elevada su presión osmótica, son vegetales adaptados al agua salada y a suelos salinos. En las vacuolas es donde los vegetales almacenan las sustancias tóxicas que utilizan para defenderse contra la depredación animal. PANORAMA DEL METABOLISMO CELULAR. Concepto de anabolismo y catabolismo y de metabolismo plástico y energético. El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se producen en un ser vivo, están plenamente conectadas unas con otras y se pueden clasificar en dos tipos. Catabolismo: son las reacciones de degradación de materia orgánica altamente organizada, exergónicas, que rinden energía que generalmente se acumula en forma de ATP y que será utilizada por los seres vivos cuando lo necesiten, estas reacciones convierten materia orgánica compleja en materia orgánica más sencilla o en materia inorgánica. Anabolismo: son las reacciones endergónicas que consumen energía para formar moléculas orgánicas complejas con gran cantidad de energía interna (Entalpía) en sus enlaces a partir de moléculas más sencillas, inorgánicas u orgánicas. Estos dos conceptos aunque válidos son limitados, sólo sirven para hacernos una idea del metabolismo general en los organismos heterótrofos. los conceptos de metabolismo energético y metabolismo plástico son más universales. Metabolismo energético: son aquellas reacciones exergónicas encaminadas a acumular energía. en este concepto se engloban tanto el catabolismo como la absorción de energía por transporte de electrones que no necesariamente degrada moléculas complejas sino que consiste en oxidar moléculas captando sus electrones. Estos electrones proceden de la degradación de moléculas complejas en el caso de la respiración celular o bien de moléculas inorgánicas como el agua en la fotosíntesis normal o de otros compuestos inorgánicos en el caso de la quimiosíntesis. Metabolismo plástico: son las reacciones endergónicas formadoras de moléculas complejas, es sinónimo de anabolismo. Autotrofismo y heterotrofismo. Estos conceptos no hacen referencia a la nutrición celular como se acostumbra a pensar, ya que todas las células absorben sus nutrientes de manera semejante a través de la membrana. Hacen referencia al metabolismo. Los seres vivos Autótrofos son aquellos que construyen sus moléculas orgánicas específicas a partir de precursores de 7 baja energía, inorgánicos, como el CO2, NH3 y H2O. Dentro de estos; la mayoría son fotoautótrofos, consiguen su energía absorbiendo luz, que utilizan para extraer electrones de una molécula inorgánica reducida XH2 que normalmente es el H2O, pero que no tiene por qué serlo, algunas bacterias extraen los electrones del SH2 (Sulfobacterias) por ejemplo. Otros son quimioautótrofos, no utilizan la energía de la luz para obtener electrones sino que los extraen de la oxidación directa de moléculas inorgánicas como el hidrógeno molecular, amoníaco, nitrito, etc. Por último los heterótrofos son los seres vivos que obtienen su energía de la degradación de moléculas orgánicas formadas por otros seres vivos. MITOCONDRIAS Las mitocondrias son orgánulos celulares con doble membrana, de forma cilíndrica de 0,5 ? m de diámetro y 1? m de longitud. La membrana externa es lisa y poco selectiva y la membrana interna es rugosa y muy selectiva; el espacio intermembranoso es por tanto una disolución acuosa semejante al citosol, la membrana interna se repliega formando crestas mitocondriales, esta membrana es muy impermeable a los iones y en ella están apoyadas las enzimas de la cadena de transporte de electrones que producen la respiración celular que consiste esencialmente en oxidar sustancias orgánicas para producir ATP. El espacio que queda dentro de la membrana interna se llama matriz. En la matriz se encuentra una molécula de ADN mitocondrial circular, semejante al de las células procariotas y ribosomas de menor tamaño que los del citosol y semejantes también a los de las células procariotas, en los cloroplastos ocurre lo mismo, estos datos apoyan la teoría endosimbiótica explicada en la introducción. CLOROPLASTOS: FOTOSíNTESIS Los cloroplastos son los orgánulos exclusivos de los vegetales donde se realiza la fotosíntesis; son estructuralmente semejantes a las mitocondrias; la teoría endosimbiótica propone el mismo origen para ambos orgánulos. Los cloroplastos tienen dos membranas, una externa permeable y otra interna impermeable a los iones, esta membrana interna no está interdigitada formando crestas como la de las mitocondrias. En el interior de la membrana interna hay una disolución coloidal llamada estroma que posee sus propios ribosomas, semejantes en tamaño a los de las mitocondrias, y su propia cadena de ADN circular. En el estroma esta suspendida una red de membranas formando vesículas apiladas, llamadas tilacoides, que están interconectadas limitando el espacio tilacoidal 8 Parece probable que los tilacoides sean homólogos de las crestas mitocondriales pero que se han desgajado de la membrana interna, la ATPasa de los cloroplastos sobresale de la membrana de los tilacoides hacia el estroma igual que lo hace en la mitocondria hacia la matriz. En los cloroplastos se realizan dos tipos de procesos bioquímicos diferenciables. Asociado a la membrana tilacoidal se realiza la fotólisis del agua; utilizando la energía de la luz se extraen los electrones del agua y se acumulan como potencial reductor en moléculas de NADPH2, es la fotosíntesis en sentido estricto, corresponde a las reacciones del metabolismo energético de los vegetales. En el estroma se realizan las reacciones de asimilación de CO2 atmosférico y su posterior reducción con los electrones obtenidos en la fotosíntesis, para formar materia orgánica, corresponde al anabolismo de los vegetales, clásicamente se ha estudiado la formación de glucosa a partir del CO2 fijado, mediante una ruta metabólica llamada ciclo de Calvin, a este ciclo se le ha llamado fase oscura de la fotosíntesis por no ser estas reacciones dependientes de la luz. Sin embargo debéis entender que con el CO2 fijado se construyen todas las moléculas que forman los vegetales, no solo los glúcidos. Por tanto a nivel teórico, actualmente fotosíntesis es la fijación de la energía de la luz y su transformación en potencial reductor (energía química de enlace) lo que clásicamente se ha llamado fase lumínica; lo que tradicionalmente se llama fase oscura no es fotosíntesis, es anabolismo. CITOESQUELETO El citoesqueleto está formado por dos componentes principales; los microtúbulos y los microfilamentos y en menor medida por filamentos intermedios. Los microfilamentos son filamentos de 50 a 70 Å de grosor formados por actina, Los microtúbulos son estructuras huecas cuyas paredes están formadas por tubulina Los microtúbulos forman por una parte un esqueleto general de la célula al colocarse en posición radial alrededor de una zona llamada áster que en las células animales contiene los centriolos y en las vegetales solo es una zona de densidad diferente con respecto al citosól. También pueden encontrarse formando estructuras estables como son cilios y centriolos. Realizan las funciones relacionas con el movimiento, tirando y empujando de los cromosomas o empujando la membrana para producir el movimiento ameboide, Centriolos: Los centriolos son estructuras estables formadas por nueve tripletas de microtúbulos, dispuestas a su vez formando un cilindro, las nueve tripletas de microtúbulos están unidas por fibras radiales en uno de los extremos del cilindro, entre una tripleta y otra hay moléculas de nexina que las mantiene unidas. Hay dos centriolos por célula, colocados perpendicularmente, controlan a los microtúbulos. Cilios y flagelos: La estructura de cilios y flagelos es semejante, la única diferencia es la longitud y el numero, las células ciliadas presentan gran cantidad de cilios, las flageladas hasta 10 flagelos aproximadamente. NÚCLEO El núcleo es la zona de la célula donde se contiene el material genético. Está formado por una membrana nuclear doble que contiene en su interior una disolución acuosa llamada nucleoplasma, de composición semejante al hialoplasma, donde se encuentra suspendida una llamada cromatina, de aspecto fibrilar, que está formada por la asociación del ADN con proteínas. Membrana nuclear Ya hemos visto, al hablar del origen de las células eucariotas, la posible evolución de la membrana nuclear a partir de cisternas del retículo endoplásmico al que se encuentra unida. La membrana nuclear es una membrana doble formada por dos bicapas lipídicas, en la externa puede haber ribosomas transcribiendo como lo hacen en el retículo endoplásmico, las membranas están conectadas entre si en los poros, por lo que puede decirse que es físicamente continua. Los poros son zonas donde se unen las dos membranas, están formados por ocho grupos de proteínas que forman los vértices de un octógono, el diámetro es de unos 800 Å pero está parcialmente obstruido por un gránulo central de manera que solo atraviesan partículas de un diámetro de 90 Å, este poro permite la salida de ARNm y subunidades de ribosomas, pero no permite la entrada de ribosomas enteros, por lo que impide que la síntesis de proteínas se realice en el núcleo. Al núcleo entran por los poros todas las proteínas que este necesita (histonas, fosfoproteínas, polimerasas, etc) que son sintetizadas en el hialoplasma. Cromatina La cromatina es una sustancia fibrilar formada por ADN e histonas, la unidad estructural de la cromatina es el nucleosoma, un nucleosoma está compuesto por dos tetrámeros de histonas, en cada tetrámero hay una histona H2a otra H2b una H3 y otra 10 H4, las ocho histonas forman un núcleo alrededor del cual se enrolla el ADN sin llegar a dar dos vueltas completas, alrededor de las histonas hay 140 pares de bases y entre un nucleosoma y otro 60 pares de bases, asociada a estos últimos se encuentra la histona H1 entre dos nucleosomas. Las histonas son proteínas que han cambiado muy poco a lo largo de la evolución, debido a la importancia de su función (como ejemplo, la H4 del guisante y de la vaca se diferencian solamente en una aminoácido) Los nucleosomas a su vez, pueden estar más o menos empaquetados, pudiéndose diferenciar varios tipos de cromatina. 11