Biología Celular y Molecular Medicina Veterinaria MSc. Gerson Renato Gabriel Ochaeta Constanza [email protected] 1 Integra conocimientos de biología celular Introducción a la biología celular Definición de biología celular Características de los seres vivos Introducción a la biología celular y molecular ¿Qué significa estar vivo? Las personas, las petunias y las algas de un estanque están vivos; las piedras, la arena y las brisas de verano, no. ¿Pero cuáles son las propiedades fundamentales que caracterizan a los seres vivos y los distinguen de la materia inerte? La respuesta comienza con un hecho básico que, en la actualidad, los biólogos dan por supuesto, pero que marcó una revolución en el pensamiento cuando fue establecido por primera vez hace 170 años. Todos las organismos vivos están formados por células ¿Qué es una célula? ¿Qué es una célula? Son unidades pequeñas rodeadas de una membrana que contienen una solución acuosa concentrada de sustancias químicas y dotadas de la extraordinaria capacidad para crear copias de sí mismas mediante el crecimiento y la división en dos células (fisión). Las células aisladas son las formas de vida más simples. Los organismos superiores, como el hombre, son comunidades de células que derivan del crecimiento y la división de una célula fundadora única: cada animal, vegetal u hongo es una colonia extensa de células individuales que cumplen funciones especializadas, coordinadas por sistemas complejos de comunicación Las células, por lo tanto, son las unidades fundamentales de la vida, y la biología celular es el medio al que debemos recurrir para encontrar la respuesta a la pregunta de qué es la vida y cómo funciona. Con una comprensión más profunda de la estructura, la función, el comportamiento y la evolución de las células, podemos comenzar a tratar los grandes problemas históricos de la vida en la Tierra: sus orígenes misteriosos, su diversidad asombrosa y la invasión de cada hábitat concebible. Además, la biología celular puede proporcionarnos respuestas a los interrogantes sobre nosotros mismos: • ¿De dónde venimos? • ¿Cómo nos desarrollamos a partir de un solo oocito fecundado? • ¿Cómo es que cada uno de nosotros es diferente de otras personas de la Tierra? • ¿Por qué enfermamos, envejecemos y morimos? ¿Qué es una célula? ¿Qué es Biología? ¿Qué es biología? “Ciencia de la vida” La Biología es una ciencia cuyo objetivo fundamental es la comprensión de todos aquellos procesos celulares, que contribuyen a que la información genética se transmita eficientemente de unos seres a otros, y se exprese en los nuevos individuos. ¿Y la biología celular y molecular? La Biología Molecular es la disciplina científica que tiene como objetivo el estudio de los procesos que se desarrollan en los seres vivos desde un punto de vista molecular. El estudio de la estructura, función y composición de las moléculas biológicamente importantes. Esta área esta relacionada con otros campos de la Biología y la Química, particularmente Genética y Bioquímica. La biología molecular concierne principalmente al entendimiento de las interacciones de los diferentes sistemas de la célula, lo que incluye muchísimas relaciones, entre ellas las del ADN con el ARN, la síntesis de proteínas, el metabolismo, y el cómo todas esas interacciones son reguladas para conseguir un afinado funcionamiento de la célula. Al estudiar el comportamiento biológico de las moléculas que componen las células vivas, la Biología molecular roza otras ciencias que abordan temas similares: así, p. ej., juntamente con la Genética se interesa por la estructura y funcionamiento de los genes y por la regulación (inducción y represión) de la síntesis intracelular de enzimas (v.) y de otras proteínas. Con la Citología, se ocupa de la estructura de los corpúsculos subcelulares (núcleo, nucléolo, mitocondrias, ribosomas, lisosomas, etc.) y sus funciones dentro de la célula. Con la Bioquímica estudia la composición y cinética de las enzimas, interesándose por los tipos de catálisis enzimática, activaciones, inhibiciones competitivas o alostéricas, etc. También colabora con la Filogenética al estudiar la composición detallada de determinadas moléculas en las distintas especies de seres vivos, aportando valiosos datos para el conocimiento de la evolución. La biología celular es una disciplina académica que se encarga del estudio de las células en cuanto a lo que respecta a las propiedades, estructura, funciones, orgánulos que contienen, su interacción con el ambiente y su ciclo vital. ¿Qué instrumento ha permitido el avance de la biología celular y molecular? ¿Qué es el microscopio? El microscopio (del griego μικρός micrós, ‘pequeño’, y σκοπέω scopéo, ‘mirar’) es una herramienta que permite observar objetos que son demasiado pequeños para ser observados a simple vista. Con la invención del microscopio óptico fue posible observar estructuras nunca antes vistas por el hombre, las células. Esas estructuras se estudiaron más detalladamente con el empleo de técnicas de citoquímica y con la ayuda fundamental del microscopio electrónico. La biología celular se centra en la comprensión del funcionamiento de los sistemas celulares, de cómo estas células se regulan y la comprensión del funcionamiento de sus estructuras. Una disciplina afín es la biología molecular. Características de los seres vivos Historia de la Biología La historia de la biología remonta el estudio de los seres vivos desde la Antigüedad hasta la época actual. Aunque el concepto de biología como ciencia en si misma nace en el siglo XIX, las ciencias biológicas surgieron de tradiciones médicas e historia natural que se remontan a el Āyurveda, la medicina en el Antiguo Egipto y los trabajos de Aristóteles y Galeno en el antiguo mundo grecorromano. La microscopíareveló el mundo, antes desconocido, de los microorganismos, sentando las bases de la teoría celular. La importancia creciente de la teología natural, en parte una respuesta al alza de la filosofía mecánica, y la pérdida de fuerza del argumento teleológico impulsó el crecimiento de la historia natural. ¿Qué es un ser vivo? 8 características 1. Tienen una estructura compleja y están formados mayoritariamente por moléculas orgánicas (proteínas, lípidos, carbohidratos y ADN/ARN) e inorgánicas (agua, sales, minerales, gases). Ésta estructura compleja está altamente organizada y según la teoría celular, se define a la célula como la mínima unidad de la vida. 2. Presentan distintos niveles de organización y complejidad. A aquellos organismos que consisten en una sola célula se los llama unicelulares (por ej. los protistas) y son microscópicos. En las formas de vida multicelulares, las células de un tipo similar se coordinan para formar los tejidos (por ej. tejido nervioso). Varios tipos de tejidos se combinan a su vez para dar órganos (por ej. el cerebro formado por tejido nervioso, conjuntivo y sangre). Varios órganos, que en conjunto desempeñan una misma función, forman un sistema de órganos (por ej. sistema nervioso formado por los órganos cerebro, médula espinal, órganos de los sentidos y los nervios). 3. Mantienen las condiciones internas relativamente constantes, proceso denominado homeostasis (del griego “permanecer sin cambio”). Gran parte de la energía de un ser vivo se destina en la homeostasis y las condiciones que se deben regular son la temperatura corporal, el pH, contenido de agua, y concentración de electrolitos 4. Responden a estímulos. Los organismos vivos perciben y responded a estímulos de sus ambientes externos e internos. Los animales han desarrollado órganos sensoriales que les permiten detectar y responder a la luz, sonidos, sustancias químicas y otros. 5. Metabolizan. Obtienen, utilizan y convierten materiales y energía de su ambiente para metabolizarlo. Los organismos adquieren átomos y moléculas (nutrientes) del aire, agua, suelo o de otros seres vivos. La suma de todas las reacciones químicas de la célula que permiten su crecimiento, conservación y reparación, recibe el nombre de metabolismo. 6. Crecen. En todos los casos el crecimiento implica la conversión de materiales obtenidos del ambiente para forma las moléculas específicas del organismo. Esta característica es evidente en el caso de las plantas, aves, mamíferos; los cuales nacen pequeños y experimentan un gran crecimiento a lo largo de su ciclo de vida. Sin embargo las bacterias unicelulares también crecen hasta casi el doble de su tamaño original antes de dividirse. 7. Se reproducen. La continuidad de la vida se debe a que los organismos dan origen a descendientes del mismo tipo. Aunque los procesos reproductivos son diversos el resultado es el mismo: la perpetuación del material genético de los progenitores (padres). 8. Evolucionan. Aunque la estructura genética de un solo organismo prácticamente no cambia durante toda su vida, la composición genética de una especie como un todo cambia conforme pasan las generaciones. Ecología La ecología es la rama de la biología que estudia las relaciones de los diferentes seres vivos entre sí y con su entorno: «la biología de los ecosistemas» (Margalef, 1998, p. 2). Estudia cómo estas interacciones entre los organismos y su ambiente afectan a propiedades como la distribución o la abundancia. En el ambiente se incluyen las propiedades físicas y químicas que pueden ser descritas como la suma de factores abióticos locales, como el clima y la geología, y los demás organismos que comparten ese hábitat (factores bióticos) Niveles de organización celular La biología se ocupa de analizar jerarquías o niveles de organización que van desde la célula a los ecosistemas. Este concepto implica que en el universo existen diversos niveles de complejidad. Por lo tanto es posible estudiar biología a muchos niveles, desde un conjunto de organismos (comunidades) hasta la manera en que funciona una célula o la función de las moléculas de la misma. En orden decreciente mencionaremos los principales niveles de organización: Biosfera: La suma de todos los seres vivos tomados en conjunto con su medio ambiente. En esencia, el lugar donde ocurre la vida, desde las alturas de nuestra atmósfera hasta el fondo de los océanos o hasta los primeros metros de la superficie del suelo (o digamos mejor kilómetros sí consideramos a las bacterias que se pueden encontrar hasta una profundidad de cerca de 4 Km. de la superficie). Dividimos a la Tierra en atmósfera (aire), litosfera (tierra firme), hidrosfera (agua), y biosfera (vida). Ecosistema: La relación entre un grupo de organismos entre sí y su medio ambiente. Los científicos a menudo hablan de la interrelación entre los organismos vivos. Dado, que de acuerdo a la teoría de Darwin los organismos se adaptan a su medio ambiente, también deben adaptarse a los otros organismos de ese ambiente. Comunidad: Es la relación entre grupos de diferentes especies. Por ejemplo, las comunidades del desierto pueden consistir en conejos, coyotes, víboras, ratones, aves y plantas como los cactus. La estructura de una comunidad puede ser alterada por cosas tales como el fuego, la actividad humana y la sobrepoblación. Especie: Grupo de individuos similares que tienden a aparearse entre sí dando origen a una cría fértil. Muchas veces encontramos especies descriptas, no por su reproducción (especies biológicas) sino por su forma (especies anatómicas). Poblaciones: Grupos de individuos similares que tienden a aparearse entre sí en un área geográfica limitada. Esto puede ser tan sencillo como un campo con flores separado de otro campo por una colina sin flores. Individuo: Una o más células caracterizadas por un único tipo de información codificada en su ADN. Puede ser unicelular o multicelular. Los individuos multicelulares muestran tipos celulares especializados y división de funciones en tejidos, órganos y sistemas. Sistema: (en organismos multicelulares). Grupo de células, tejidos y órganos que están organizados para realizar una determinada función, p.ej. el sistema circulatorio. Órganos: (en organismos multicelulares). Grupo de células o tejidos que realizan una determinada función. Por ejemplo el corazón, es un órgano que bombea la sangre en el sistema circulatorio. • Tejido: (en organismos multicelulares). Un grupo de células que realizan una determinada función. Por ejemplo el tejido muscular cardíaco. • Célula: la más pequeña unidad estructural de los seres vivos capaz de funcionar independientemente. Cada célula tiene un soporte químico para la herencia (ADN), un sistema químico para adquirir energía etc. • Organela: una subunidad de la célula. Una organela se encuentra relacionada con una determinada función celular p.ej. la mitocondria (el sitio principal de generación de ATP en eucariotas). • Moléculas, átomos, y partículas subatómicas: los niveles funcionales fundamentales de la bioquímica. Método Cientifico ¿Conocimiento? La adquisición del conocimiento requiere una serie de etapas y pasos a lo largo del tiempo; para ello, es necesaria la base teórica que mejora el proceso de comprensión del conocimiento. A través de la epistemología se explica dicho proceso, la cual deriva de dos vocablos griegos: episteme conocimiento y logía estudio. En la mayoría de los textos la palabra epistemología es aquella ciencia, o parte de la ciencia encargada de la teoría del conocimiento; Aristóteles la reconocía como la ciencia que pretende conocer las cosas en su esencia y en sus causas. Por lo tanto, la Epistemología es la ciencia que estudia qué y cómo es el conocimiento científico, la epistemología fundamenta los conocimientos considerados verdaderos de las que sólo son creencias, para obtener como producto el conocimiento científico. ¿Qué es conocer? • No existe una definición precisa del conocimiento, a pesar de que es una actividad de la vida diaria. • Conocer es agrupar las cosas que se saben de los objetos, sus cualidades, características, formas, entre otras. • La Real Academia de la Lengua Española define conocer como el proceso de averiguar por el ejercicio de las facultades intelectuales la naturaleza, cualidades y relaciones de las cosas, conocer es un proceso a través de cual, un individuo se hace consciente de su realidad y en éste se presenta un conjunto de representaciones sobre las cuales no existe duda de su veracidad. Con la información acerca de un “algo” o “alguien”, se tiene la capacidad de describir sus características, con seguridad se asevera que se conoce, ya que se posee ese “conocimiento”. Cuando un asunto es de interés, la actitud natural es indagar, reunir datos, ampliar o investigar los conocimientos y/o fenómenos. A la actitud “natural” de indagar o ir tras la huella, se le conoce como investigar, sin embargo no toda investigación es considerada como Investigación científica; porque para referirnos a investigación científica debería de cumplir con ser “un procedimiento reflexivo, sistemático, controlado y crítico que tiene por finalidad descubrir o interpretar los hechos y fenómenos, relaciones y leyes de un determinado ámbito de la realidad. La diferencia entre cualquier investigación y la Investigación científica, radica precisamente en que ésta última posee un Método, que se define como: el camino a seguir para llegar a cierto fin, la serie de pasos, reglas, procedimientos, fijados de antemano para llegar a esa meta. Sin embargo el método no tiene valor aisladamente, solo tiene valor cuando sirve como mecanismo de interrelación entre el sujeto (investigador) y el objeto (lo investigado). ¿Qué método utilizamos? El método más utilizado para obtener conocimientos ciertos o probables, es el Método Científico definido como un conjunto de pasos para generar conocimientos válidos, por medio de instrumentos confiables que permitan la replicabilidad de los resultados, es decir la capacidad de repetir los experimentos en cualquier lugar y por cualquier persona. Pasos del método científico Observación: Consiste en la recopilación de hechos acerca de un problema o fenómeno natural que despierta nuestra curiosidad. Las observaciones deben ser lo más claras y numerosas posible, porque han de servir como base de partida para la solución. Hipótesis: Es la explicación que nos damos ante el hecho observado. Su utilidad consiste en que nos proporciona una interpretación de los hechos de que disponemos, interpretación que debe ser puesta a prueba por observaciones y experimentos posteriores. Las hipótesis no deben ser tomadas nunca como verdaderas, debido a que un mismo hecho observado puede explicarse mediante numerosas hipótesis. El objeto de una buena hipótesis consiste solamente en darnos una explicación para estimularnos a hacer más experimentos y observaciones. Pasos del método científico Experimentación: Consiste en la verificación o comprobación de la hipótesis. La experimentación determina la validez de las posibles explicaciones que nos hemos dado y decide el que una hipótesis se acepte o se deseche. Teoría: Es una hipótesis en cual se han relacionado una gran cantidad de hechos acerca del mismo fenómeno que nos intriga. Algunos autores consideran que la teoría no es otra cosa más que una hipótesis en la cual se consideran mayor número de hechos y en la cual la explicación que nos hemos forjado tiene mayor probabilidad de ser comprobada positivamente. Ley: Consiste en un conjunto de hechos derivados de observaciones y experimentos debidamente reunidos, clasificados e interpretados que se consideran demostrados. En otras palabras la ley no es otra cosa que una hipótesis que ha sido demostrada mediante el experimento. La ley nos permite predecir el desarrollo y evolución de cualquier fenómeno natural.
