T E M A 6

INTRODUCCIÓN A LA CÉLULA

INTRODUCCIÓN HISTÓRICA

• Siglo XVII • Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) fabricó un sencillo microscopio

con el que pudo observar algunas células como protozoos y glóbulos rojos, aumentadas hasta 300 veces.

• Fue el primero en popularizar la utilización del microscopio.

Dibujos de bacterias y protozoos observados por Leeuwenhoek

INTRODUCCIÓN HISTÓRICA

• Siglo XVII • Robert Hooke (1635-1702) observando al microscopio

comprobó que en los seres vivos aparecen unas estructuras elementales a las que llamó células.

• Fue el primero en utilizar este término.

Dibujo de R. Hooke de una lámina de corcho al microscopio

INTRODUCCIÓN HISTÓRICA

• En el siglo XVIII • El microscopio se perfecciona

cada vez más y más.

Microscopio del siglo XVIII

INTRODUCCIÓN HISTÓRICA

• En el siglo XIX • 1831 Robert Brown descubre

el núcleo en células vegetales. TEORÍA CELULAR • 1838 Scheleiden : “Las plantas

están formadas por células” • 1839 Schwan: “Los animales

están formados por células” • 1855 Virchow: “Omnis cellula

ex cellula”

CRONOLOGÍA DE LA TEORÍA CELULAR

POSTULADOS DE LA TEORÍA CELULAR

1- La célula es la unidad estructural de los seres vivos. Todos los organismos se encuentran formados por una o más células.

2- La célula es la unidad fisiológica de los seres vivos. Es la

mínima unidad de la materia que puede llevar a cabo todas las funciones de un ser vivo.

3- Toda célula procede de otra célula preexistente.

4- La célula es la unidad genética de los seres vivos. El

material hereditario conteniendo las características genéticas de una célula pasa de la célula madre a la hija.

CRONOLOGÍA SOBRE LA CELULA

MÉTODOS DE ESTUDIO DE LA CÉLULA

• El desarrollo de la biología ha estado ligado al desarrollo de la microscopía.

http://learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/scale/

EL MICROSCÓPIO

• Para estudiar los especímenes biológicos, que pueden ser muy pequeños, usamos un instrumento óptico que amplía la imagen, llamado microscopio.

• Existen muchos tipos de microscopios: óptico, electrónico, de contraste de fases, de luz ultravioleta, de fluorescencia.

• Los de uso más común son el microscopio óptico y el microscopio electrónico.

MICROSCOPIO ÓPTICO

• Es el tipo más utilizado. Se sirve de la luz visible para crear una imagen aumentada del objeto.

• El microscopio óptico más simple es la lente convexa doble con una distancia focal corta. Estas lentes pueden aumentar un objeto hasta 15 veces.

• Por lo general se utilizan microscopios compuestos, que disponen de varias lentes con las que se consiguen aumentos mayores. Algunos microscopios ópticos pueden aumentar un objeto por encima de las 2.000 veces.

HISTORIA DEL MICROSCOPIO

Los primeros microscopios ópticos son simples (de una sola lente). a) El fabricado por Leeuwenhoek en el siglo XVII. b) Pequeño microscopio óptico del siglo XIX que fue utilizado por Robert Brown. Mide 7,6 cm y entre los accesorios hay una lente de 800 aumentos.

b

a

MICROSCOPIO COMPUESTO

• El microscopio compuesto consiste en dos sistemas de lentes, el objetivo y el ocular, montados en extremos opuestos de un tubo cerrado.

• El objetivo está compuesto por varias lentes que crean una imagen real aumentada del objeto examinado.

• Cuando se mira a través del ocular se ve una imagen virtual aumentada de la imagen real.

• Los aumentos totales del microscopio se pueden determinar multiplicando los aumentos del objetivo por los del ocular.

MICROSCOPIO ÓPTICO

MUESTRAS PARA MICROSCOPÍA ÓPTICA

• Se pueden observar células vivas y/o muertas. • Las células vivas únicamente admiten determinados colorantes (colorantes

vitales). • Para facilitar la observación de sus estructuras las células y tejidos se

manipulan (lo que produce su muerte) : • Fijación mediante reactivos. • Inclusión en un medio que permita obtener finas secciones. El medio más usado es la

parafina. • Cortes en láminas finas (para que atraviese la luz) realizados con microtomos. • Tinciones mediante colorantes (para aumentar contraste.

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

• 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.

• La longitud de onda más corta de la luz visible es de alrededor de 4.000 ángstroms (1 ángstrom es 10-10 m).

• La longitud de onda de los electrones que se utilizan en los microscopios electrónicos es de alrededor de 0,5 ángstroms.

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

• Utiliza rayos de electrones que al chocar con la muestra crean una imagen aumentada.

• El haz de e- se dirige y enfoca por medio de lentes electromagnéticos (imanes).

• Para evitar que los e- pueden ser desviados por las moléculas del aire, se hace el vacío en el interior del microscopio.

COMPARACIÓN MICROSCOPIO ÓPTICO Y ELECTRÓNICO

Microscopio óptico

• Fuente iluminación: luz • Lentes de cristal • Resolución*: 0,1 µm • Hasta 2.000x • Muestras vivas o muertas • Muestra se observa

directamente.

Microscopio electrónico

• Fuente: rayo de electrones • Lentes electromagnéticos • Resolución: 1nm a 0,001μm • Hasta 1.000000x • Muestra muerta y

deshidratada • Se observa mediante

pantalla *Resolución: capacidad de distinguir dos objetos que están muy cerca.

PODER DE RESOLUCIÓN

Es la distancia mínima a la que deben de estar dos puntos para que se vean separados.

Ojo humano – 0.2 mm

Microscopio óptico – 0.2 µm

Microscopio electrónico – 0.2 nm

MICROSCOPÍA ÓPTICA Y ELECTRÓNICA

Escala que indica los tamaños relativos de los organismos pluricelulares, las células y las moléculas. 1 m = 103 mm = 106 µm = 109 nm

TIPOS DE MICROSCOPIOS ELECTRÓNICOS

• Los más comunes son: • Transmisión: usado para observar detalles internos. • Barrido: usado para estudiar la superficie de la muestra.

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

Microscopio electrónico de transmisión

• El TEM dirige el haz de electrones hacia la muestra y forma una imagen aumentada del espécimen al atravesarla.

• Para utilizar un TEM debe cortarse la muestra en capas ultrafinas, no mayores de un par de miles de ángstroms.

• La imagen aumentada se registra en una placa fotográfica o una pantalla fluorescente.

• Pueden aumentar un objeto hasta un millón de veces.

Microscopio electrónico de barrido

• No es necesario cortar el objeto en capas para observarlo con un SEM.

• El SEM explora la superficie de la imagen punto por punto, a medida que un haz de electrones muy concentrado barre la muestra, se presenta la imagen en el monitor.

• Produce imágenes tridimensionales realistas de la superficie del objeto.

• Pueden ampliar los objetos 200.000 veces o más.

MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE TRANSMISIÓN

Bacilos en división

Mitocondria (60.000x)

MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO

• En el microscopio electrónico de barrido la muestra generalmente es recubierta con una capa de carbono o una capa delgada de un metal como el oro para darle propiedades conductoras a la muestra.

• Posteriormente, se barre la muestra con un haz de electrones.

• Se pueden observar figuras en tres dimensiones, proyectados en una pantalla.

• Su resolución está entre 4 y 20 nm, dependiendo del microscopio.

Hormiga (SEM) Polen en hojas de helecho (SEM)

Bacterias (SEM)

Microscopio electrónico de barrido

MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO

Bacterias en la punta de un alfiler

a) Esquema de un microscopio óptico, de un microscopio electrónico de transmisión y de un microscopio electrónico de barrido.

b) Imágenes de células vistas con cada uno de los microscopios anteriores.

• Corte de un testículo (SEM) • Espermatogenesis

Dinoflagelado

Oruga Diatomea con fitoplankton

MICROSCOPIO CONFOCAL LASER

• La fuente de iluminación es luz láser. • Esta luz láser es potente y “monocromática” (o sea, de una única longitud

de onda) excita en la muestra lo que se llama fluorescencia. • Ciertas biomoléculas al ser iluminadas con luz de un cierto color emiten

luz brillante (“fluorescencia”) de otro cierto color. • El contraste es siempre impresionante pues sólo la muestra fluorescerá y

el fondo permanecerá completamente oscuro. • Pero lo más extraordinario es que el enfoque del láser es muy preciso

(“confocal”) y cualquier parte de la muestra que esté fuera de foco será invisible. El enfoque será perfecto y la resolución extraordinaria.

• Si se retratan de forma sucesiva los distintos planos que integran la muestra, el microscopio puede hacer una reconstrucción completa del espécimen que lo muestre en sus tres dimensiones.

• Esta reconstrucción tridimensional podrá incluso ser rotada para estudiar la muestra desde un ángulo distinto a aquel desde el cual se retrató.

MICROSCOPIO CONFOCAL LASER

ESTUDIO BIOQUÍMICO DE LAS CÉLULAS

• Fraccionamiento celular: método para aislar y separar los orgánulos celulares. • Se realiza un homogeneizado

mediante tratamientos químicos o físicos.

• Se separan los diferentes componentes mediante una ultracentrífuga.

• La fuerza centrífuga separa los componentes celulares en función de su densidad, su forma y su tamaño.

ESTUDIO BIOQUÍMICO DE LAS CÉLULAS

• Autorradiografía • Se exponen las células vivas a un

compuesto radiactivo que pueden absorber o fijar.

• El compuesto sobrante se elimina y las células “marcadas” se recubren con una emulsión fotográfica que es impresionada por la emisión radiactiva de los compuestos que la célula incorporó.

CULTIVOS CELULARES

• La mayoría de las células, tanto animales como vegetales, sobreviven, se dividen e incluso se diferencian en un medio de cultivo en condiciones adecuadas.

• El cultivo de muchas células de vertebrados está limitado por un determinado número de divisiones celulares.

• Las células que pueden dividirse indefinidamente y formar líneas celulares inmortales son las células cancerosas y las células madre.

• La importancia del cultivo de las células madre se debe a que son células indiferenciadas que con un tratamiento adecuado pueden dar lugar a cualquier tejido corporal.

MÉTODOS DE ESTUDIOS DE LA CÉLULA

DIVERSIDAD DE CÉLULAS

• Las células son muy diversas en forma y tamaño.

TIPOS DE CÉLULAS

CÉLULA PROCARIOTA

•El material genético ADN está libre en el citoplasma.

•Sólo posee unos orgánulos llamados ribosomas.

•Es el tipo de célula que presentan las bacterias

CÉLULA EUCARIOTA

•El material genético ADN está encerrado en una membrana y forma el núcleo.

•Poseen un gran número de orgánulos.

•Es el tipo de célula que presentan el resto de seres vivos.

LA CÉLULA EUCARIOTA

MEMBRANA PLASMÁTICA: una membrana que la separa del medio externo, pero que permite el intercambio de materia.

CITOPLASMA: una solución acuosa en el que se llevan a cabo las reacciones metabólicas.

NUCLEO: contiene el ADN o material genético, formado por ácidos nucleicos.

ORGÁNULOS SUBCELULARES: estructuras subcelulares que desempeñan diferentes funciones dentro de la célula.

TIPOS DE CÉLULAS EUCARIOTAS

Célula eucariota animal Célula eucariota vegetal

Recuerda: que la célula vegetal se caracteriza por:

• Tener una pared celular además de membrana

•Presenta cloroplastos, responsables de la fotosíntesis

•Carece de centriolos.

DIFERENCIAS CÉLULA ANIMAL/VEGETAL

LAS PRIMERAS CÉLULAS

• Se trataba de células sin núcleo, con una organización celular simple, que aparecieron en la Tierra hace unos 3500 m.a.

• Los primeros procariotas debieron ser heterótrofos que obtenían energía de la fermentación de la materia orgánica.

Origen de la Tierra

Primeras células (procarióticas heterótrofas anaerobias)

Aparición progresiva de las bacterias heterótrofas aerobias.

Células procariotas fotosintéticas (no liberan O2). Parecidas a las actuales bacterias verdes y purpúreas del Azufre, que utilizan H2S.

Células procariotas fotosintéticas (liberan O2) como las Cianobacterias fósiles.

Atmósfera con una concentración de O2 similar a la actual. Se forma el Ozono que filtra las radiaciones UV y posibilita la vida.

Aparecen las primeras células eucarióticas.

Aparecen los primeros organismos pluricelulares.

PRIMERAS CÉLULAS EUCARIOTAS

• La aparición de la célula eucariota fue hace 1500 millones de años.

Los procariotas primitivos, aíslan en el núcleo su información

genética por invaginación de las

membranas

ENDOSIMBIOSIS

• Según la teoría de Lynn Margulis (ampliamente aceptada en la actualidad) la célula eucariota surgió por procesos de fagocitosis y posterior endosimbiosis entre células procariotas.

A través de un proceso de endosimbiosis,

aparecen mitocondrias, cloroplastos y flagelos

ENDOSIMBIOSIS

PRUEBAS A FAVOR DE LA ENDOSIMBIOSIS

1. El tamaño de mitocondrias es similar al de algunas bacterias. 2. Las mitocondria y los cloroplastos contienen ADN bicatenario circular

cerrado, igual que los procariotas. 3. Están rodeados por una doble membrana, lo que concuerda con la idea

de la fagocitosis 4. Las mitocondrias y cloroplastos se dividen por fisión binaria al igual que

los procariotas (los eucariotas lo hacen por mitosis). 5. En mitocondrias y cloroplastos los procesos de obtención de energía se

sitúan en las membranas, igual que ocurre en las bacterias. 6. Por otro lado, los tilacoides que encontramos en cloroplastos son similares

a unos sistemas elaborados de endomembranas presentes en cianobacterias.

PRUEBAS A FAVOR DE LA ENDOSIMBIOSIS

7. En general, la síntesis proteica en mitocondrias y cloroplastos es autónoma. 8. La mayoría de los genes en los genomas de los orgánulos se han perdido o se

han movido al núcleo. Es por ello que transcurridos tantos años, hospedador y huésped no podrían vivir por separado.

9. En mitocondrias y cloroplastos encontramos ribosomas 70s, característicos de procariotas, los ribosomas eucariotas son 80s.

10. El análisis del RNAr 16s de la subunidad pequeña del ribosoma de mitocondrias y plastos revela escasas diferencias evolutivas con algunos procariotas.

11. Una posible endosimbiosis secundaria (es decir, implicando plastos eucariotas) ha sido observado por Okamoto e Inouye (2005). El protista heterótrofo Hatena se comporta como un depredador e ingiere algas verdes, que pierden sus flagelos y citoesqueleto, mientras que el protista, ahora un anfitrión, adquiere nutrición fotosintética, fototaxia y pierde su aparato de alimentación.