Tema 06 - Introducción a la célula

Tema 6

Introducción a la célula

1.- Introducción

2.- Teoría celular

3.- Métodos de estudio de la célula● Estudios morfológicos● Estudios bioquímicos● Cultivos celulares

4.- Tipos de organización celular

5.- Origen y evolución celular

6.- Los virus

Tema 6.- Introducción a la célula

Tema 6.- Introducción a la célula1.- Introducción

Desde las primeras teorías fijistas y de generación espontánea en las que se creía que las especies eran inmutables y se podían generar de forma espontánea hasta el conocimiento actual en el que sabemos que todos los seres vivos estamos compuestos por células y que cada una de éstas proviene de otra célula existente, han pasado varios siglos de investigación que han supuesto algunos de los mayores avances en biología.

Estos descubrimientos han supuesto el establecimiento de la teoría celular, el conocimiento de los diferentes tipos celulares existentes y la evolución que han sufrido hasta nuestros días, pudiendo clasificar y estudiar todos los seres vivos que conocemos.

Antes de abordar el estudio de la célula hay que conocer los pasos que permitieron su descubrimiento así como las técnicas que han hecho posible ver su estructura y conocer funcionamiento.

2.- Teoría celular

Para poder explicar la teoría celular hay que conocer antes todos los acontecimientos que se sucedieron para poder postularla. Las células tienen un tamaño muy variable pero no es posible verlas con el ojo humano, para ver sus formas, conocer sus componentes, su composición química y sus funciones son necesarios instrumentos como los microscopios o las tinciones que nos permitirán estudiarlas. Los avances en este campo irán asociados a la creación y puesta a punto de estos instrumentos de trabajo.


Robert Hooke (1635-1702) fue el primero en observar distintos materiales a través de un microscopio muy rudimentario. En 1665 publicó Micrographia, una recopilación de sus observaciones, aquí se incluye la visión de una laminilla de corcho en la que observa una serie de estructuras parecidas a las “celdas” de un panal de abeja a las que llamó células. Se considera a Hooke como el descubridor de la célula por este hecho.


Su microscopio estaba formado por una lente, la muestra se fijaba sobre una aguja y su fuente de luz era una lámpara de aceite junto a una esfera de cristal con agua que actuaba como un condensador. En la base del microscopio tenía un tornillo fijado a la base para moverlo arriba o abajo y así enfocar la muestra.


Esquemas realizados por Hooke

Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) era comerciante y fue el inventor del microscopio, diseñaba lentes de aumento para ver el entramado de las telas con las que comerciaba, sus lentes biconvexas conseguían aumentar los objetos hasta 300 veces, una revolución para la época. Observó protozoos, bacterias, glóbulos rojos, el sistema de capilares e incluso el ciclo vital de los insectos, aportando otro dato en contra de la generación espontánea al ver que provenían de huevos.


Figuras realizadas por Leeuwenhoek de distintos microorganismos

El microscopio que diseñó estaba formado por dos lentes muy pequeñas insertadas en platinas de latón. La muestra se ponía en un alfiler y se observaba acercándolo al ojo.


Espermatozoides observados por Leeuwenhoek

Durante los siglos XVIII y XIX se siguieron perfeccionando los microscopios, sus lentes y sus métodos de visualización, por lo que los estudios de microorganismos o de tejidos animales y vegetales fueron incrementándose. Todo este conocimiento desembocó en la teoría celular, no surgió toda por un autor, se fue postulando por diversos autores que trabajaban en distintos campos.


Microscopios del siglo XVIII Microscopio del siglo XIX

La teoría celular se fue postulando paulatinamente por los siguientes autores:

– Matthias J. Schleiden y Theodor Schwann: El primero la postuló en 1838 cuando trabajaba con tejidos vegetales y el segundo en 1839 por sus estudios en tejidos animales, ambos llegan a la conclusión de que la célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos puesto que todos ellos están formados por células y en ellas se dan todos los procesos necesarios para producir y mantener la vida (son unidades individuales).

– Rudolph Virchov: Fisiólogo y patólogo muy importante del s. XIX, se dio cuenta que las enfermedades ocurrían en cada célula y no en tejidos de forma general, por esto acuñó la frase “Omnis cellula e cellula”, es decir, toda célula procede de otra célula.

– August Weismann: Biólogo alemán, afirmó que hay una continuidad entre las células primitivas y las células actuales corroborando lo que dijo Virchov.

– Santiago Ramón y Cajal: Todo esto parecía funcionar en todos los tejidos excepto en el nervioso que se veía como una red continua, los estudios de este médico consiguieron demostrar que el tejido nervioso está formado por neuronas, las cuales están unidas de forma muy estrecha debido a su gran especialización. De esta forma la teoría celular se cumplía siempre y pasaba a ser un dogma de la biología.

– La genética definiría el último punto de la teoría celular.



Matthias J. Schleiden Theodor Schwann

Rudolph Virchov August Weismann

Santiago Ramón y Cajal

La teoría celular se enuncia hoy en día con estos cuatro principios:

– La célula es la unidad estructural de todos los seres vivos, todos ellos están formados por una (unicelulares) o varias (pluricelulares) células.

– La célula es la unidad funcional de todos los seres vivos, son la mínima unidad de materia donde se producen todas las funciones metabólicas que permiten la vida.

– Todas las células provienen de células preexistentes.– La célula es la unidad genética de los seres vivos, es decir, contiene toda la

maquinaria necesaria (el material genético) para producir una célula nueva.

Los dos primeros dogmas corresponden a Schwann y Schleiden a los cuales se les considera como los fundadores de la teoría celular, el tercero por Virchov y el último gracias a múltiples aportes genéticos.

La célula es la unidad estructural, funcional y genética de los seres vivos.


3.- Métodos de estudio de la célula.

Hay tres métodos por los cuales podemos estudiar la célula:

3.1.- Estudios morfológicos: Estudios encargados de estudiar la forma de las células, para ello tenemos que tener instrumentos que nos permitan ampliarlas. A parte de desarrollar métodos de aumento también tendremos que preparar las muestras a observar para que no pierdan sus características.

Microscopio óptico

Microscopio electrónico

3.2.- Estudios bioquímicos: Con estos métodos estudiaremos la composición química de las células y sus componentes.

Fraccionamiento celular

Marcadores radiactivos. Autorradiografía

3.3.- Cultivos celulares: El crecimiento de células o tejidos en condiciones controladas nos permite estudiar su comportamiento en condiciones específicas.


Microscopio óptico: Son los microscopios basados en lentes ópticas, también se le conoce como microscopio fotónico puesto que el método de visualización de la muestra se hace con la luz (es decir, los fotones de la luz). La resolución que pueden tener estos microscopios está restringida a la longitud de onda utilizada y al tratado que tienen las lentes, la resolución máxima es de 0,2μm (el del ojo humano es de 0,2mm).



El poder de resolución se define como la distancia mínima a la que se pueden ver dos puntos separados.

- Tipos de microscopios ópticos: Modificando partes de estos microscopios como los objetivos o la fuente de iluminación se pueden conseguir efectos diferentes que nos permiten diferenciar mejor las partes de la muestra o centrarnos en una concreta:

– Microscopio de contraste de fases: Cambiando el objetivo podemos diferenciar estructuras con diferente densidad.

– Microscopio de contraste de fases diferencial: Utilizan unos objetivos especiales que le dan a la muestra un aspecto tridimensional.

– Microscopio de campo oscuro: Se consigue añadiendo un objeto opaco entre la fuente de iluminación y la muestra, de esta forma sólo llegan a verse las partes con diferente densidad (si no hay muestra se ve oscuro).

– Microscopio de fluorescencia: Permite detectar moléculas específicas mediante colorantes fluorescentes que se aplican a la muestra.


Para observar estas muestras es necesario que la luz sea capaz de atravesarla por lo que la preparación ha de ser muy delgada. El correcto tratamiento que se realice antes de la visualización será determinante para un análisis adecuado, de esta forma podremos ver:

- Células vivas: Se pueden ver en un medio líquido que las mantenga sin alteraciones o mediante colorantes que no las dañen como el azul de metileno o el rojo neutro.

- Células muertas:Se realizan preparaciones permanentes siguiendo cuatro pasos:

– Fijación: La muestra es tratada con sustancias químicas que la conservarán y la mantendrán morfológicamente, también se interrumpirán los procesos de autolisis inactivando sus enzimas celulares.

– Inclusión: El agua que contiene el tejido se sustituye por otra sustancia que endurecerá la muestra para el paso siguiente, la más usada es la parafina.

– Corte: El equipo utilizado se llama microtomo, posee cuchillas de acero que realizan cortes con un grosor de 5-8μm, permitiendo el paso de la luz.

– Tinción: Se utilizan colorantes ácidos o básicos para teñir diferentes orgánulos o partes de la célula.



Distintos tipos celulares vistos con el microscopio óptico y distintas tinciones.A: Epitelio estratificado a diferentes aumentosB: Epidermis de cebollaC: EspermatozoidesD: ÓvuloE: Granos de polenF: Esporas de moho

A

B

C

D

E F

Microscopio electrónico: En lugar de utilizar los fotones de la luz para observar las muestras se basa en un haz de electrones, por lo que podremos ver todo lo que comprenda su longitud de onda que será menor que la de un fotón. Su poder de resolución es de 0,2nm.

Estos microscopios son muy complejos y costosos, para que este haz de electrones no se desvíe en el interior tendrá que crearse el vacío, unas lentes magnéticas detectarán los electrones que atraviesan la muestra y a partir de aquí se forma una imagen en un ordenador. Al no utilizar la luz solo podremos ver en blanco y negro, todos los colores que puedan tener se deberán al tratamiento informático. Hay dos tipos de microscopios:

– M.E. de transmisión: Es parecido al M.O. porque se compone de las mismas partes pero cada una de ellas será diferente. Las partes transparentes de la muestra se verán brillantes y las opacas oscuras.

– M.E. de barrido: Aquí la muestra se recubre con una fina capa de oro de esta forma los electrones no pueden atravesar la muestra pero se detecta el momento del impacto para obtener un perfil tridimensional.




Fraccionamiento celular: Consiste en la rotura de los tejidos y las células para aislar y separar los distintos componentes celulares y estudiarlos por separado, hay dos etapas:

– Homogeneizado: Primero se pone la muestra en una solución que mantenga sus estructuras, después se rompen los tejidos y las células para liberar los componentes que se quieren separar. Para homogeneizar se utilizan distintas técnicas como la sonicación o los detergentes.

– Centrifugación: Se hace girar a gran velocidad a la muestra para que los elementos más densos se acumulen en el fondo, después del proceso quedan dos partes diferenciadas, una fracción homogénea que no sedimenta (sobrenadante) y el sedimento llamado pellet. Este proceso se realiza con una centrífuga.



Marcadores radiactivos. Autorradiografía: Los núcleos de los isótopos radiactivos emiten radiaciones que se pueden detectar, si añadimos estos isótopos las células los captan y podremos conocer tanto su localización como la composición de la estructura que forman. Se usan el 14C, 3H, 32P y el 35S.

Una autorradiografía es la foto que detecta estas radiaciones, localizando todas las estructuras que tengan estos isótopos. Muchos descubrimientos se han logrado gracias a la información que han aportado estas fotografías.


Cultivos celulares: Cultivo en condiciones controladas de células procariotas o eucariotas aunque este término se usa para el crecimiento de células que formaban parte de un tejido animal o vegetal.

Actualmente muchas líneas de investigación utilizan este método como en el caso de la investigación del cáncer, en virología (para producir vacunas), en la producción de tejidos para transplantes o en inmunología.


4.- Tipos de organización celular

Las biomoléculas inorgánicas y orgánicas se unen de una forma específica para originar las células, lo serán cuando sean capaces de realizar las funciones de nutrición, relación y reproducción. Hay dos tipos celulares, las procariotas y las eucariotas pero ambas poseen tres estructuras comunes:

– Membrana plasmática: Delimita el interior celular del exterior pero permitiendo el intercambio en ambas direcciones para poder realizar sus funciones vitales.

– Citoplasma: Líquido interno donde están inmersas todas las estructuras subcelulaes y donde se realizan muchas reacciones del metabolismo.

– Material genético: Contiene toda la información de la célula.

Célula procariota: Su material genético está disperso por el citoplasma, tampoco presentan un sistema de endomembranas, por lo que no tienen orgánulos membranosos.

Célula eucariota: Su material genético está en el interior de una membrana que lo separa físicamente del citoplasma. Han desarrollado un sistema de endomembranas que forma diversos orgánulos membranosos especializados en funciones muy concretas.



Características Procariotas Eucariotas

Organismos Bacterias, cianobacterias y micoplasmas

Protistas, hongos, plantas y animales

Tamaño celular De 1 a 10μm De 10 a 100μm

Formas Unicelulares Pluricelulares la mayor parte

Pared celular Si (excepto micoplasmas) Solo en hongos y vegetales

Sistema de endomembranas No Si

Orgánulos Ribosomas Orgánulos membranosos

Citoesqueleto No Si

Ribosomas 70S 80S

Membrana nuclear No Si

ADN Circular y sin proteínas Lineal y con proteínas

Nucleolos No Si

División celular Por bipartición Mitosis

Locomoción Flagelo bacteriano Cilios y flagelos

Metabolismo Aeróbico y anaeróbico Aeróbico

Enzimas respiratorios Mesosomas Mitocondrias

Endocitosis y exocitosis No Si

Corrientes citoplasmáticas No Si

Organismos:Tema 6.- Introducción a la célula

Bacterias tipo bacilo Bacterias tipo coco

Cianobacterias Micoplasmas


Ameba Células de hongo

Células vegetales Célula animal

Tamaño celular:Tema 6.- Introducción a la célula


Microscopio electrónico

Átomos

Moléculas

Orgánulos

Células

Ojo humano

Tejidos

Microscopio óptico

Formas: Las bacterias pueden adoptar formas muy variadas pero destacan tres tipos, el coco (forma esférica), el bacilo (forma de bastón) y las formas helicoidales (como las vibrio con forma curvada o las espirilo y espiroquetas que adoptan forma de tirabuzón).

Además de estas formas, podemos encontrarlas solas (organismos unicelulares) o formando colonias, pero nunca se especializan para tener funciones concretas las diferentes células de un mismo agregado.




5.- Origen y evolución celular

La evolución celular y la formación de las células eucariotas fue explicada por la bióloga Lynn Margulis con la teoría de la endosimbiosis, en esta teoría se explica que las células eucariotas con todo un sistema de endomembranas, con un núcleo rodeando su material genético y la presencia de orgánulos con ADN propio (mitocondria y cloroplasto) son el producto de una serie de endosimbiosis sucesivas entre diferentes bacterias que originaron los distintos tipos celulares que conocemos actualmente (protoctistas, hongos, plantas y animales).


6.- Los virus

Los virus son unas estructuras que no cumplen la teoría celular (unidad estructural, funcional y genética) y por lo tanto no se pueden clasificar como células ni como seres vivos. No tienen metabolismo propio por lo que están condicionados a ser parásitos intracelulares.

Son estructuras con ácido nucleico (ADN o ARN) envuelto en una cubierta proteica llamada cápsida, en algunos virus hay además una envuelta membranosa rodeando esta estructura. Su tamaño es muy reducido, de 10-300μm.


Cápsida icosaédrica Cápsida helicoidal


Con envoltura Cápsida compleja

Tema 06 - Introducción a la célula

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