Células. 1ª Parte: Teoría celular. Tema 13 de Biología NS Diploma BI Curso

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1 Células 1ª Parte: Teoría celular Tema 13 de Biología NS Diploma BI Curso

2 Teoría Celular Hasta el siglo XV se creía que los seres vivos estaban formados por una sustancia que a su vez estaba formada por cuatro jugos. El término célula fue acuñado por el científico inglés Robert Hooke en 1665 (siglo XVII), al observar al microscopio las celdillas cosntituyentes del corcho. En 1674, el comerciante de telas holandés, A. van Leewenhoek, describió que la sangre estaba formada por diminutos glóbulos rojos que fluían a lo largo de delgados capilares. Vídeo1

3 Teoría Celular En 1838 el botánico Schleiden y el zoólogo Schwann enunciaron el postulado básico de la teoría celular, según la cual todos los seres vivos están formados por células, a las que consideraron las unidades vitales fundamentales. Posteriormente, Virchow, entre otros, establecieron que todas las células proceden de otras preexistentes. La teoría celular se basa en los siguientes principios: 1. Todos organismos vivos están compuestos por células (unidad estructural). Los organismos pluricelulares tienen células especializadas en llevar a cabo diferentes funciones. 2. La célula es la unidad viva más pequeña (unidad fisiológica). Los componentes celulares no pueden sobrevivir por sí solos. 3. Las células se forman a partir de otras células preexistentes. Cada célula procede de la división de otra preexistente. 4. Cada célula contiene y transmite a la siguiente generación toda la información hereditaria (unidad genética). Esta información es necesaria para el control de su propio ciclo y el del desarrollo y funcionamiento de un organismo.

4 Evidencias de la teoría celular En resumen, la teoría celular postula que la célula es la unidad funcional, estructural y genética de los seres vivos. Cuáles son las pruebas que sustentan esta teoría celular? 1. Todos organismos vivos están compuestos por células. La observación al microscopio de las celdillas constituyentes del corcho por Robert Hooke, y las observaciones de esperma, animáculos y de células sanguíneas por A. van Leewenhoek.

5 Evidencias de la teoría celular 2. La célula es la unidad viva más pequeña. En 1838, Matthias Schleiden, un botánico alemán, afirmó que los vegetales son agregados de seres completamente individualizados, independientes y distintos, que son las células mismas. En 1839, el fisiólogo alemán Theodor Schwann publicó las investigaciones microscópicas sobre la concordancia de estructura y de desarrollo de los animales y las plantas.

6 Evidencias de la teoría celular 3. Las células se forman a partir de otras células preexistentes. A lo largo de los siglos XVIII y XIX la idea de la generación espontánea de la vida persistía, hasta que Louis Pasteur la invalidó en El científico judío Robert Remak descubrió la división celular al microsocopio al estudiar embriones de pollo. En 1856, después de muchos años de dudas, las ideas de Remak fueron popularizadas por su colega alemán Rudolf Virchow: Omnis cellula e cellula

7 Evidencias de la teoría celular 4. Cada célula contiene y transmite a la siguiente generación toda la información hereditaria (unidad genética). La teoría cromosómica de la herencia fue desarrollada independientemente en 1902 por Sutton y Boveri, y enuncia que los alelos mendelianos están localizados en los cromosomas. En 1915 Thomas Morgan consiguió que fuera universalmente aceptada después de sus estudios realizados endrosophilamelanogaster.

8 La teoría celular, el método científico y TdC La teoría celular es un gran ejemplo del método científico. La acumulación de pruebas hace posible que una hipótesis adquiera el rango de teoría, que una teoría debe ser desechada cuando haya constancia de que no ofrece una explicación completamente satisfactoria y cuáles son las pruebas necesarias para que una teoría sea adoptada o rechazada. Video2

9 Limitaciones y excepciones a la teoría celular Las amebas (protistas) son células únicas capaces de realizar todas las funciones vitales. Los organismos unicelulares se consideran acelulares, al no estar formado por células Los virus están vivos o no? Son celulares o acelulares? Las células musculares y las hifas de los hongos son muy alargas y multinucleadas. La existencia de virus que infectan a otros virus (virufagos), evidencia que están vivos? Revista Nature

10 Los organismos unicelulares realizan todas las funciones vitales Todos los organismos vivos llevan a cabo las funciones vitales, que los diferencian de la materia inerte: - Poseen metabolismo. - Respuesta frente a estímulos. - Homeostasis. - Crecimiento. - Reproducción. - Nutrición. Los organismos unicelulares llevan a cabo todas estas funciones, mientras que los pluricelulares poseen células especializadas en llevar a cabo unas funiones pero no otras. Los virus son organismos acelulares, porque no pueden llevar a cabo estas funciones independientemente.

11 Tamaño relativo de las células y sus componentes Los organismos unicelulares están formados por una única célula y por tanto, no son visibles directamente al ojo humano. Las moléculas que forman las células tienen un tamaño relativo en torno a 1 nm, el grosor de las membranas celulares es de 10 nm, el tamaño de los virus 100 nm, de las bacterias 1 µm, de los orgánulos celulares hasta 10 µm, y de la mayoría de las células hasta 100 µm. Vídeo3 No hay que olvidar la forma tridimensional de las células.

12 Tamaño relativo de las células y TdC Todas las entidades biológicas anteriores quedan fuera de nuestra capacidad de percepción directa. Para observarlas debemos utilizar dispositivos tecnológicos tales como el microscopio óptico o el electrónico. Cabe hacer alguna distinción entre las afirmaciones de conocimiento basadas en las observaciones realizadas directamente con los sentidos y las basadas en las observaciones asistidas por medios tecnológicos?

13 Magnificación de una imagen Para observar un objeto de tamaño inferior al milímetro, debemos ampliarlo utilizando un microscopio, de manera que la imagen observada no está a tamaño real, sino magnificada. Magnificación = Ocular Objetivo x400 = x10 x40 Para conocer el tamaño real de los objetos observados al microscopio, hay que tener en cuenta esta magnificación o ampliación. Web cellsalive.com

14 Magnificación de una imagen Para calcular el número de aumentos de un dibujo y el tamaño real de los especímenes representados en imágenes de las que se conozca el número de aumentos, hay que realizar los siguientes cálculos: magnificación longitud real de la escala Longitud representa escala Tamaño real longitud real imagen magnificación Tamaño real = Magnificación =

15 Cálculo de la magnificación Para calcular cuantas veces ha sido una imagen magnificada, hay que tener en cuenta que la barra de escala representa el tamaño real de la muestra en la imagen. Medida de la barra de escala Lo que medimos Barra de escala Tamaño real muestra magnificación:

16 Cálculo de la magnificación Utilizar las mismas unidades: Para calcular cuantas veces ha sido una imagen magnificada, hay que tener en cuenta que la barra de escala representa el tamaño real de la muestra en la imagen. Lo que medimos Lo que representa magnificación: veces

17 Cálculo del tamaño real de una imagen magnificada BI Sólo hay que medir la imagen y dividir dicho valor entre la magnificación. Utilizar las unidades más apropiadas. longitud real imagen magnificación

18 Cálculo del tamaño real de una imagen magnificada BI Sólo hay que medir la imagen y dividir dicho valor entre la magnificación. Utilizar las unidades más apropiadas. longitud real imagen magnificación

19 Proporción superficie/volumen celular Una de las funciones vitales de lo seres vivos es el crecimiento, y las células como tales crecen. Sin embargo, por qué las células u organimos unicelulares tienen un tamaño microscópico? Qué limita el tamaño de las células? Las células tienen forma tridimensional, teniendo por tanto un volumen interno y una superficie de contacto con el exterior. En la célula, el área superficial de la membrana debe ser lo suficientemente grande como para permitir la absorción de nutrientes y oxígeno, así como para excretar los productos de desechos. Por otro lado, la necesidad de materiales que tiene una célula está determinado/es proporcional a su volumen. La relación (ratio) área superficial (SA): Volumen (V) limita el tamaño efectivo de las células. A medida que el tamaño de un objeto, como una célula, aumenta, el área superficial (4лr 2 ) también aumenta, aunque a ritmo menor que lo hace el volumen (4/3лr 3 ).

20 Proporción superficie/volumen celular Aún cuando las células no tienen formas parecidas a la de un cubo, los cálculos matemáticos para determinar el volumen y el área superficial, son más simples en un cubo que en otras formas, por lo que consideramos las células como cubos. El área superficial (SA) se calcula multiplicando lado x lado. El volumen (V) es lado x lado x lado. Cuál es la proporción área superficial/volumen de cada una de estas células? Volumen SA SA:V Existe una relación inversa entre el tamaño de una célula y su ratio SA:V Web esminfo.prenhall.com

21 Proporción superficie/volumen celular Qué es mejor para una célula, poseer una alta o baja relación SA:V? La membrana plasmástica es responsable del intercambio de sustancias con el medio exterior. Las células de mayor tamaño (y menor SA:V) tienen relativamente menor área superficial disponible, que una célula de menor tamaño, para mantener el intercambio necesario a su volumen. Beneficios de una alta relación SA/V: 1) La célula pueda funcionar más eficientemente, ya que por cada unidad de volumen que requiere nutrientes o produce desechos, hay más superficie de membrana disponible. 2) Las rutas de difusión se acortan, ya que las moléculas no tienen que viajar tanto para entrar o salir de la célula, tardando menos tiempo y gastando menos energía.

22 Proporción superficie/volumen celular 3) Los gradientes de concentración son más fáciles de generar, lo que hace más eficiente el proceso de difusión (se necesita menos soluto para preparar una disolución al 10% en un matraz de 100 ml que en un cubo de 10 L). Por todo esto, los animales no poseen células más grande, sino más células (pluricelulares).

23 Proporción superficie/volumen celular Poseer una alta proporción SA:V no es siempre una ventaja. Pequeños mamíferos de sangre caliente pierden calor muy rápidamente debido a su alta relación SA:V. Necesitan comer casi constantemente. Las plantas desérticas perderían agua rápidamente con hojas planas, por lo que minimizan su relación SA:V con objeto de conservar agua. Algunas plantas cambian su metabolismo (plantas CAM) para ahorrar agua.

24 Cómo maximizan los organismos su relación SA:V? División celular: A medida que una célula crece, llega un momento en el que se divide. Dos células pequeñas son más eficientes que una célula grande. Además, esto también permite la diferenciación celular, la especialización de funciones y una vida pluricelular mucho más compleja. Compartimentalización celular: Las células utilizan membranas para llevar a cabo procesos metabólicos. En eucariotas, se denominan orgánulos. Los orgánulos, como la mitocondria, presentan repliegues en su membrana para maximizar el área superficial para las reacciones.

25 Cómo maximizan los organismos su relación SA:V? Plegamiento: Algunos órganos, como el intestino, se pliegan maximizando su SA:V y haciendo la absorción de los nutrientes más eficiente. Las raíces son largas, y ramificadas, con pelos radiclaes en las células que maximizan el área superficial para la toma de agua. Los alveólos son delgadas membranas que maximizan la supercie para el intercambio gaseoso.

26 Grandes células como excepción Existen bacterias gigantes con muchos genomas. E.coli tienen un tamaño de 2 micrómetros, pero las bacterias Epulopiscum sp. Tienen unos 300 micras de longitud. Las algas del género Caulerpa son en realidad una única célula con muchos núcleos.

27 Sistemas Biológicos y propiedades emergentes Los organismos pluricelulares presentan propiedades emergentes, es decir, propiedades surgidas de la interacción entre las distintas partes componentes: el todo es más que la suma de sus partes. La Ciencia ha sido tradicionalmente reduccionista, dividiendo los sistemas complejos en sus partes que los componen con objeto de determinar como funcionan. En muchos sistemas complejos se generan propiedades emergentes, que son el producto del conjunto de las relaciones entre las partes, y que, como decía Aristóteles, las propiedades del todo generado es mayor que la suma de las propiedades individuales de dichos elementos que conforman el sistema. Los propiedades emergentes son visibles en cualquier nivel de complejidad superior, de los átomos a las moléculas, a las células, a los organismos y a la biosfera.

28 Sistemas Biológicos, propiedades emergentes y TdC Observando al sistema en conjunto, podemos decir que un organismo es más que la suma de sus partes. Sólo cuando la combinación específica de moléculas y rutas bioquímicas tiene lugar, la habilidad para realizar la respiración celular emerge (esquema adjunto). TdC: La vida misma puede ser considerada como una propiedad emergente. Cómo el fallo de uno o más sistemas provoca la muerte de un organismo? En este sentido, existen problemas relacionados con las decisiones médicas que implican determinar la muerte.

29 Sistemas Biológicos y propiedades emergentes Cuando separamos un sistema complejo en las piezas que lo componen, cada una de ellas parace ser más simple. Combinadas pueden realizar una nueva función en conjunto. orgánulos Núcleo, mitocondria, ribosomas,... células Células musculares tejidos Músculo cardíaco órganos corazón sistemas Sistema circulatorio organismos mamífero

30 Sistemas Biológicos y propiedades emergentes Qué hacen los componentes de un reloj de manera indivuidual? Qué hacen cuando se colocan juntas de forma adecuada? Este es un ejemplo de propiedades emergentes: El conjunto es más que la suma de sus partes. Una analogía usada en Evolución es la del relojero ciego. Después de millones de años e infinitas mutaciones y combinaciones, es inevitable que estructuras más complejas puedan emerger. No hay ningún diseño inteligente en la evolución, tan sólo que las mutaciones beneficiosas en un ambiente particular permitirán al organismo sobrevivir y reproducirse.

31 Diferenciación celular Los organismos pluricelulares póseen células que llevan a cabo funciones diferentes, es decir, células especializadas que adquieren una determinada forma para llevar a cabo una determinada función. Un grupo de células especializadas constituyen un tejido. Ejemplos de células diferenciadas en animales son células intesinales, células hepáticas, musculares, neuronas, etc.

32 Diferenciación celular Todas las células de un organismos poseen los mismos genes en su núcleo. Las células se diferencian a partir de células madre durante el desarrollo embrionario. Lo que hace a un tipo celular diferente de otro, son los genes que se expresan o inactivan, lo cuál depende del ambiente en el que se encuentre, entrando en contacto con ciertas hormonas, sustancias químicas u otras células.

33 Células madre y diferenciación celular Normalmente las células diferenciadas de nuestro cuerpo pueden dividirse unas veces, momento en el cuál pierden dicha capacidad y su viabilidad, por lo que mueren (apoptosis). Las células madre o tronco son un tipo especial de células que tienen la capacidad de dividirse indefinidamente sin perder sus propiedades y llegar a producir células especializadas virtualmente de cualquier órgano y tejido del cuerpo. Web learn.genetics

34 - Células totipotentes (madre cigoto): pueden crecer y formar un organismo completo, es decir, pueden formar todo los tipos celulares. - Células pluripotentes (madre embrionaria): no pueden formar un organismo completo, pero sí cualquier tipo de tejido. - Células multipotentes (madre adulto): sólo pueden generar células de su mismo linaje de origen embrionario (por ejemplo: una célula madre de médula ósea dará origen a células de la sangre mientras que una de la piel dará origen a células especializadas de la piel. - Células unipotentes (adulto): pueden formar únicamente un tipo de célula particular. NO son células madre. Tipos de células madre Totipotente Unipotente Pluripotente Vídeo5(Partes 1-4) Web Learn.genetics Multipotente

35 Transplante de médula ósea (células madre) En el tratamiento de un linfoma, la médula ósea es destruida durante la quimio o la radioterapia. Antes de llevar a cabo este agresivo tratamiento, células madre de médula son recolectadas de la médula ósea y almacenadas. Una vez que el paciente se ha recuperado, sus células madre almacenadas son transplantadas para reemplazar a la médula ósea dañada y producir células sanguíneas saludables. Web medindia.net

36 Uso terapéutico de células madre Este es un campo de rápido desarrollo desde que en el año 2005 se emplearon células madre para restaurar tejidos protectores de neuronas en ratas de laboratorio, lo que produjo sensibles mejoras en su movilidad. Un ejemplo del uso terapéutico de células madre en seres humanos es la enfermedad de Parkinson, cuyos enfermos experimentan dificultad en el movimiento, equilibrio y el habla. Se debe a la muerte de neuronas especializadas en la producción de dopamina, neurotransmisor que participa en el control de los movimientos musculares. Otras enfermedades tratadas en la actualidad son la diabetes o la esclerosis múltiple.

37 Dimensión Internacional del uso de células madre La investigación con células tronco ha venido dependiendo del trabajo llevado a cabo por distintos equipos de científicos de muchos países que han compartido sus resultados, acelerándose de este modo el ritmo de sus progresos. Sin embargo, los aspectos éticos relativos a los procedimientos han llevado a establecer restricciones a la investigación en muchos países. Los gobiernos nacionales se ven influidos por tradiciones locales, culturales y religiosas muy diversas que afectan al trabajo de los científicos.

38 Uso terapéutico de células madre y TdC La investigación con células madre plantea problemas éticos. El uso de células madre embrionarias implica la muerte del embrión en un estadio temprano, pero si se desarrolla la clonación terapéutica con éxito se podría aliviar el sufrimiento de los pacientes que sufren distintas afecciones.

39 Uso de células madre ips Usando cuatro genes, se ha conseguido reprogramar células diferenciadas de un individuo adulto y volver a su estado de célula madre, restaurando su capacidad de división, convirtiéndose en células madre pluripotenciales inducidas (ips). Con la utilización de este tipo de células ips, puede reducirse la necesidad de células madre embrionarias. Animación1

40 Uso terapéutico de células madre

41 Uso terapéutico de células madre y TdC Son innegables las grandes oportunidades que ofrece la clonación terapéutica. Pero también lo son los importantes riesgos potenciales. Por ejemplo, las células madre en algunos casos no responden a señales de control de la replicación como las células propias del organismo y puede generar tumores (la célula se divide más de la cuenta) o podría llevar al fracaso del procedimiento al generarse la apoptosis (muerte celular).

42 Uso terapéutico de células madre y TdC Otra cuestión que se puede considerar es cómo la comunidad científica transmite la información sobre sus trabajos a la sociedad, de forma que puedan tomarse decisiones bien fundamentadas en relación con la investigación.