Biología Común TIPOS DE CÉLULAS EXISTENTES

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1 UNIDAD 1: LA CÉLULA SUB-UNIDAD 2: TIPOS DE CÉLULA Biología Común En esta sesión tú podrás: - Comprender el funcionamiento de una célula procarionte, y entender en base a ese funcionamiento su éxito de supervivencia. - Conocer la teoría endosimbiótica, planteamiento al origen de las células eucariontes a partir de células procariontes. - Reconocer estructuras y funciones comunes y distintivas los tipos eucariontes. - Comprender las funciones fisiológicas y metabólicas de los orgánulos. - Comprender que en los organismos pluricelulares existen distintos tipos de células, con diferentes distribuciones de sus orgánulos. TIPOS DE CÉLULAS EXISTENTES La célula es la unidad básica, funcional y estructural de la vida. Como sabemos existen muchos tipos de organismos formados por una gran cantidad de células que provienen de una misma célula; es decir, son capaces de replicarse y diferenciarse para llevar a cabo una función específica. A pesar de que las células presentan una gran variabilidad de tamaño, forma y función, todas comparten características comunes para realizar diversos procesos fisiológicos que permiten la mantención de la vida. No obstante, en todo el universo biológico existen solamente dos tipos de células: células procariontes y células eucariontes, las cuales poseen diferencias y semejanzas que revisaremos a continuación (Fig. 1). Célula Procarionte Célula Eucarionte A B Figura 1. Esquema que muestra los dos tipos de células existentes y sus componentes. (A) Célula Procarionte (B) Célula Eucarionte. Autor: Tamara Sáez G. / Edición: Katherine Brante C. Consultas: biologí[email protected] / 1

2 La Célula y su evolución La teoría del Ancestro común clasifica a las células por su origen filogenético en dos grandes dominios de células como se dijo anteriormente, Procarionte y Eucarionte, pero dentro de las primeras destacan dos grupos: el grupo Bacteria y el grupo Archaea, ambas son procariontes pero se diferencian filogenéticamente y las últimas realizan procesos bioquímicos diferentes a las bacterias, que más bien, se parecen a las eucariontes (Fig.2). Figura 2. Árbol foligenético de la vida por Carl Woese y colaboradores, el cual está basado en las secuencias genéticas del ARN ribosomal. Aquí se muestran tres dominios principales de células. Según esta teoría todas las células provienen de un ancestro común. Si bien esta teoría ha sido bastante controversial, aún se sigue estudiando el origen filogenético y cuál sería la mejor clasificación de estas células. Por lo tanto, dada esta clasificación evolutiva y/o filogenética, los seres vivos han sido clasificados como sigue: Chatton, Imperios Prokaryota Monera Eukaryota Protista Whittaker, Woese, et al, Reinos 6 Reinos Fungi Plantae Animalia Woese, et al,, Dominios Cavalier-Smith, Imperios 6 Reinos Eubacteria Bacteria Imperio-reino: reino: Bacteria Archaeabacteria Archaea Protista Eukarya Protozoa Imperio: Chromista Eukarya Fungi Plantae Animalia Fungi Plantae Animalia 2

3 Célula Procarionte y sus propiedades La célula procarionte (prokaryota, pro=antes; karyon=núcleo) consta de solamente un compartimento cerrado, el cual está delimitado por una membrana plasmática, no posee un núcleo celular y su organización interna es bastante sencilla. Dentro del imperio Bacteria, las más numerosas son las bacterias, pero también destacan las cianobacterias (o algas verde-azuladas); estas últimas se pueden encontrar como organismos unicelulares o formar una cadena filamentosa. Las procariontes archaeas se diferencian de las bacterias, especialmente, por sus procesos bioquímicos pero morfológicamente son muy parecidas (Fig. 3). A B C Figura 3. (A) Bacterias, (B) Algas verdes-azuladas, (C) Archaeas (o Archaeobacterias). Las Bacterias (células procariontes) se diferencian principalmente de las células eucariontes por las siguientes características: - No poseen una membrana nuclear; es decir, el material genético se encuentra de manera difusa en el citoplasma celular, denominado nucleoide. - El ácido desoxirribonucleico presenta una estructura circular. - La membrana celular posee pliegues hacia el interior de la célula, llamados Mesosomas. - No posee organelos propiamente tales. - No forman organismos pluricelulares - En cuanto al desarrollo de procesos fisiológicos, son mucho más simples que las células eucariontes (por lo que se postula que las prokaryotas son más primitivas que las eukaryotas). - Poseen una pared celular. Las procariontes poseen características estructurales que les han permitido sobrevivir a diferentes condiciones (Fig. 4). Gracias a estas características, es que han podido formar grandes colonias celulares que se han adaptado a diferentes ambientes; por ejemplo, las archaeas viven en condiciones extremas como en aguas termales de elevados grados de temperatura, las algas verdes-azuladas se han mantenido en el tiempo dado a su capacidad de fotosíntesis y las bacterias han colonizado diferentes ambientes incluyendo el propio organismo humano. 3

4 Es por esta razón que las células procariontes son los organismos más exitosos durante la evolución, dado que han sido capaces de adaptarse a nuevas condiciones y además colonizar los diferentes rincones del planeta e inclusive vivir dentro de otros organismos, como por ejemplo, las bacterias del tracto digestivo de algunos mamíferos. A continuación, se describen algunas partes de las procariontes que las hacen distintivas. Pared celular: Es una estructura semirrígida que le da la forma a la bacteria y se encuentra rodeando a la membrana plasmática, protegiendo así el interior de la célula de cambios nocivos del medio ambiente. Flagelo: Algunas bacterias poseen flagelos, que corresponden a una estructura helicoidal semirrígida que permite la movilidad de la célula mediante un sistema de rotación que se ejerce desde la base del flagelo (se debe considerar que no es una característica propia de las procariontes puesto que algunas células eucariontes también lo poseen, como por ejemplo; los espermatozoides). Fimbrias: Corresponden a filamentos pilosos cortos que pueden estar rodeando a toda la célula. Esta estructura permite que las bacterias se puedan adherir a diferentes superficies, incluyendo adherirse a otras células. Pili (o Pili sexual o de conjugación): Son filamentos pilosos largos con capacidad de adherirse a la pared celular de otras bacterias para traspasar material genético y así hacer una reproducción sexual (proceso denominado Conjugación). Mesosomas: Corresponden a invaginaciones o pliegues de la membrana plasmática hacia el citoplasma, si bien su función continúa en estudio, se cree que están relacionados con la división celular y el transporte de sustancias. B A Figura 4. Estructuras de una bacteria. (A) Esquema de una Bacteria con sus estructuras celulares (B) Microfotografía de una bacteria. 4

5 Célula Eucarionte y generalidades La célula eucarionte (Eu= verdadero, Karyon= núcleo) comprende a reinos Protista, Chromista, Fungi, Plantae y Animalia. Este tipo celular se diferencia, principalmente, de las procariontes debido a que posee un interior celular compartimentalizado; por lo tanto, el material genético (ADN) se encuentra rodeado por una membrana nuclear. Las células eucariontes poseen diversas formas, tamaños y una variedad de funciones, por lo que son mucho más complejas que las células procariontes. Están rodeadas por una membrana plasmática y su interior se divide en citoplasma y núcleo. Las principales características de las células eucariontes son: - El interior de la célula está compartimentalizado por membranas internas (organelos y núcleo). - El ADN se encuentra en el núcleo celular y está rodeado por proteínas nucleares. - Posee un ADN que se encuentra empaquetado; es decir, forma cromosomas. - Son capaces de formar organismos pluricelulares. - Son más complejas que las células procariontes en cuanto al desarrollo de procesos fisiológicos. - Solamente las células eucariontes vegetales poseen pared celular. El Citoplasma está formado por protoplasma, sustancia en estado coloidal que está formado en un 70% por agua y el 30% restante por moléculas orgánicas como proteínas, lípidos y carbohidratos. Además, contiene a los organelos y al citosol, que corresponde a la parte acuosa del citoplasma. El Núcleo celular está delimitado por una doble membrana llamada carioteca, en cuyo interior se encuentra la cromatina, que contiene al ADN, el cual se encuentra asociado a proteínas llamadas histonas, y además se puede encontrar empaquetada formando estructuras denominadas cromosomas. Dentro del núcleo existe una parte de la cromatina que al apreciar por el microscopio se ve más oscura y se denomina Nucleólo, esta estructura está compuesta por ARN (ácido ribonucleico) y proteínas. La carioteca posee poros que permiten intercambio de sustancias desde el núcleo al citoplasma y viceversa. Teoría Endosimbiótica Como se ha descrito anteriormente, las células procariontes son las células más primitivas. Posteriormente, luego de 1500 millones de años, surgieron las primeras células eucariontes. El parecido de diversos procesos bioquímicos y fisiológicos como la respiración celular, el modo de nutrición, entre otros, han hecho creer que las células procariontes dieron origen a las células eucariontes. 5

6 Como veremos más adelante, las mitocondrias, que se encuentran tanto en células eucariontes animales como en vegetales, y los cloroplastos son organelos exclusivos de la célula vegetal; son organelos que se encargan de otorgar la energía a la célula pero además poseen material genético propio, lo que hace que este material pase de generación en generación. Fue Schimper en 1883, quien se dio cuenta de esta propiedad; por lo tanto, estableció que las mitocondrias y los cloroplastos heredan su ADN, mientras que los demás organelos no son heredables. Sin embargo, no fue hasta 1967 que Lynn Margulis planteó que las células eucariontes provienen de las procariontes. Esta teoría plantea que una procarionte autótrofa fotosintética (mecanismos de obtención de energía mediante luz solar y otras sustancias inorgánicas) vivió dentro de una procarionte heterótrofa (necesidad de adquirir los elementos orgánicos de otros para su nutrición) y con el tiempo su relación se hizo tan estrecha a tal punto que incluso se replicaron simultáneamente. Por lo que este acontecimiento dio origen a los cloroplastos; es decir a la célula eucarionte vegetal. De la misma manera, una procarionte aerobia (que utiliza oxígeno para vivir) vivió dentro de una procarionte anaerobia (no utiliza oxígeno) dando origen a las mitocondrias. Es así, como otras teorías sustentadoras aportan que la membrana celular sufrió invaginaciones de protoplasma y enzimas dando origen a los diferentes organelos e incluso estas mismas invaginaciones pudieron haber encerrado al ADN, y que tanto las mitocondrias como los cloroplastos se originaron por endosimbiosis (endo= dentro, simbiosis= viviendo juntos). En la actualidad, esta teoría ha sido ampliamente aceptada a pesar de que aún existen diversos aspectos de la endosimbiosis que continúan en discusión. Como vimos, el origen de las células eucariontes continúa estudiándose, pero lo que sí está claro es que este tipo de célula se divide en dos subtipos: célula eucarionte animal y célula eucarionte vegetal. La principal diferencia radica en que la primera no posee pared celular, en cambio la segunda sí la posee, además poseen algunos organelos diferentes pero que cumplen funciones similares (Fig. 6). Las células eucariontes poseen en su citoplasma, estructuras llamadas organelos, que corresponden a estructuras rodeadas por una membrana y cada uno de ellos realiza una función específica. Al estar la célula compartimentalizada, ya sea por los organelos y el núcleo celular, permite que una variedad de procesos bioquímicos puedan llevarse a cabo simultáneamente y separados unos de otros. Simbiosis (viviendo juntos) es la asociación de dos o más especies diferentes en donde ambas obtienen provecho de la vida en común. Si bien estas especies comparten este modo de vida, cada uno de ello debe replicar su ADN y sintetizar varias de sus proteínas. 6

7 A B Figura 6. Esquema de células eucariontes (A) vegetal y (B) animal, donde se puede apreciar las estructuras comunes que comparten y aquellas que son propias de cada una. Los organelos celulares son los siguientes: - Retículo endoplasmático (RE): Está formado por una red membranosa que parte del núcleo celular, el cual forma una especie de canales y vesículas que se pliegan en el citoplasma. El RE se divide en: retículo endoplasmático liso (REL), que está encargado de sintetizar lípidos de membrana, almacenar calcio y eliminar sustancias tóxicas, y el retículo endoplasmático rugoso (RER), el cual se encuentra asociado a ribosomas participando en la síntesis de proteínas. Los Ribosomas no son organelos propiamente tales puesto que no están rodeados por una membranas, sino que son estructuras globulares compuestos por ARN y proteínas. - Aparato de Golgi: Corresponde a un conjunto de cisternas membranosas que están relacionadas funcionalmente con el retículo endoplasmático. Su principal función es la modificación de proteínas que posteriormente serán secretadas. - 7

8 - Lisosomas y Peroxisomas: Son vesículas delimitadas por membranas que contienen enzimas, las cuales se encargan de la lisis o rompimiento de moléculas orgánicas. Los lisosomas contienen enzimas hidrolíticas destinadas a las digestiones intracelulares. Los peroxisomas contienen enzimas oxidativas que se encargan de degradar lípidos intracelulares y de la desintoxicación de sustancias, principalmente la reacción de los radicales Oxígeno y el peróxido de hidrogeno, del cual deriva su nombre, ambos compuestos altamente tóxicos para el organismo. El Retículo endoplasmático, el Aparato de Golgi y los Lisosomas y Peroxisomas forman un sistema denominado Sistema vacuolar citoplasmático que se comporta como un sistema de síntesis y circulación de distintas sustancias en el interior de la célula. Sistema vascuolar citoplasmático - Mitocondria: Este organelo también posee un sistema de doble membrana, cuya membrana interna produce pliegues hacia el interior, que se denominan crestas. Está encargada de la Respiración celular, la cual es un conjunto de reacciones químicas que permiten sintetizar la energía (ATP) necesaria para el funcionamiento celular a partir de moléculas orgánicas como la glucosa en presencia de oxígeno (es por eso que se le llama respiración aerobia). La mitocondria, junto con los cloroplastos, son los únicos organelos con ADN propio; es decir poseen su propio material genético para la producción de sus propias proteínas que necesitan para su correcto funcionamiento y además son capaces de replicarse y aún más, 8

9 al tener su propio ADN son capaces de heredar enfermedades genéticas. Estas características han ayudado a sustentar la teoría endosimbiótica. - Cloroplastos: Son organelos exclusivos de las células vegetales rodeados por una doble membrana, en cuya membrana interna presentan gránulos (tilacoides) que contienen pigmentos como la clorofila (pigmento de color verde) u otros pigmentos, que les dan los colores característicos a las plantas, y que llevan a cabo la fotosíntesis. De esta manera absorbe la energía solar, en presencia de dióxido de carbono (en mayor proporción) o de oxígeno (menor proporción), y es capaz de sintetizar moléculas orgánicas como la glucosa; es decir, les entregan a las células vegetales, la capacidad de ser autótrofas. - Centriolos: Corresponden a un par de organelos pequeños que se ubican exclusivamente en la célula eucarionte animal, cercano al núcleo; están formados por microtúbulos y participan en el acomodo y movimiento de los cromosomas durante la división celular. - Vacuolas: Son vesículas membranosas rodeadas por una membrana que almacenan principalmente agua. Se encuentran presentes en células vegetales y animales pero las primeras poseen una vacuola muy grande que puede alcanzar el 70% del volumen celular, la cual contiene agua y almidón. - Plasmodesmos: Corresponden a estructuras de las células vegetales que atraviesan la pared celular y comunican el citoplasma de una célula con el citoplasma de la célula vecina. - Flagelos y cilios: Corresponden a estructuras formadas por nueve series de grupos de 3 microtúbulos que rodean a un par de microtúbulos centrales (se definen como: 9+2). Los flagelos son largos y permiten que la célula pueda movilizarse de manera rápida (movimiento helicoidal) como los espermatozoides; en cambio, los cilios son cortos pero numerosos y permiten movilizar sustancias del medio exterior de la célula (movimiento de remo). 9

10 - Citoesqueleto: Es una estructura que se encarga de la forma y movimiento celular. Está formado por microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos (proteínas tubulina) que se anclan a la cara interna de la membrana celular, permitiendo de esta manera que la célula pueda estirarse emitiendo prolongaciones citoplasmáticas y además permite el crecimiento celular. También, ancla a los organelos permitiendo que puedan desplazarse por toda la célula mediante esta especie de carriles formados por los microtúbulos. - Pared celular: Si bien las células procariontes poseen pared celular, en las células eucariontes, solamente la poseen las células vegetales. Esta pared, al ser rígida, da la forma a estas células, por lo que mantienen una forma geométrica; a diferencia de las células animales que pueden tener diferentes formas, principalmente dado por el citoesqueleto. La pared celular está formada por fibras de celulosa y otros polisacáridos (también puede contener lignina, que es más dura que la celulosa y se encuentra en las células de los troncos de los árboles), además de proteínas estructurales, y su función es de sostén y protección celular. Está formada por tres capas: capa primaria, que es la capa más externa, una laminilla media, que une a la capa primaria con la capa más cercana a la membrana plasmática, denominada capa secundaria que posee grandes cantidades de celulosa. - Membrana plasmática: Es una membrana que rodea a toda la célula y está formada por una doble capa de fosfolípidos, entre otros, que permite el paso de sustancia desde y hacia la célula. Más adelante veremos con más detalle la estructura de esta membrana, pero se debe recordar que todos los tipos celulares la poseen. 10

11 Si uno de los organelos celulares falla, la célula va a ver afectado su funcionamiento y por ende, la mantención de la vida sería incompatible en los casos más extremos. Por ejemplo; la artritis reumatoide es una enfermedad autoinmune que causa que la membrana de los lisosomas, que contienen enzimas hidrolíticas en su interior, se rompa; de tal manera que estas enzimas salgan al citoplasma y produzcan lisis celular; es decir, muerte celular de las células que forman parte de las articulaciones. A continuación, se presenta una tabla con las principales diferencias entre las células animales y las vegetales. Célula eucarionte animal Posee membrana nuclear No posee pared celular, solamente membrana citoplasmática. Posee mitocondrias como organelos de obtención de energía celular Su forma está dada por el citoesqueleto, por lo que suele ser irregular. Posee varias vacuolas de pequeños tamaños. No posee plasmodesmos Posee centriolos En el citoplasma, puede contener gránulos de glucógeno pero nunca de almidón. Célula eucarionte vegetal Posee membrana nuclear Posee pared celular y membrana citoplasmática. Posee mitocondrias y cloroplastos como organelos de obtención de energía celular Su forma está dada por la pared celular, por lo que es bastante regular (geométrica). Posee una gran vacuola central (o varias vacuolas muy grandes) que ocupa casi todo el volumen celular. Posee plasmodesmos No posee centriolos Frecuentemente, posee gránulos de almidón en su citoplasma. 11

12 Actividad en clase Analiza y completa el siguiente esquema de una célula eucarionte animal, mientras el profesor expone: 12

13 Analiza y completa el siguiente esquema de una célula eucarionte vegetal, mientras el profesor expone: 13

14 Prepárate para la PSU! Analiza y resuelve las siguientes preguntas tipo PSU. Recuerda siempre leer atentamente: 1. Cuál(es) de los siguientes organelos celulares está(n) delimitado(s) por dobles membranas? I. El núcleo. II. Las mitocondrias. III. El retículo endoplasmático. A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo I y II D) Sólo I y III E) I, II y III 2. En cuál de los siguientes grupos de organismos deberían encontrarse mitocondrias en las células? I. Hongos. II. Plantas. III. Protistas A) Sólo l B) Sólo II C) Sólo I y II D) Sólo I y III E) I, II y III 3. Qué tienen en común una célula procarionte y eucarionte? A) La envoltura nuclear. B) Las proteínas histónicas. C) Las paredes celulares. D) La membrana plasmática. E) Los organelos membranosos. 4. La capacidad de realizar funciones autónomas metabólicas y reproductivas que muestran los procariontes, les permiten ser incluidos dentro de la clasificación de célulaorganismos. Indique la(s) estructura(s) cuya función(es) le(s) confiere(a) dicha autonomía a los siguientes organismos. I. ADN II. Ribosomas III. Membranas A) Sólo I B) Sólo lll C) l y ll D) l y lll E) l, ll y lll 14

15 5. Cilios y flagelos deben su movilidad a estructuras llamadas: A) Proteínas contráctiles B) Huso acromático C) Microtúbulos D) Citoesqueleto E) Todas las anteriores 6. Las células pancreáticas son grandes secretoras de ciertas enzimas digestivas. Qué característica le permitiría realizar tal función a éstas células? A) Un alto número de vesículas fagociticas. B) Gran desarrollo de retículo endoplasmático rugoso. C) Una alta cantidad de mitocondrias. D) Un alto número de genes codificadores de enzimas. E) Ninguna de las anteriores. 7. Un investigador necesita moléculas de colesterol para un experimento. Usted le recomendaría aislar tales moléculas de membrana de células: I. Bacterianas. II. Vegetales. III. Animales. A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. D) Sólo II y III. E) I, II y III. 8. Indique cuál de las siguientes comparaciones entre célula eucarionte vegetal y animal es FALSA: A) Tanto mitocondria como cloroplasto se caracterizan por poseer su propio material genético. B) Ambas células poseen carioteca, ribosomas, retículos y aparatos de golgi. C) La célula animal posee centriolo, mientras la vegetal carece de éste. D) La célula animal posee membrana celular, mientras la vegetal carece de membrana y en su reemplazo posee una pared celular. E) Ninguna tiene mesosomas. 9. Cuál alternativa corresponde a una función del Aparato de Golgi? A) Síntesis de lípidos. B) Formación del acrosoma en los espermios C) Procesamiento y maduración de proteínas. D) Respiración celular. E) Autofagia celular. 15

16 10. Cuál de las siguientes funciones es común en todos los seres vivos? A) Control de la mitosis. B) Ensamblaje de los centríolos. C) Regulación del metabolismo mitocondrial. D) Regulación de la motilidad de cilios o flagelos. E) Control de la organización de la membrana plasmática. 11. Una de las siguientes relaciones estructura-función no es correcta: A) Cloroplasto síntesis de carbohidratos. B) Membrana plasmática-difusión. C) Ribosomas-síntesis proteica. D) Núcleo-síntesis de lípidos. E) Mitocondria-síntesis de ATP. 16