TEMA 4.1. BIOLOGÍA CELULAR 1. QUÉ ES LA BIOLOGÍA? En cursos anteriores, hemos estudiado Ciencias Integradas. A partir de este curso, esa asignatura se subdivide en tres: Biología, Física y Química, cada una de ellas con un campo concreto de estudio. Exactamente, qué es lo que estudia la Biología? De una forma amplia, se puede decir que la Biología es la Ciencia que estudia la estructura y funcionamiento de los seres vivos, la Ciencia que estudia la vida. Pero, qué es un ser vivo? La pregunta puede parecer trivial. En algunos casos es muy fácil reconocer a un ser vivo, como en el caso de los guepardos de aquí al lado; pero en otros casos, como el de las bacterias, reconocerlos como seres vivos es algo más difícil. Qué criterios debemos seguir? Un ser vivo es un organismo que nace, crece, se nutre (es decir, intercambia materia y energía con su entorno), se relaciona (es decir, percibe estímulos de su entorno y reacciona frente a ellos) y se reproduce (es decir, produce descendientes). Otra característica común a todos los seres vivos es el alto grado de complejidad de su estructura. Como la Naturaleza tiende de forma espontánea al desorden, el mantenimiento de una estructura compleja implica un gasto de energía, por lo que los seres vivos tienen también un metabolismo complejo para, entre otras funciones, producir esa energía que necesitan. 2. NIVELES DE COMPLEJIDAD DE LOS SERES VIVOS A diferencia de la materia inorgánica, los seres vivos están organizados de una forma muy compleja en la que se reconocen múltiples niveles de organización, que vamos a resumir. Un ser vivo está formado por átomos denominados bioelementos. Químicamente son los mismos que los que forman el resto de la Naturaleza, pero su abundancia y las moléculas que forman son diferentes. A este nivel lo denominamos nivel atómico. Los bioelementos se unen para formar biomoléculas sencillas, como los azúcares, los ácidos grasos o los aminoácidos. Éstas pueden agruparse para formar biomoléculas grandes (o macromoléculas), como las proteínas, el ADN o el almidón. Estos dos niveles forman el nivel molecular. Las moléculas se agrupan para formar estructuras celulares llamadas habitualmente orgánulos celulares, como el núcleo, los cilios o las mitocondrias. Los orgánulos celulares se agrupan para formar células. Estos dos últimos niveles constituyen el nivel celular. Todos los seres vivos llegan hasta el nivel de organización celular, o, dicho de otra forma, todos los seres vivos están constituidos por células. En algunos de ellos (en los seres unicelulares), el nivel celular coincide con el de organismo, pero en los seres pluricelulares, la complejidad puede ir más allá. Las células pueden agruparse para formar tejidos, que son grupos de células especializadas y con estructura adaptada para realizar una determinada actividad, como el tejido óseo para sostener, el tejido muscular para contraerse o el tejido epitelial para proteger. Los tejidos se agrupan para formar órganos, estructuras capaces de realizar una función (un acto), como el bíceps, capaz de plegar el brazo, el riñón, capaz de filtrar la sangre, o la tráquea, capaz de transportar aire a los pulmones. Los órganos se agrupan para formar aparatos o sistemas, que son capaces de desarrollar una función compleja, como el aparato digestivo, capaz de hacer la digestión, el aparato reproductor, capaz de producir descendientes, o el sistema locomotor, capaz de mover el organismo. La diferencia entre aparato y sistema reside en que en un aparato, los órganos que lo componen actúan todos de una forma secuencial en cada acto, como en la digestión. En un sistema, no es necesario que todos los órganos actúen para realizar un acto, como es el caso del sistema nervioso. Un conjunto de aparatos y sistemas forma un organismo pluricelular. Es el nivel orgánico. En ocasiones, un organismo pluricelular puede no poseer tejidos como es el caso de seres como las algas o los hongos, o poseerlos muy elementales como es el caso de las esponjas. Tema 1 página 1 Biología celular
Los organismos pueden agruparse en poblaciones, que son grupos de individuos de la misma especie que conviven en un área determinada. Las poblaciones pueden agruparse en comunidades o biocenosis, que son los conjuntos de poblaciones de distintas especies que conviven en un área determinada. El conjunto formado por una biocenosis y el medio ambiente en que vive (biotopo) forman un ecosistema. Estos tres últimos niveles forman el nivel ecológico. 3. LAS RAMAS DE LA BIOLOGÍA Diversas ramas de la Biología se especializan en distintos aspectos. De una forma esquemática: Átomos (bioelementos) Moléculas (biomoléculas) Orgánulos celulares Células Tejidos Órganos Aparatos y sistemas Individuos Bioquímica Citología, Fisiología celular Histología Anatomía, Fisiología Zoología, Botánica, Microbiología, Taxonomía, Genética, Etología Poblaciones Comunidades Ecología, Genética de poblaciones Ecosistemas Bioquímica: ciencia que estudia la composición y los procesos químicos que tienen lugar en un ser vivo. Citología: ciencia que estudia la estructura de las células. Fisiología celular: ciencia que estudia el funcionamiento de las células y los orgánulos celulares. Histología: ciencia que estudia la estructura y función de los tejidos. Anatomía: ciencia que estudia la estructura de órganos, aparatos y sistemas. Fisiología: ciencia que estudia el funcionamiento de órganos, aparatos y sistemas. Zoología: ciencia que estudia los animales; hay muchas ramas, como la Entomología (insectos), Ictiología (peces), Ornitología (aves), etc. Botánica: ciencia que estudia los vegetales. Microbiología: ciencia que estudia los microbios. Taxonomía: ciencia que estudia la clasificación de los seres vivos. Genética: ciencia que estudia la transmisión de caracteres hereditarios de padres a hijos. Etología: ciencia que estudia el comportamiento de los seres vivos. Genética de poblaciones: ciencia que estudia la genética a nivel de grupos de seres vivos. Ecología: ciencia que estudia las relaciones entre los seres vivos y su medio ambiente y de los seres vivos entre sí. Tema 1 página 2 Biología celular
4. ESTUDIO DE LA ESTRUCTURA DE LOS SERES VIVOS Para los antiguos, los seres vivos estaban formados por masas orgánicas en las que no llegaban a distinguir más que humores (líquidos), fibras y piezas esqueléticas. Para que progresara el conocimiento de la estructura de los seres vivos, hubo que esperar a que se desarrollara el microscopio. En 1655 el inglés Robert Hooke, al observar al microscopio un fragmento de corcho observó celdillas a las que dio nombre con la palabra latina (células), pero nadie asoció esta observación a la estructura de los seres vivos. En 1838 el botánico alemán Matthias Schleiden afirmó que todos los vegetales están formados por células. El año siguiente, en 1839, el zoólogo, también alemán, Theodor Schwann afirma que todos los animales también están formados por células. A partir de sus observaciones se desarrolla la llamada Teoría celular que afirma que la célula es la unidad anatómica y funcional de los seres vivos, es decir que todos los seres vivos están formados por células y que la célula es la estructura más simple que presenta las funciones de un ser vivo. En el siglo XVIII, el italiano Lazzaro Spallanzani y, en el XIX, el francés Louis Pasteur realizaron experimentos para demostrar que no existe la generación espontánea. Esto, aplicado a las células, implica que toda célula procede de otra célula. En 1905, el estadounidense Ross Harrison logra cultivar por primera vez células in vitro células de seres pluricelulares, con lo cual demuestra que las células son capaces de una vida independiente. En 1926, los trabajos de los estadounidenses Clinton Davisson y Lester Germer llevaron al desarrollo del microscopio electrónicos, que ha permitido un avance importantísimo en el conocimiento de la estructura interna de la célula. 5. ESTRUCTURA DE LA CÉLULA La estructura general de una célula, que se representa en la figura adjunta puede resumirse en las siguientes partes: Membrana: es la envoltura de la célula que cumple, además, importantes funciones vitales, como el control del intercambio de sustancias entre la célula y el medio que la rodea. Citoplasma: es la mayor parte del contenido de la célula, a excepción del núcleo. En él pueden destacarse las siguientes partes: Citosol o hialoplasma: es un líquido viscoso formado por agua y sustancias disueltas. En él existen una serie de proteínas que constituyen el citoesqueleto, que fijan la posición de los orgánulos y facilitan los movimientos de sustancias y estructuras en el interior de la célula. También puede haber gotas de grasa u otras sustancias insolubles. Orgánulos: son estructuras situadas en el citosol que cumplen distintas funciones en la vida de la célula, como veremos más tarde. Núcleo: Es el órgano rector de la vida de la célula ya que conserva las instrucciones para su funcionamiento (genes); su eliminación provoca la muerte celular en poco tiempo. Tema 1 página 3 Biología celular
Forma y tamaño de la célula El esquema de célula representado anteriormente responde al tipo más común, pero la célula puede presentar diversas formas que corresponden muchas veces a sus funciones o modos de vida: las células que flotan libremente en los líquidos, como los leucocitos, tienen forma esférica; las células vegetales o las de los túbulos renales (tubos microscópicos que componen el riñón) son poliédricas; las neuronas tienen formas estrelladas, lo que les permite enviar mensajes nerviosos a otras partes del cuerpo; los eritrocitos son aplanados para aumentar su superficie y poder absorber más rápidamente oxígeno. También es muy variado el tamaño de las células. Las hay visibles a simple vista, como las yemas de los huevos de las aves, que están formadas por una sola célula. Pero generalmente son microscópicas. Al lado se comparan los tamaños típicos de una célula de una bacteria, de un animal y de un vegetal. La membrana celular Es una envoltura finísima, entre 6 y 10 millonésimas de milímetro (nanómetros) de espesor. Está formada principalmente por una doble capa de fosfolípidos (sustancias insolubles en agua), que la hacen impermeable para muchas sustancias. La lámina es interrumpida por proteínas que cumplen diversas funciones, sobre todo, regular el paso de sustancias a su través, funcionando como poros finísimos de apertura regulable. La membrana se comporta de forma diferente para cada tipo de sustancia (se dice que tiene permeabilidad selectiva): Los gases y lípidos sencillos la atraviesan por difusión, desde el lado con mayor concentración hacia el de menor concentración. El agua la atraviesa por ósmosis desde la parte con menos solutos hacia la parte con más solutos. Tema 1 página 4 Biología celular
NÚCLEO CITOPLASMA ENVUELTA ESCUELA EUROPEA DE LUXEMBURGO I Los iones y moléculas orgánicas sencillas (azúcares simples, aminoácidos) la atraviesan por transporte facilitado, ayudados por proteínas de membrana llamadas permeasas (para moléculas sencillas) o poros (para iones), desde la parte de mayor concentración a la de menor. Algunos iones y moléculas orgánicas sencillas son capaces de atravesar la membrana desde la parte de menor concentración hacia la de mayor ayudados por proteínas de membrana llamadas bombas; el proceso se denomina transporte activo. Este proceso requiere gasto de energía, a diferencia de los anteriores que no lo necesitan. Otras proteínas se sitúan por dentro o por fuera de la membrana y cumplen otras funciones, como facilitar reacciones químicas o actuar como puntos de reconocimiento de distintos tipos de células, pudiendo distinguir si otra célula es del mismo tipo que ella o si es una célula extraña, provocando así fenómenos de rechazo. Orgánulos celulares Los orgánulos celulares varían según el tipo de célula de que se trata. En el cuadro siguiente se resumen los orgánulos que aparecen en los tres principales tipos de célula así como una breve explicación de la función de cada uno de ellos. CÉLULA EUCARIOTA Animal Vegetal CÉLULA PROCARIOTA FUNCIÓN MEMBRANA PLASMÁTICA SÍ SÍ SÍ Intercambio, adhesión e identidad Pared celulósica NO SÍ NO Estructural-protectora, intercambio de sustancias simples inorgánicas Pared no celulósica NO NO SÍ Estructural-protectora, intercambio de sustancias e identidad CITOSOL (HIALOPLASMA) SÍ SÍ SÍ Contiene los orgánulos y en él ocurren las reacciones metabólicas Ribosomas SÍ SÍ SÍ Síntesis de proteínas Retículo - rugoso SÍ SÍ NO Transformación de proteínas endoplasmático - liso SÍ SÍ NO Síntesis de lípidos Aparato de Golgi SÍ SÍ NO Formación de vesículas de secreción, lisosomas, etc. Lisosomas SÍ SÍ NO Digestión celular y procesos de autohidrólisis Vacuolas Grande (una/dos) NO SÍ NO Almacén de sustancias Pequeña (varias) SÍ NO NO Digestión celular Centrosoma SÍ NO NO Genera el huso mitótico en la división celular y organiza el citoesqueleto Cilios y flagelos SÍ NO SÍ* Locomoción y captura de partículas Mitocondrias SÍ SÍ NO Respiración celular (obtiene energía) Cloroplastos NO SÍ NO Fotosíntesis y almacén de sustancias MEMBRANA NUCLEAR SÍ SÍ NO Aislamiento del material nuclear e intercambio con el citoplasma NUCLEOPLASMA SÍ SÍ NO Medio de los componentes y reacciones celulares NUCLEOLOS SÍ SÍ NO Síntesis de ARNr para formar los ribosomas CROMATINA SÍ SÍ SÍ* Material genético (*) Con características estructurales diferentes de sus homólogos en la célula eucariota. Tema 1 página 5 Biología celular
La célula vegetal Forman el cuerpo de las plantas y tiene las siguientes particularidades respecto de las que forman el cuerpo de los animales (ver esquema en la hoja número 1): 1. Posee una envuelta exterior a la membrana plasmática que se llama pared celular. Está formada principalmente por celulosa y es interrumpida por unos poros que facilitan la comunicación entre células vecinas. 2. Tiene vacuolas que, a medida que la célula envejece se van reuniendo en una gran vacuola que ocupa casi todo el volumen celular y acaba por ahogar a la célula. Contienen diversas en particular las de desecho. 3. Carece de centrosoma y de cilios y flagelos, pues las células vegetales no suelen tener movimiento. 4. Contiene cloroplastos capaces de realizar la fotosíntesis. La célula procariota Los organismos con células procariotas más conocidos son las bacterias, que se adaptan a muchos tipos de vida: las hay parásitas que producen enfermedades en animales y vegetales, otras viven en todo tipo de medios descomponiendo todo tipo de materia orgánica, otras son fotosintéticas y otras son utilizadas porque pueden realizar fermentaciones, como las que producen el yogurt o el vinagre. La estructura procariótica se caracteriza por lo siguiente: 1. Su material genético (ADN) no está rodeado por una membrana sino que está disperso en el citoplasma. 2. Apenas tiene orgánulos citoplasmáticos: ribosomas o flagelos, que, además son más sencillos que los de las células eucariotas. 3. Suelen tener una pared celular exterior a la membrana, pero no está hecha de celulosa. 4. Algunas no pueden hacer ni la respiración celular ni la fotosíntesis y tienen que fabricar la energía que necesitan mediante fermentaciones. Tema 1 página 6 Biología celular
6. LA VIDA DE LA CÉLULA Como unidad fisiológica de los seres vivos, la célula realiza las funciones características de éstos: nutrición, relación y reproducción. Nutrición celular Según la naturaleza química de los nutrientes que incorpora la célula podemos distinguir dos tipos: - Nutrición autótrofa: los nutrientes son sustancias inorgánicas simples (agua, dióxido de carbono, sales) que la célula transforma en materia orgánica mediante energía luminosa (fotosíntesis) o química (quimiosíntesis). Es típica de algas, vegetales complejos y algunas bacterias. - Nutrición heterótrofa: los nutrientes son moléculas orgánicas que contienen energía química. Es típica de protozoos, animales, hongos y otras bacterias. La fotosíntesis Los cloroplastos tienen en su interior laminillas y vesículas apiladas formando granos de color verde. Están formados por membranas que contienen clorofila, molécula verde que es capaz de captar la energía de la luz solar y aprovecharla para formar ATP y otras sustancias energéticas. Este proceso consume agua y se denomina fase luminosa. El ATP y las otras sustancias energéticas pasan al espacio interior del cloroplasto, donde, con ayuda de proteínas, contribuyen a transformar el dióxido de carbono en azúcares y otros alimentos. Este proceso se denomina fase oscura. En resumen, gracias a la energía de la luz y al papel de la clorofila y algunas proteínas, en la fotosíntesis se consume agua y dióxido de carbono (sustancias inorgánicas) y se obtienen azúcares (sustancia orgánica necesaria para la nutrición células) y oxígeno (también necesario para la respiración celular). La digestión celular Se realiza mediante la formación de unas vesículas o bolsitas en la membrana que engloban al alimento. Una vez en el interior, estas vesículas se unen a orgánulos llamados lisosomas, que son vesículas llenas de jugos digestivos, y se forman vacuolas digestivas, donde el alimento es convertido poco a poco en componentes más sencillos. Cuando el producto ya es soluble en agua, atraviesa la membrana de la vacuola y se reparte por la célula. Los restos son eliminados porque la vacuola se abre nuevamente al exterior. El alimento introducido en la célula puede tener dos destinos: - Ser transformado en energía necesaria para el funcionamiento celular. - Ser transformado en otras sustancias que la célula necesita para vivir. Tema 1 página 7 Biología celular