LA CELULA EUCARIOTICA EN PERSPECTIVA Los tres dominios fundamentales del árbol de la vida. Organización de la célula eucariótica animal. Membranas, núcleo, partículas subcelulares y citoesqueleto Origen y evolución de la célula. Teorías sobre el origen de la vida en nuestro planeta a) Origen de las primeras células: Desde las primeras moléculas orgánicas hasta la aparición del primer procarionte b) Aparición de la célula eucarióntica: Rutas metabólicas, cambios en la atmósfera y desarrollo de estrategias para convivir con el oxígeno. c) Teoría endosimbionte del origen de los eucariontes La pluricelularidad como estrategia evolutiva Diferenciación celular y pluricelularidad: especialización, cohesión y comunicación Cultivos celulares como modelo en investigación. Tipos de cultivos. Medios y superficies para el cultivo. Esterilidad y comprobación de la presencia de contaminantes. Siembra, propagación y conservación de las células. Sincronización, fusión y transfección de células en cultivo Técnicas de Observación de la célula y sus orgánulos Inmuno(histo)citoquímica e hibridación in situ Técnicas de fluorescencia y de observación in vivo Técnicas de microscopía electrónica Microscopía de campo próximo: AFM Microscopía amplificada por vídeo y ensayos de motilidad in vitro
Las células procarióticas presentan tamaños y formas múltipes y son bioquímicamente más diversas que las eucarióticas. Algunas obtienen la energía necesaria para subsistir de la luz solar (fototróficas), otras de procesos oxidativos utilizando materia inórgánica (litotróficas) y otras de sustratos orgánicos (organotróficas) pudiendo utilizar casi cualquier tipo de molécula orgánica como nutriente. Las células animales son organotróficas, ya que obtienen su energía alimentándose de otros seres vivos o de compuestos que éstos producen, pero son mucho más limitadas en la utilización de nutrientes. Los tres dominios fundamentales del árbol de la vida, obtenido comparando la secuencia de nucleotidos de un RNA ribosómico en las diferentes especies. Los procariotes incluyen dos grupos que divergieron antes o en época próxima a los eucariotes, las eu bacterias y las arquea o (arqueabacterias) Anabaena cylindrica forma filamentos multicelulares de células fotosintéticas, fijadoras de nitrógeno o esporas Beggiatoa vive en entornos sufurosos y obtiene la energía oxidando SH 2 y puede fijar carbono en la oscuridad En amarillo, depósitos de azufre
Célula eucariótica: Núcleo, membranas, partículas subcelulares, citoesqueleto MolCellBiol, Lodish y col. 5ª Ed. Freeman and Co.
DNA de cromatina de una célula humana Los virus son patógenos microscópicos que contienen información genética, que permite su multiplicación, rodeada por una cubierta proteica que los protege del entorno y facilita su adherencia o penetración en el interior de la célula huésped. En algunos virus la cubierta proteica está rodeada por una envoltura de tipo membranoso. Utilizan la maquinaria celular para sintetizar las proteínas y el material genético virales. Al carecer de capacidad de reproducción propia no pueden considerarse organismos vivos. La capacidad de los virus de transportar material genético al interior de las células es causa de graves problemas debido a la patogenicidad de muchos virus que se multiplican en el interior de la célula, la lisan vertiendo la progenie al exterior y extendiendo así la infección. Sin embargo, esta misma capacidad ofrece una perspectiva alentadora para el tratamiento de enfermedades en las que hay defecto en un gen. Manipulando el material genético del virus se puede eliminar la parte responsable de los efectos dañinos y sustituirla por otro material genético, tal como el gen humano dañado responsable de una enfermedad. Sería así posible introducir un gen en células humanas deficientes. Estos vectores virales son una esperanza fundada para el tratamiento de enfermedades en el futuro.
Bioquímica, Mathews y col. 3ª Ed, Addison Wesley Las membranas celulares delimitan compartimentos diferenciados con funciones especializadas: Núcleo, mitocondria, retículo endoplasmático, aparato de Golgi, vesículas, lisosomas y peroxisomas Todas las membranas de la célula están constituidas por una bicapa lipídica (formada por fosfolípidos, glucolípidos y colesterol). Su funcionalidad como elemento capaz de definir un compartimento se complementa por las proteínas que se insertan en el interior de la bicapa (integrales) o se adosan a uno de los lados de la bicapa (periféricas). Estas proteínas son responsables de la mayoría de las funciones especializadas de la célula: Transportan, unen, responden a señales o actúan como enzimas
Leucocito Mathews y cols., 3ª Ed. Addison Wesley
Todas las células tienen un tamaño similar independientemente del tamaño del organismo del que proceden y tienen gran superficie de membranas internas Al aumentar el tamaño de un objeto su área superficial crece en proporción al cuadrado de su diámetro mientras que su volumen lo hace en proporción al cubo. La relación entre superficie y volumen de un objeto depende del tamaño. Las células deben tener un volumen suficiente para alojar la complejidad y tamaño de las macromoléculas biológicas y el desarrollo de los procesos que deben ocurrir en su interior, así como el intercambio de sustancias con el exterior a las velocidades requeridas. En una célula muy grande, sin embargo, el equilibrio entre volumen celular y superficie de membrana podría ser difícil de alcanzar. Probablemente por eso, todas las células han alcanzado ese equilibrio en tamaños parecidos, independientemente del tamaño del organismo del que procedan. Mathews y cols., 3ª Ed. Addison Wesley
Transporte de material hacia el exterior y al interior celular (exo- y endocitosis) Pinocitosis, Potocitosis Vesículas, aprox 50 nm Endocitosis, Fagocitosis Endosomas >250 nm Vías secretoras: Constitutiva Regulada Transporte hacia el interior de la célula a) Vesículas recubiertas de clatrina: Endocitosis mediada por receptor
Endocitosis mediada por receptor (LDLs) Caveolas (Se originan en balsas lipídicas, dominios de membrana ricos en colesterol, glucoesfingolípidos y proteínas ancladas mediante GPI. La caveolina es una proteína integral de membrana en la que inserta un rizo hidrofóbico desde la cara citosólica pero no la atraviesa) 1. Transcitosis (p.ej. en células endoteliales) 2. Concentración y transporte de moléculas externas 3. Organización de componentes implicados en transducción de señales Caveosoma
MITOCONDRIA Tamaño de una bacteria y DNA propio que no se hereda de la misma forma que el DNA celular La presencia de DNA anormal puede alterar la función mitocondrial: alteraciones estructurales del músculo y del sistema nervioso, trastornos metabólicos por fallo del metabolismo oxidativo a) Estructura de una mitocondria al microscopio electrónico b) Esquema de la organización estructural con indicación de la localización de las principales funciones c) Célula apoptótica. La mitocondria también está implicada en muerte celular programada a c b
RETICULO ENDOPLÁSMICO Y APARATO DE GOLGI Relación entre RE y aparato de Golgi Relación entre RE rugoso y liso (cist. tubulares)
Los ribosomas que producen péptidos con la secuencia señal de proteínas de membrana o de secreción se unen al RE formando el RE rugoso En el RE liso tiene lugar: a) el procesamiento de proteínas b) la síntesis de lípidos (en particular, los fosfolípidos de membrana). Las enzimas requeridas están en la cara citosólica. Los fosfolípidos pasan a la cara interna del RE mediante proteínas volteadoras
Funciones del aparato de Golgi a) Modificación de macromoléculas b) Activación de proteínas por proteólisis c) Clasificación de macromoléculas en vesículas El aparato de Golgi tiene partes funcionales diferentes. a) Cara cis (mira al núcleo) b) Golgi medio (adición de oligosacáridos a lípidos y proteínas) c) Red del trans-golgi (actividad proteolítica, adición de restos azucarados y clasificación de macromoléculas en vesículas que se forman en la cara trans)
Sistema vesicular ácido y relación entre orgánulos digestivos de este sistema Lisosomas Vesículas de hidrolasas del aparato de Golgi (a, con hidrolasas ácidas, no hay ATPasa-H + ) y endolisosomas tras fusión de éstas con endosomas (tienen ATPasa-H +, acidifican en interior) Hay más de 30 hidrolasas específicas (fostatasa ácida, catepsina B y β-glucuronidasa, etc) que degradan y reciclan componentes diversos Depósitos de glucógeno en una célula muscular por deficiencia de maltasa ácida. La deficiencia de hexosaminidasa-a impide la degradación de un esfingolípido que se acumula en los lisosomas (Tay-Sachs) provocando degeneración neuronal Peroxisomas, metabolismo a. grasos de cadena larga. Enzimas oxidativas que producen H 2 O 2 que se degrada por la catalasa
Origen y evolución de la célula 1. La vida es un fenómeno de la segunda generación de estrellas 2. Hipótesis principal La vida se originó a partir de la materia inanimada mediante un incremento gradual y espontáneo de la complejidad molecular y funcional (Oparin y otros). Este postulado se puede expresar mediante una escala de complejidad creciente hacia la vida que implica una continuidad de materia inorgánica a moléculas orgánicas y de éstas a estructuras complejas, susceptible de verificación experimental. Átomos Moléculas Biomonómeros Macromoléculas Complejos poliméricos Redes metabólicas Células a) Primeras moléculas orgánicas sencillas (A. cianhídrico, formaldehido) b) Sillares de macromoléculas c) Moléculas autocatalíticas: RNA (soporte de información y de capacidad funcional) d) Síntesis de proteínas dirigida por RNA (código genético) e) Aparición de compuestos anfipáticos (confinamiento de la información genética) f) Aparición del primer procarionte (información genética estable)
Hay tres principales aproximaciones operacionales (susceptibles de verificación experimental) para tratar de explicar el origen de la vida en nuestro planeta: 1) El mundo del RNA (la autorreplicación como marco conceptual) Importancia del RNA en el origen de la vida: a) Estudio de ribosomas b) evolución de RNA in vitro c) familias de RNA autorreplicante RNA autorreplicante Sin embargo, no existen evidencias de que haya podido ocurrir la biosíntesis espontánea de RNA en las condiciones prebióticas
2) El enfoque compartimentalista El origen de la vida ocurrió dentro de un contorno esférico cerrado, ya que todas las formas de vida conocidas son celulares y la célula es un compartimento cerrado. Si sacáramos el contenido de todas las células tendríamos todo el DNA y el RNA pero no habría vida. 3) El metabolismo sin enzimas Se postula la existencia de vías metabólicas prebióticas anteriores a la evolución de las enzimas. Existen diversas propuestas que parten de la idea de que el metabolismo sigue una vía universal que es el centro del origen de la vida, y que la catálisis inicial se produjo en ausencia de enzimas sobre superficies minerales tales como arcillas o pirita (según ésta última, la vida comenzó cuando el poder reductor de la pirita se acopló a la reducción de CO 2 y N 2, lo que dio lugar al mundo de hierro y azufre ). Una hipótesis parte de la idea de que los cristales son portadores de información para su propia construcción (son estructurados, se pueden fragmentar y seguir creciendo), pueden incorporar impurezas mientras crecen (símil de mutaciones) y sugiere que fueron los gérmenes de la vida cuando se sintetizaron moléculas más complejas que llevaron al control por los ácidos nucleicos RNA sobre mineral arcilloso (A) o RNA (B), encapsulado en una vesícula de a. grasos
Posibles etapas para el salto desde procariontes a eucariontes a) Desarrollo de rutas metabólicas (agotamiento de nutrientes ambientales) b) Fijación fotosintética de nitrógeno y CO 2 c) Cambios en la composición de la atmósfera d) Desarrollo de estrategias para convivir con el oxígeno (en la actualidad el 21%) 1) Desarrollo de la capacidad de respirar 2) Confinamiento en nichos sin oxígeno 3) Asociación simbiótica con organismos respiratorios (teoría endosimbionte) Las células eucarióticas actuales han evolucionado a partir de células depredadoras. Las mitocondrias se originaron a partir de eubacterias aeróbicas que fueron envueltas por una célula eucariótica anaeróbica ancestral que, en lugar de digerirla, estableció con ella una relación simbiótica, proporcionándole nutrientes a cambio de energía metabólica. De forma análoga en la célula vegetal los cloroplastos proceden de bacterias fotosintéticas simbiontes. Esto permitió a las plantas evolucionar nutriéndose de los productos metabólicos de los cloroplastos (cambio de depredador a recolector) y perdiendo la capacidad de cambiar de forma y hacer fagocitosis
Generación de complejidad a lo largo de la evolución: Monocelulares complejos (protozoos, Didinium) y pluricelularidad. MolCellBiol La fecundación del óvulo por el espermatozoide produce un zigoto de unos 200 μm del que derivan en el hombre unas10 14 células. Diferenciación: Eliminación de la información frente a regulación. Ventajas y coste evolutivo MolCellBiol El desarrollo se inicia con la división del zigoto en dos, cuatro, ocho células (embrión temprano). Continúa la proliferación y la diferenciación que da lugar a los centenares de tipos diferentes de células del organismo, algunas muy diferentes entre sí. Las ocho células del embrión temprano pueden originar cualquier parte del animal (células embrionarias troncales). Se pueden crecer y diferenciar in vitro y generar tipos especiales de células. Fecundación in vitro: Obtención de núcleos de esperma inmóvil (p. ej.), inyección en óvulo e implantación del óvulo fecundado en la madre. Toda la información genética del individuo se encuentra en las (muchas) células diferenciadas. Clonación animal: a) División de un embrión temprano en grupos celulares que se reimplantan b) Obtención de núcleos de células somáticas e introducción en un óvulo no fecundado desprovisto de núcleo. Estos ovulos fecundados se implantan en una madre aceptora. Se obtienen así clones del donante (clonación por transferencia nuclear). Baja supervivencia, frecuentes anomalías y envejecimiento prematuro.
Qué es la vida, cuál es su atributo característico y exclusivo? MolBiolCell, Alberts y col. 5ª Ed, Garland Science MolCellBiol, Lodish y col. 6ª Ed. Freeman and Co. Bioquímica, Mathews y col. 3ª Ed, Addison Wesley http://www.uam.es/rafael.manso