Tema 13. Biología Celular -...
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Idea Fundamental: La evolución de los organismos multicelulares permitió la especialización celular y el reemplazo de células. Tema 13. Biología Celular 13.1 Introducción a las células DP/PAU Germán Tenorio Biología NS-Diploma BI Curso 2014-2016
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Idea Fundamental: La evoluciónde los organismos multicelularespermitió la especialización celulary el reemplazo de células.
Tema 13. Biología Celular13.1 Introducción a las célulasDP/PAU
Germán Tenorio
Biología NS-Diploma BI
Curso 2014-2016
Teoría CelularDP/PAU
Hasta el siglo XV se creía que los seres vivos estaban formados por unasustancia que a su vez estaba formada por cuatro jugos.
El término célula fue acuñado por elcientífico inglés Robert Hooke en1665 (siglo XVII), al observar almicroscopio las “celdillas”cosntituyentes del corcho.
En 1674, el comerciante de telasholandés, A. van Leewenhoek,describió que la sangre estaba formadapor diminutos glóbulos rojos que fluíana lo largo de delgados capilares.
Vídeo1
Teoría CelularDP/PAU
En 1838 el botánico Schleiden y el zoólogo Schwann enunciaron elpostulado básico de la teoría celular, según la cual todos losorganismos vivos están compuestos de células, a las que consideraronlas unidades vitales fundamentales.
Posteriormente, Virchow, entre otros,establecieron que todas las célulasproceden de otras preexistentes.
La teoría celular se basa en lossiguientes 4 principios:
1. Todos organismos vivos están compuestos por células (unidadestructural). Los organismos pluricelulares tienen células especializadas en llevara cabo diferentes funciones.
2. La célula es la unidad viva más pequeña (unidad fisiológica). Loscomponentes celulares no pueden sobrevivir por sí solos.
3. Las células se forman a partir de otras células preexistentes. Cada célulaprocede de la división de otra preexistente.
4. Cada célula contiene y transmite a la siguiente generación toda lainformación hereditaria (unidad genética). Esta información es necesaria parael control de su propio ciclo y el del desarrollo y funcionamiento de un organismo.
NATURALEZA CIENCIAS: Búsqueda de
tendencias y discrepanciasDP
Aunque la mayoría de los organismos se atienen a la teoríacelular, también hay excepciones.
La teoría celular es un ejemplo de cómo los científicos buscan tendenciasy discrepancias.
Después de examinar el corcho yotras partes de las plantas,Robert Hooke fue el primero enusar el término “célula” paradesignar estructuras en los seresvivos.
Hooke no se contentó conobservar un solo tipo celular, sinomuchos tejidos vegetales distintosy descubrió una tendencia generalque se ha venido confirmandodesde entonces: los organismosvivos están compuestos decélulas.
IMAGEN: ww.emaze.com
NATURALEZA CIENCIAS: Búsqueda de
tendencias y discrepanciasDP
Sin embargo, se han descubierto algunas discrepancias, dado que hayorganismos o partes de organismos que no consisten de lastípicas células.
Sin embargo, aunquemás discrepanciaspudieran aparecer enel futuro, es muyimprobable que lateoría celular seadescartada, dado quemuchos tejidosconsisten de células,siendo esta un patróngeneral.
IMAGEN: ww.tipos.co
APLICACIÓN: Cuestionamiento de la teoría celularDP
Existen ejemplos atípicos que cuestionan la teoría celular, comoel músculo estriado, las algas gigantes y las hifas de hongosaseptados.
Las células que forman el músculo estriado se denominan fibrasmusculares. Estas células, al igual que el resto, están rodeadas de unamembrana, poseen orgánulos y se forman a partir de la division de otraspre-existentes.
Sin embargo, estas célulasson atípicas, al poseer unalongitud hasta 1000 vecesmayor que el resto de célulasanimales.
Además, en lugar de tener unúnico núcleo, tienen varios(hasta 100).
IMAGEN: ww.tipos.co
Las algas son organismos eucariotasautótrofos fotosintéticos, al igual que lasplantas, pero a diferencia de ellas, carecende tejidos diferenciados.
IMAGEN: ww.unitpro.org
Muchas de ellas son unicelulares ytan abundantes que forman elfitoplacton. Sin embargo, otras sonmenos conocidas, como las algasgigantes, a pesar de su grantamaño, están formadas por unaúnica célula, como las anteriores.
Un ejemplo es el alga verdeAcetobularia, que puede creceruna longitud de hasta 100 mm, apesar de solo poseer un núcleo,algo inesperado, dado quecualquier organismo con esetamaño es pluricelular.
IMAGEN: ww.ntrzacatecas.com
APLICACIÓN: Cuestionamiento de la teoría celularDP
Las hifas son elementos filamentosos cilíndricos característicos de lamayoría de los hongos, y que conforman su estructura vegetativa. Estánconstituidos por una fila de células alargadas envueltas por la paredcelular de quitina que, reunidas, forman el micelio.
Los hongos se pueden clasificar en base a quepresenten hifas septadas (con septos otabiques) o hifas aseptadas (sin tabiques). Así,los hongos aceptados poseen unaestructura tubular ininterrumpida conmuchos núcleos.
APLICACIÓN: Cuestionamiento de la teoría celularDP
Los organismos unicelulares realizan todas las
funciones vitalesDP/PAU
Todos los organismos vivos, tanto unicelulares como pluricelulares, llevana cabo las funciones vitales, que los diferencian de la materia inerte:
Nutrición; para la obtención de materia y energía necesaria para elcrecimiento.
Metabolismo; conjunto de reacciones que tienen lugar en la célula tantopara la obtención de energía como para la obtención de biomoléculas.
Crecimiento; proceso de increment de masa de un ser vivo.
Respuesta; capacidad para responder frente a estímulos (cambios)ambientales.
Excreción; eliminación de las sustancias de desecho procedentes delmetabolismo cellular.
Homeostasis; capacidad de mantener las condiciones internas dentro deunos límites tolerables.
Reproducción; creación de nuevos individuos para la perpetuación de laespecie.
APLICACIÓN: Funciones vitales en organismos unicelularesDP
Los organismos pluricelulares poseen células especializadas en llevar acabo unas funiones pero no otras. En el caso de los organismos queconstan de una única célula, realizan todas las funciones propiasde la vida en el seno de dicha célula.
Paramecium es un organismo unicelular de nutrición heterótrofa quepertenece al reino protistas al ser un protozoo.
IMAGEN: Biology 2014, OUP
APLICACIÓN: Funciones vitales en organismos unicelularesDP
Chamydomonas es un organismo unicelular de nutrición autótrofa quetambién pertenece al reino protistas, pero en este caso es un alga.
IMAGEN: Biology 2014, OUP
Vídeo2
HABILIDAD: Uso del microscopio y magnificaciónDP
Los organismos unicelulares están formados por una única célula y portanto, no son visibles directamente al ojo humano.
Las moléculas que forman las células tienen un tamaño relativo en torno a 1nm, el grosor de las membranas celulares es de 10 nm, el tamaño de losvirus 100 nm, de las bacterias 1 µm, de los orgánulos celulares hasta 10 µm,y de la mayoría de las células hasta 100 µm.
Todas las entidades biológicas anteriores quedan fuera de nuestra capacidadde percepción directa y para observarlas debemos utilizar dispositivostecnológicos tales como el microscopio óptico o el electrónico.
Para observar un objeto de tamaño inferior almilímetro, debemos ampliarlo utilizando unmicroscopio, de manera que la imagen observada noestá a tamaño real, sino magnificada.
Magnificación = Ocular · Objetivo
x400 = x10 · x40
Para conocer el tamaño realde los objetos observados almicroscopio, hay que tener encuenta esta magnificación oampliación.
HABILIDAD: Uso del microscopio y magnificaciónDP
Para calcular el número de aumentos de un dibujo y el tamaño real delos especímenes representados en imágenes de las que se conozca elnúmero de aumentos, hay que realizar los siguientes cálculos:
magnificación Tamaño real
Longitud representa escala magnificación
longitud real de la escala longitud real imagen
Tamaño real =
Magnificación =
HABILIDAD: Uso del microscopio y magnificaciónDP
Para calcular cuantasveces ha sido unaimagen magnificada,hay que tener en cuentaque la barra de escalarepresenta el tamañoreal de la muestra en laimagen.
Barra de escalaTamaño real muestra
Medida de la barra de escalaLo que medimos
magnificación:
HABILIDAD: Uso del microscopio y magnificaciónDP
Para calcular cuantasveces ha sido unaimagen magnificada,hay que tener en cuentaque la barra de escalarepresenta el tamañoreal de la muestra en laimagen.
Lo que representa
Lo que medimos
magnificación:
Utilizar las mismas unidades:
veces
HABILIDAD: Uso del microscopio y magnificaciónDP
Sólo hay que medir laimagen y dividir dicho valorentre la magnificación.
Utilizar las unidades másapropiadas.
magnificación
longitud real imagen
HABILIDAD: Uso del microscopio y magnificaciónDP
Sólo hay que medir laimagen y dividir dicho valorentre la magnificación.
Utilizar las unidades másapropiadas.
magnificación
longitud real imagen
HABILIDAD: Uso del microscopio y magnificaciónDP
Relación superficie/volumen celularDP
Una de las funciones vitales de lo seres vivos es el crecimiento, y las célulascomo tales, crecen. Sin embargo, ¿por qué las células u organimos unicelularestienen un tamaño microscópico? ¿qué limita el tamaño de las células?
Las células tienen forma tridimensional, teniendopor tanto un volumen interno y una superficie decontacto con el exterior.
En la célula, las reacciones metabólicas tienen lugarmayoritariamente en su citoplasma, por lo que latasa metabólica de la célula es proporcional alvolumen de la misma.
Por otro lado, en la célula, el área superficialde la membrana debe ser lo suficientementegrande como para permitir la absorción denutrientes y oxígeno, así como para excretarlos productos de desechos.
La tasa de intercambio de sustancias através de la membrana es prorporcionalal área superficial de la misma.
Por este motivo, la relación (o ratio) superficie/volumen celular es un factormuy importante, dado que si esta realación es muy pequeña, las sustanciasno entrarán en la célula con la prontitud que se necesita, y los productos dedesecho se acumularán en el interior cellular.
Pero además, esta relación superficie/volume celular afecta direcatmente ala producción y la pérdida de calor. Así, si esta relación es muy pequeña, lascélulas pueden sobrecalentarse, dado que el metabolismo produce calor auna tasa mayor que a la que éste se pierde a través de la superficie de lamembrane celular.
Relación superficie/volumen celularDP
La relaciónsuperficie/volumen es importantecomo factorlimitante deltamaño celular.
A medida que el tamaño de un objeto, como pueda ser una célula,aumenta, el área superficial (4лr2) también aumenta, aunque a ritmomenor que lo hace el volumen (4/3лr3).
Calcula la relación SA:V para unacélula cilíndrica de radio 1, 2 y 3 µm.¿Qué observas?
Web1
Relación superficie/volumen celularDP
El área superficial (SA) se calcula multiplicando lado porlado. El volumen (V) es lado x lado x lado.
¿Cuál es la relación área superficial/volumen de cadauna de estas células?
VolumenSA
SA:V
Aún cuando las células no tienen formas parecidas a la de un cubo, loscálculos matemáticos para determinar el volumen y el área superficial,son más simples en un cubo que en otras formas, por lo queconsideramos las células como cubos.
Existe una relación inversa entre el tamaño de una célula y su ratio SA:V
Relación superficie/volumen celularDP
1) La célula pueda funcionar más eficientemente, ya que por cada unidadde volumen que requiere nutrientes o produce desechos, hay mássuperficie de membrana disponible.
2) Las rutas de difusión se acortan, ya que las moléculas no tienen queviajar tanto para entrar o salir de la célula, tardando menos tiempo ygastando menos energía.
La membrana plasmástica es responsable del intercambio de sustanciascon el medio exterior. Las células de mayor tamaño (y menor SA:V)tienen relativamente menor área superficial disponible, que una célula demenor tamaño, para mantener el intercambio necesario a su volumen.
Beneficios de una alta relación SA/V:
¿Qué es mejor para una célula, poseer una alta o baja relación SA:V?
Relación superficie/volumen celularDP
3) Los gradientes de concentración son más fáciles de generar, lo quehace más eficiente el proceso de difusión (se necesita menos solutopara preparar una disolución al 10% en un matraz de 100 mL que enun cubo de 10 L).
Por todo esto, los animales no poseen células más grande, sino máscélulas (pluricelulares).
Relación superficie/volumen celularDP
División celular: A medida que unacélula crece, llega un momento en elque se divide. Dos células pequeñasson más eficientes que una célulagrande.
Además, esto también permite ladiferenciación celular, la especializaciónde funciones y una vida pluricelularmucho más compleja.
Compartimentalización celular: Lascélulas utilizan membranas para llevar acabo procesos metabólicos. Eneucariotas, se denominan orgánulos.Los orgánulos, como la mitocondria,presentan repliegues en su membranapara maximizar el área superficial paralas reacciones.
¿Cómo maximizan los organismos su relación SA:V?DP
Plegamiento: Algunos órganos, como el intestino,se pliegan maximizando su SA:V y haciendo laabsorción de los nutrientes más eficiente.
Las raíces son largas, y ramificadas, con pelosradiclaes en las células que maximizan el áreasuperficial para la toma de agua.
Los alvéolos son delgadas membranas quemaximizan la supercie para el intercambio gaseoso.
¿Cómo maximizan los organismos su relación SA:V?DP
Los organismos pluricelulares presentan propiedades emergentes, esdecir, propiedades que resultan de la interacción entre suscomponentes celulares: el todo es más que la suma de sus partes.
Sistemas Biológicos y propiedades emergentesDP
La Ciencia ha sido tradicionalmentereduccionista, dividiendo lossistemas complejos en sus partesque los componen con objeto dedeterminar como funcionan.
En muchos sistemas complejos segeneran propiedades emergentes,que son el producto del conjunto delas relaciones entre las partes, y que,como decía Aristóteles, laspropiedades del todo generado esmayor que la suma de laspropiedades individuales de dichoselementos que conforman el sistema.
Las propiedades emergentes son visibles en cualquier nivel de complejidadsuperior, de los átomos a las moléculas, a las células, a los organismos y a labiosfera.
Cuando separamos un sistema complejoen las piezas que lo componen, cada unade ellas parace ser más simple.Combinadas pueden realizar una nuevafunción en conjunto.
orgánulos
células
tejidos
órganos
sistemas
organismos
Núcleo, mitocondria, ribosomas,...
Células musculares
Músculo cardíaco
corazón
Sistema circulatorio
mamífero
Sistemas Biológicos y propiedades emergentesDP
Diferenciación celularDP
Los organismos multicelulares (o pluricelulares) póseen células que llevan acabo funciones diferentes, es decir, células especializadas que adquierenuna determinada forma para llevar a cabo una función específica.
Un grupo de célulasespecializadasconstituyen un tejido,por lo que puede decirseque en los organismosmulticelulares lostejidos especializadospueden desarrollarsepor diferenciacióncelular. Ejemplos decélulas diferenciadas enanimales son célulasintestinales, célulashepáticas, musculares,neuronas, etc.
Diferenciación celularDP
Así, la función de los eritrocitos es transpotar el O2, la de las neuronastransmitir la información nerviosa, la de las células beta pancreáticasproducer insulina, etc. En los humanos se distinguen 220 tipos celularesdistintos.
Para que una célula lleve efecientemente su función específica, aldiferenciarse debe adquirir una estructura perfectamente adaptada a sufunción, junto con los enzimas encesarios para llevar todas la reaccionesasociadas a esta función.
El proceso por el que las células sedesarrollan de foran diferentes parallevar a cabo funciones específicasse denomina diferenciación.
Diferenciación celularDP
Todas las células de un organismos poseen losmismos genes en su núcleo.
Las células se diferencian a partir de célulasmadre durante el desarrollo embrionario.
La diferenciación implica la expresión deunos genes concretos del genoma de lacélula y no de otros.
Lo que hace a un tipo celulardiferente de otro, son los genesque se expresan o inactivan, locuál depende del ambiente en elque se encuentre, entrando encontacto con ciertas hormonas,sustancias químicas u otras células.
Células madre y diferenciación celularDP
Normalmente las células diferenciadas de nuestro cuerpo pueden dividirseun número limitado de veces, momento en el cual, pierden dichacapacidad y su viabilidad, por lo que mueren (apoptosis).
Las células madre o tronco son un tipo especial de células que tienen lacapacidad de dividirse indefinidamente sin perder sus propiedades y llegara producir células especializadas virtualmente de cualquier órgano ytejido del cuerpo.
Células madre y diferenciación celularDP
Las células madre tienen dos propiedades que las caracterizan:
- Capacidad de dividirse de forma indefinida para producir ungrandes cantidades de nuevas células, por lo que son útiles para elcrecimiento de tejidos o la sustitución de células perdidas o dañadas.
- Son células que permanecen indiferenciadas, conservando la capacidadde diferenciarse en cualquier tipo celular.
Web2
IMAGEN: www.caricord.com
Tipos de células madreDP
– Células totipotentes (madrecigoto): pueden crecer y formarun organismo completo, es decir,pueden formar todo los tiposcelulares.
– Células pluripotentes (madreembrionaria): no pueden formarun organismo completo, pero sícualquier tipo de tejido.
– Células multipotentes (madreadulto): sólo pueden generarcélulas de su mismo linaje deorigen embrionario (por ejemplo:una célula madre de médula óseadará origen a células de la sangremientras que una de la piel daráorigen a células especializadas dela piel.
Vídeo3(Partes 1-4)
Totipotente
Pluripotente
Multipotente
Existen diferentes tipos de células madre, con diferentes características:
Células madre embrionariasDP
Este tipo de células madre se obtienen de la masa celular interna(embrioblasto) del embrión en forma de blastocisto.
La utilidad de estas células embrionarias radica en que pueden ser usadaspara regenerar potencialmente cualquier tipo de tejido u órgano, ya seapara su transplante en un paciente (uso terapéutico) o bien para otrouso, como la generación de carne para su consumo (uso no terapeútico).
IMAGEN: www.monografias.com
IMAGEN: www.agenciasinc.com
APLICACIÓN: Uso terapéutico de células madreDP
IMAGEN: www.decipheris.com
La capacidad de las células madre para dividirse y diferenciarse a lolargo de distintas rutas es necesaria en el desarrollo embrionario,una característica que hace que estas células sean aptas para usosterapéuticos.
Pero no solo lascélulas madreembrionarias tienenun uso terapéutico,al ser pluripotentes,sino también lascélulas madreadultas debidas a sumultipotencialidad.
APLICACIÓN: Uso terapéutico de células madreDP
IMAGEN: www.elmundo.es
La distrofia macular de Stargardt, es una enfermedad genética debidaa un alelo recesivo de gen ABCA4, que comienza a desarrollarse entre los6 y los 12 años de edad.
Este alelo recesivo causa que una proteína de membrana usada para eltransporte activo en las células de la retina no funcione correctamente.
Debido a ello, el individuoprogresivamente pierde la visiónde forma proa medida que lascélulas fotorreceptoras en lasretina degeneran.
Se ha conseguido obtener en ellaboratorio células fotorreceptorasde la retina a partir de célulasmadre embrionaria.
Tras inyectar estas células en elojo, se ha comprobado quepermanecen unidas en la retina.
APLICACIÓN: Uso terapéutico de células madreDP
IMAGEN: www.thelancet.com
A finales de 2014 se publicaron los primeros datos en el mundo de un ensayocon esta terapia celular, donde se demostraba la primera evidencia de laseguridad y la tolerabilidad de los trasplantes de células madre embrionariashumanas en humanos a largo plazo.
Sus resultados demostrabanque la terapia celular,empleada en 18 pacientescon pérdida severa de lavisión por distintas formas dedegeneración macular, erasegura 3 años después deltrasplante; además, eltratamiento logró restaurarparte de la visión en más dela mitad de los pacientes.
El Web4 de los recursosonline es una entrevista de10 min. al Profesor RobertLanza, investigador principal.
Web3
El tratamiento de la leucemia es un ejemplo de uso terapéutico decélulas madre adultas.
La leucemia es un cáncer de los glóbulos blancos, siendo el tipo de cáncermás común en niños. En personas con leucemia, la médula ósea producecantidades anormales de glóbulos blancos, que infiltran la médula ósea,impidiendo la producción de las restantes células normales.
APLICACIÓN: Uso terapéutico de células madreDP
Video4
Su tratamiento consisteen destruir mediantequimioterapia las célulasen la médula ósea queproducen este númeroexcesivo de glóbulosblancos.
Sin embargo, la médula ósea es necesaria, ya que contiene las célulasmadres hematopoyéticas a partir de las que se generan las célulassanguíneas, por lo que una vez que el paciente se ha recuperado deltratamiento, células madre adultas de la médula ósea de un donantecompatible son transplantadas para reemplazar a la médula óseaelomianda y producir células sanguíneas saludables.
Video5
APLICACIÓN: Uso terapéutico de células madreDP
Dimensión Internacional del uso de células madreDP
La investigación con células madre ha dependido del trabajo de equiposde científicos de muchos países que comparten sus resultados, eincrementan, de este modo, la celeridad del progreso común.
Sin embargo, los gobiernos nacionales se ven influidos por lastradiciones locales, culturales y religiosas, las cuales condicionanenormemente el trabajo de los científicos y la aplicación terapéutica delas células madre.
NATURALEZA CIENCIAS: Implicaciones éticas
de la investigaciónDP
La investigación con células madre hasido muy controvertida, dado que lasinvestigaciones que implican elcultivo de células madre estácreciendo en importancia y suscitacuestiones éticas.
Parte de la población considera lainvestigación con célula madre comouna práctica que incumple las reglasbioéticas, dado que el uso de célulasmadre embrionarias implica la muertedel embrión en un estadio temprano.
Sin embargo, hay que tener en cuentaque existen diferentes fuentes decélulas madre, no solo embrionarias,por lo que la ética asociada a suinvestigación es diferente.
APLICACIÓN: Aspectos éticos uso diferentes células madreDP
Las células madre pueden obtenerse de diversas fuentes, como son losembriones obtenidos para tal fin, la sangre del cordón umbilical de un bebéneonato, y los propios tejidos de un adulto.
Estas células madre difieren en sus propiedades y por tanto, en su potencialpara uso terapéutico, al igual que en los aspectos éticos relativos a su uso.
Células madre embrionarias Células madre cordón Células madre adulto
Su obtención es fácil, estandoregulada y depende de cada país.
Fáciles de obtener yalmacenar.
Difíciles de obtener al haberpocas y de difícil acceso.
Puede diferenciarse en cuaquiertejido.
Capacidad limitada dediferenciación, solo encélulas sanguíneas.
Capacidad limitada dediferenciación en tejidosconcretos.
Probabilidad de rechazoinmunológico al haber diferenciasgenéticas entre donanate yreceptor.
No hay problemas derechazo inmunológico.
No hay problemas de rechazoinmunológico.
Riesgo de convertirse en célulastumorales.
Menor probabilidad que lasembrionarias de desarrollarun tumor maligno.
Menor probabilidad que lasembrionarias de desarrollarun tumor maligno.
El embrión muere al extraerlas. El cordon umbilical esdesechado aunque no seobtengan.
El individuo no se ve afectadoal extraerlas.
El principal aspecto ético del uso de la investigación con células madre es eluso de las embrionarias. ¿Cuándo comienza la vida de una persona?
Algunos consideran que la vida humana comienza en el momento de lafertilización. Otros científicos consideran al embrión como un grupo decélulas y que la vida como humano, solo empieza cuando comienza a latir elcorazón. Por último, hay quienes mantienen que la vida humana comienzacuando el feto es capaz de vivir por si mismo fuera del útero materno.
En cualquier caso, tambiénhay que considerar losargumentos a favor del usode células madreembrionarias, dado quetienen el potencial de curarenfermedades que sonincurables en la actualidad,aliviando el sufrimiento deestas personas.
APLICACIÓN: Aspectos éticos uso diferentes células madreDP
