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1. TEORÍA CELULAR

La idea de que los seres vivos están constituidos por células y que cada una de ellas proviene de otra anterior, es relativamente reciente. Es en la segunda mitad del siglo XIX cuando se enuncia por vez primera la teoría celular.

Su formulación fue posible gracias a la invención de instrumentos adecuados para lograr el aumento suficiente para hacer visible las células. En un primer momento fueron lentes simples superpuestas, más tarde surgió el microscopio óptico y por último el microscopio electrónico. No obstante, después de las primeras observaciones, tendrían que transcurrir casi dos siglos hasta que fuera enunciada la Teoría Celular.

Los principales científicos relacionados con el descubrimiento de la célula y el enunciado de la Teoría Celular fueron:

Robert Hooke, observó una muestra de corcho bajo el microscopio, Hooke no vio células tal y como las conocemos actualmente, él observó que el corcho estaba formado por una serie de celdillas de color transparente, ordenadas de manera semejante a las celdas de una colmena, las denominó “cells”. Hoy sabemos que el corcho es un tejido muerto, donde las células han desaparecido dejando únicamente su pared celular impregnada de suberina.

Anton Van Leeuwenhoek, comerciante de telas y aficionado a las lentes, desde 1674 hasta su muerte realizó numerosas observaciones de organismos microscópicos, usando unos microscopios simples construidos por él mismo. Fue el precursor de la biología experimental, la biología celular y la microbiología.

El médico Robert Brown, en un artículo científico que publicó en 1833, dio nombre al núcleo de las células eucariotas. El núcleo ya había sido observado antes, quizá ya en 1682 por Anton van Leeuwenhoek, pero Brown fue quien le dio el nombre que lleva hasta la actualidad.

PROGRAMACIÓN:

BLOQUE II. ¿CÓMO SON Y CÓMO FUNCIONAN LAS CÉLULAS? ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR Organización y fisiología celular

1. Teoria celular. 2. Celula procariotica y eucariotica. Diversidad celular. Origen evolutivo de las celulas. 3. Celula eucariotica. Componentes estructurales y funciones. Importancia de la compartimentacion celular. 3.1. Membranas celulares: composicion, estructura y funciones. 3.2. Pared celular en celulas vegetales. 3.3. Citosol y ribosomas. Citoesqueleto. Centrosoma. Cilios y flagelos. 3.4. Organulos celulares: mitocondrias, peroxisomas, cloroplastos, reticulo endoplasmatico, Complejo de Golgi, lisosomas y vacuolas. 3.5. Nucleo: envoltura nuclear, nucleoplasma, cromatina y nucleolo. Niveles de organizacion y compactacion del ADN. 4. Celula eucariotica. Funcion de reproduccion. 4.1. El ciclo celular: interfase y division celular. 4.2. Mitosis: etapas e importancia biologica. 4.3. Citocinesis en celulas animales y vegetales. 4.4. La meiosis: etapas e importancia biologica. 5. Celula eucariotica. Funcion de nutricion. 5.1. Concepto de nutricion. Nutricion autotrofa y heterotrofa. 5.2. Ingestion. 5.2.1. Permeabilidad celular: difusion y transporte. 5.2.2. Endocitosis: pinocitosis y fagocitosis. 5.3. Digestion celular. Organulos implicados. 5.4. Exocitosis y secrecion celular. 5.5. Metabolismo. 5.5.1. Concepto de metabolismo, catabolismo y anabolismo. 5.5.2. Aspectos generales del metabolismo: reacciones de oxidorreduccion y ATP. 5.5.3. Estrategias de obtencion de energia: energia quimica y energia solar. 5.5.4. Caracteristicas generales del catabolismo celular: convergencia metabolica y obtencion de energia. 5.5.4.1. Glucolisis. 5.5.4.2. Fermentacion. 5.5.4.3. s-oxidacion de los acidos grasos. 5.5.4.4.- Respiración aeróbica. Ciclo de Krebs, cadena respiratoria y fosforilación oxidativa

2. CÓMO SON Y CÓMO FUNCIONAN LAS CÉLULAS.

ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR

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Dos científicos alemanes, Theodor Schwann, histólogo y fisiólogo, y Jakob Schleiden, botánico, asentaron el primer y segundo principio de la Teoría Celular:

"Todos los seres vivos están formados por células”, es decir, la célula es la unidad morfológica de todos los seres vivos.

"La célula es la unidad básica de organización de la vida". Significa que la célula es la unidad fisiológica de todos los seres vivos.

Otro alemán, el médico Rudolf Virchow, explicó lo que debemos considerar el tercer principio:

"Toda célula se ha originado a partir de otra célula, por división de esta". El principio lo popularizó Virchow en la forma de un aforismo creado por François Vincent Raspail, «omnis cellula e cellula».

La teoría celular fue debatida a lo largo del siglo XIX, pero fue Louis Pasteur el que, con sus experimentos sobre la multiplicación de los microorganismos unicelulares, dio lugar a su aceptación rotunda y definitiva.

Sólo un tipo de célula “incumplía” la Teoría celular, las neuronas, al considerarse que en el tejido nervioso estas células formaban una especie de red, careciendo de individualidad.

Santiago Ramón y Cajal, a principios del siglo XX, logró universalizar teoría celular, al demostrar que el tejido nervioso está formado por células individuales. Pudo demostrarlo gracias a las técnicas de tinción de su contemporáneo Camilo Golgi. Ambos recibieron por ello el premio Nobel en 1906.

2. CÉLULA PROCARIÓTICA Y EUCARIÓTICA

Desde el punto de vista de su organización, existen dos tipos celulares:

Células procarióticas, con su material genético disperso en el citoplasma y no rodeado por una envoltura nuclear.

Células eucarióticas, con el material genético rodeado por una envoltura nuclear, formando una estructura denominada núcleo.

Dependiendo del tipo celular y del momento de su ciclo vital, existe una gran diversidad de tamaños y

formas celulares. Las procarióticas suelen medir entre 0,5 (= micra= 10-3 mm) y 2, mientras que las

eucariotas tienen un tamaño medio de 5 a 20

En cuanto a la forma, es tan variada como las funciones diferentes para las que se especializan los distintos tipos celulares: esféricas, como los adipocitos; con prolongaciones como las neuronas; bicóncavas, como los eritrocitos, etc.

ADIPOCITOS

Izquierda: microscopía electrónica de barrido.

Derecha: microscopía óptica

NEURONAS

Izquierda: microscopía electrónica de barrido.

Derecha: microscopía óptica

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2.1. ESTRUCTURA CELULAR

En todas las células hay tres componentes fundamentales: Membrana plasmática, citoplasma y material genético.

2.1.1. ESTRUCTURA DE LA CÉLULA PROCARIÓTICA

La mayoría de las células procarióticas presentan, además de los tres componentes esenciales citados anteriormente, una pared celular que las recubre externamente. Algunas presentan, además, otra protección por fuera de la pared celular, denominada cápsula.

Por otra parte, algunas tienen flagelos, que utilizan en la locomoción, y muchas presentan unas prolongaciones huecas llamadas fimbrias y pili.

En resumen:

COMPONENTES DE LA CÉLULA PROCARIOTA

DESCRIPCIÓN FUNCIONES

CÁPSULA* Acumulación de material mucoso,

situada externamente respecto de la pared celular.

Protege a la célula frente a la defensas antimicrobianas (anticuerpos y

fagocitosis).

PARED CELULAR Envoltura rígida, formada

principalmente por mureína. Mantiene la forma de la célula y la

protege del “estallido” por turgencia.

MEMBRANA CELULAR Bicapa de fosfolípidos (en la que no

hay colesterol) a la que se unen proteínas y glúcidos.

Controla el intercambio de sustancias entre la célula y el medio que la rodea.

CITOPLASMA

Citosol formado por una disolución coloidal.

Sin orgánulos membranosos.

Contiene ribosomas 70s s.

En él se llevan a cabo importantes rutas metabólicas como la glucolisis y las

fermentaciones.

En los ribosomas se sintetizan las proteínas.

MATERIAL GENÉTICO

ADN bicatenario y circular, disperso en una zona del citoplasma

denominada nucleoide.

Además, puede haber pequeños ADN también bicatenarios y

circulares llamados plásmidos.

El ADN principal contiene la información genética con las instrucciones para la

síntesis de todas las proteínas celulares.

Los plásmidos contienen información accesoria para la vida de la célula.

FLAGELOS*

Estructuras filiformes muy largas. Su número es muy variable y

característico de las diferentes especies de bacterias.

Locomoción

FIMBRIAS* Prolongaciones finas y huecas.

Muy cortas.

Sirven para que la célula se adhiera al sustrato.

PILI* Prolongaciones finas y huecas.

Algo más largas que las fimbrias.

Intervienen en fenómenos parasexuales (de intercambio genético, no

reproductivos) entre diferentes bacterias.

*Estos componentes no aparecen en todas las células procarióticas.

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2.1.2. ESTRUCTURA DE LA CÉLULA EUCARIÓTICA

La célula eucariota presenta un núcleo bien diferenciado, separado del citoplasma por una envoltura nuclear

derivada del retículo endoplasmático.

El citoplasma presenta tres tipos de orgánulos: sin membrana, con membrana simple y con membrana

doble.

COMPONENTES DE LA CÉLULA EUCARIOTA FUNCIÓN CÉLULA ANIMAL

CÉLULA VEGETAL

ENVOLTURAS CELULARES

MEMBRANA PLASMÁTICA

Regula el paso de sustancias entre el interior y el exterior de

la célula. SI SI

PARED CELULAR

Mantiene la forma de la célula y evita su rotura a

consecuencia der la presión osmótica.

NO SI

CIT

OP

LASM

A

CITOSOL Contiene los orgánulos y en él se realizan algunos procesos

metabólicos como la glucolisis SI SI

OR

GÁ

NU

LOS

SIN

MEM

BR

AN

A

FORMADOS POR MICROTÚBULOS

CITOESQUELETO Da forma a la célula y sostiene

los orgánulos. SI SI

CENTROSOMA Origina las demás estructuras formadas por microtúbulos.

SI SI (sin

centriolos)

CILIOS Y FLAGELOS Desplazan la célula o crean

corrientes en el medio. SI/NO NO

NO MICROTUBULARES

RIBOSOMAS Realizan la síntesis de proteínas SI SI

ORGÁNULOS CON MEMBRANA SIMPLE

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO

RUGOSO

Sintetiza, almacena y transporta proteínas. Firma la

envoltura nuclear. SI SI

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO LISO

Sintetiza, almacena y transporta lípidos.

SI SI

APARATO DE GOLGI Completa la síntesis de las

proteínas. Da lugar a los lisosomas.

SI SI (poco

desarrollado)

VACUOLAS

En la c. vegetal controla la presión osmotica.

Almacena lípidos u otros compuestos en la c. animal.

SI (pequeñas

y numerosas

SI (grandes y escasas)

LISOSOMAS Contienen enzimas digestivas. SI SI (pocos) PEROXISOMAS Contienen enzimas oxidasas. SI SI

ORGÁNULOS CON MEMBRANA DOBLE

MITOCONDRIAS Realizan la respiración celular y la oxidación de ácidos grasos.

SI SI

CLOROPLASTOS Realizan la fotosíntesis NO SI

NUCLEO

ENVOLTURA NUCLEAR Controla el paso de sustancia

entre nucleoplasma y citoplasma.

SI SI

NUCLEOPLASMA En él se realiza la transcripción. SI SI

CROMATINA Contiene la información

genética. SI SI

NUCLEOLO(S) Forma el ARN de los ribosomas. SI SI

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Esta imagen corresponde a una célula procariota hipotética que presentase todos los posibles componentes simultáneamente.

Se trata únicamente de una representación, ya que, lo normal es que si la célula tiene cápsula, no presente flagelos ni fimbrias ni pili.

La línea de puntos que aparece en el flagelo, indica que la longitud del mismo sería, en la mayoría de los casos, muy superior a la del dibujo.

Esta representación de la célula vegetal se ha realizado sin respetar la escala real, de modo que el tamaño de algunos orgánulos, como el complejo de Golgi, está aumentado y el número de otros, como cloroplastos, ribosomas y mitocondrias, se ha reducido para mejorar la claridad de la imagen.

También, a la hora de interpretar esta imagen, deben tenerse en cuenta las modificaciones que suelen permitirse en los dibujos que ilustran los textos científicos.

En estos casos, el rigor científico se puede sacrificar en favor de una finalidad más didáctica.

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2.2. ORIGEN EVOLUTIVO DE LAS CÉLULAS

No se sabe con exactitud cuándo o cómo apareció la primera célula viva. Parece ser que las primeras células surgieron mediante el autoensamblaje espontáneo de moléculas simples.

La primera hipótesis con base científica acerca del origen de la vida fue propuesta por A. I. Oparin y J. B. Haldane, quienes postularon que la aparición de la vida fue

precedida por un período de evolución química. Probablemente, no había oxígeno libre y los elementos mayoritarios que forman parte de todos los seres vivos (hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno) estaban disponibles en al aire o en el agua. La energía abundaba en forma de calor, rayos, radiactividad y radiación solar. En estas condiciones se habrían formado sistemas moleculares de complejidad creciente. La evolución

química habría sido seguida por la evolución prebiológica de aquellos primitivos sistemas moleculares

En 1953, el experimento de Stanley Miller demostró que es posible la formación espontánea de sustancias orgánicas a partir de moléculas inorgánicas simples.

Cualquier forma ancestral de vida tuvo que evolucionar a partir de las modificaciones en un “código de instrucciones” que pudiera ser copiado y transmitido de generación en generación. La idea más aceptada es que el ARN fue la primera molécula autorreplicable que realizó las funciones que tiene el ADN en las células actuales.

Hay evidencias de que la vida ya existía hace unos 3.800 millones de años, pero los fósiles más antiguos que se han encontrado (semejantes a las bacterias actuales) tienen una antigüedad de 3.500 millones de años.

Algunos científicos consideran que hasta las formas de vida más simples son demasiado complejas para haberse originado en la Tierra y proponen que la vida provino del espacio exterior.

Otras hipótesis plantean que lo que provino del espacio es la materia orgánica que, posteriormente, dio lugar a la aparición de la vida en la Tierra.

El siguiente paso es la evolución biológica de estos primeros seres vivos:

Muchos científicos sostienen que las primeras células vivas fueron heterótrofas y se alimentaban mediante la fermentación de la abundante materia orgánica existente en el medio.

Al disminuir los recursos, la competencia aumentó y aparecieron las primeras células fotoautótrofas, capaces de sintetizar su alimento. Estas células debían obtener la materia orgánica mediante una fotosíntesis anoxigénica de modo similar a las actuales bacterias fotosintéticas.

El paso evolutivo siguiente pudo ser la aparición de las cianobacterias, capaces de realizar una fotosíntesis oxigénica que tuvo como consecuencia la transformación de la atmósfera reductora en oxidante y la subsiguiente formación de la capa de ozono protectora de la radiación ultravioleta.

Gracias a la presencia de oxígeno en la atmósfera se pudo desarrollar un nuevo tipo de organismos, los heterótrofos aerobios, con un metabolismo más eficiente desde el punto de vista energético: la respiración.

Por último, se cree que, al mismo tiempo que los anteriores, aparecieron los organismos quimioautótrofos, capaces de sintetizar materia orgánica mediante quimiosíntesis, usando la energía obtenida en reacciones de oxidación-reducción.

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Paralelamente a la evolución metabólica, se produjo la evolución celular. El registro fósil revela que los primeros organismos vivos eran células semejantes a los procariontes actuales. Estas células fueron las únicas formas de vida en nuestro planeta durante casi 2.000 millones de años, hasta que aparecieron los eucariontes.

Según la teoría endosimbiótica, algunos orgánulos eucarióticos, especialmente las mitocondrias y los cloroplastos, fueron en tiempos pasados bacterias de vida libre que luego se alojaron dentro de otras células. La similitud entre el ADN, las enzimas, los ribosomas y la forma de reproducción de estos orgánulos y las bacterias apoyan esta teoría.

La teoría endosimbiótica postula que, hace aproximadamente 2.500 millones de años, cuando la atmósfera era ya rica en oxígeno proveniente de la actividad fotosintética de las cianobacterias, ciertas células procariontes habrían comenzado a utilizar este gas en sus procesos metabólicos, obteniendo estas células aeróbicas una gran ventaja que les hizo prosperar y proliferar.

En algún momento, estos procariontes aeróbicos habrían sido fagocitados por células, también procariontes, de mayor tamaño, sin que se produjera una digestión posterior, sino una asociación simbiótica: los pequeños huéspedes aeróbicos habrían hallado nutrientes y protección en las células hospedadoras, mientras que éstas obtenían beneficios energéticos de su hospedador. Así, células procarióticas aerobias originalmente independientes se habrían transformado en las actuales mitocondrias. Algo similar ocurriría con procariontes fotosintéticos que se habrían transformado en cloroplastos.

Al comienzo todo este proceso, la membrana plasmática fue aumentando su superficie, invaginándose y formando estructuras membranosas internas como el retículo endoplasmático, a partir del cual se formó la envoltura nuclear que rodea al material genético. Así se formó el núcleo que caracteriza a las células eucarióticas.