Biología Integrada ILa Célula y la Vida

Biología Integrada ILa Célula y la Vida

Copyright 2008 © W. H. Freeman and Company

Oscar N. Ruiz, Ph.D.Oscar N. Ruiz, Ph.D.

Qué es vida? Cuales son los dos tipos de celular?Cuales son las diferencias entre procariotas y eucariotas a nivel celular?Cuales son las diferencias entre procariotas y eucariotas a nivel molecular?Por que la reproducción sexual?Cuales son los tres polímeros principales de la célula?Las mutaciones son beneficiosas o adversas?

La célula

Todo los organismos vivos están formados por células.

Unicelulares

Multicelulares

Hay dos tipos de célula

Procariótica = no tiene organelos rodeados por membranas dobles (1µm).

Eucariótica = tienen organelos rodeados por membrana (20 µm).

Puntos importantesSimbiontes microbianos han sido los mayores propulsores de la

evolución en los organismos complejos.

Endosimbiosis: es la simbiosis en la cual un huésped usualmente bacteriano vive dentro de un hospedero, representando el contacto mas intimo entre organismo. Endo=dentro; sim=juntos; biosis=viviendo

Simbiosis: relacion ecologica cercana entre individuos de dos especies.

La mitocondria y el cloroplastos son el resultado de eventos endosimbiontes. Probablemente los flagelos y cilios.

Transmisión de endosimbiontes mayormente por línea materna

Origen de la Célula Eucariota

Dos hipótesis:

– Fusión de una arquea y una eubacteria• Solo dos dominios celulares• Modelo de Endosimbiosis sencilla

– Fusion entre una arquebacteria y alfa-proteobacteria

• Modelo de endosimbiosis serial– El núcleo formado por la simbiosis de una bacteria

(espiroqueta) dentro de una arquea– Evento pre-mitocondrial

– Existencia de una célula eucariota primitiva• Tres dominios celulares (eucaria, arquea, bacteria)

Escala de Tiempo

Edad de la tierra 4,500 millones de años

Arqueas: ~4,000 millones de años– Fósil de un organismo: 3.5 billones de años

Origen de las cianobacterias: 2,800 – 3,400 millones de años– autótrofos– Atmósfera de oxigeno a 2.4 billones de años

Fósil eucariota: 2,000 millones de años– Posible evolución desde 2,700 millones de años– Pre-mitocondria: ~1,800 millones de años– ά-proteobacteria como endosimbionte: ~1,800 millones de años

Hipótesis de la fusión de una arquea y una bacteria

Proteínas de eucariotas se conglomeran con:– Arquebacterias: transcripción y traducción– Eubacterias: metabolismo

Modelo de endosimbiosis serial:– Giardia: no posee mitocondria, surgió en una edad muy

temprana y se separo de la filogenia eucariota al comienzo del arbol

• Amitocondriado primario– Mitocondria acurre luego del aumento en oxigeno

atmosferico

Hipótesis de la Célula Eucariota Primitiva

El núcleo es un endosimbionte con genes de bacteria y arquea debido a transferencia lateral– Formado por endosimbionte de arquea o bacteria

La célula huésped no era una bacteria– Tenia sistema membranoso

• producción de azucares y lípidos

• Receptores en la membrana citoplasmática

– Citoesqueleto (actina, tubulina, otros)• Fagocitosis

Procariotas no pueden fagocitar – Membranas y pared celular muy rígidas

Célula eucariota primitiva:

– Material genético era RNA

– Contiene RNA polimerasa dependiente de RNA

– Mecanismo de protección RNA de interferencias en eucariotas modernos

– Retro-transcripción

– Procesamiento del RNA (gene splicing)

– Mayor plasticidad del genoma– Retro-transposones

Puntos adicionales de soporteProcariotas perfeccionaron la producción de ATP

– Gradiente de protones en la membrana

Eucariotas perfeccionaron la interacción de proteínas del citoesqueleto con la membrana (traducción de señales)– Moduladas por calcio, calmodulin, fosfotidilinositol, otros

No se han identificado arqueas que puedan cargar un endosimbionte– exclusivo de los eucariotas (múltiples ejemplos recientes)

Presencia de eucariotas amitocondriados

No hay etapas evolutivas que demuestren la transición de una endosimbiosis de una proteobacteria en una arquea

Evolución del cloroplastoEndosimbiosis primaria de una cianobacteria por la célula

eucariota

~18% de los genes en plantas provienen de las cianobacterias– Muchos de estos genes se utilizan en varias funciones de las plantas

fuera del cloroplasto– Los genes del pre-plastidio fueron retenidos, transferidos al núcleo y

algunos perdidos– Proceso de transferencia de genes:

• Duplicación de los genes• Producción de gen funcional en el núcleo que se expresa en el citosol• Desarrollar secuencia de envió al cloroplasto• Genes cruciales de fotosíntesis y transporte de electrones se mantienen en

el cloroplastos

Muchos organismos han evolucionado de las plantas pero no tienen cloroplastos fotosintéticos.

Endosimbiosis Primaria

Endosimbiosis secundariaTransferencia lateral de cloroplastos entre linajes eucarioticos

– Explica la presencia de cloroplastos en protistos

– Ocurrió en protozoarios (ej. ameba) fagotróficos cuando absorbió un alga

– los cloroplastos derivados de endosimbiosis primaria:• Tienen dos membranas de la bacteria absorbida

– los cloroplastos derivados de endosimbiosis secundaria:• Tienen tres a cuatro membranas

• Algunos mantienen núcleos y citoplasmas vestigiales entre las membranas

• Nucleoformo entre la segunda y tercera membrana– Contiene ADN y su membrana nuclear– Citoplasma contiene sus propios ribosomas

• La cuarta membrana proviene del hospedero al engolfar

Endosimbiosis secundaria

ComentariosAl retener una alga unicelular como endosimbionte, la ameba

fagotrófica ha adquirido la habilidad de fotosintetizar.

El núcleo y citoplasma vestigial del endosimbionte se retuvo probablemente para mantener la función y reproducción del cloroplasto.

El genoma nuclear del endosimbionte es una versión compacta del genoma original solo con los genes necesarios para la función y control del cloroplasto.

Endosimbiosis recientesEstas endosimbiosis han surgido en los pasados 10 a 200

millones de años.

Endosimbiontes mutualistas producen el 15% de los nutrientes de muchos insectos.– Necesarios para reproducción y supervivencia

– Bacteriocito o micetocito: células hospederas– Estos genomas citoplasmáticos son análogos a los organelos– Son heredados por línea materna– Co-evolucionaron con su hospedero– Mutaciones son acumuladas mas rápidamente– Se reduce grandemente el tamaño del genoma y su composición de

codones– Ocurre perdida de genes y depende del hospedero para sobrevivir

• Perdida de funciones regulatorias y para responder a su ambiente

Características de la Célula

Material genético

– Procariotas: una molécula de DNA circular – Eucariotas: Múltiples cromosomas en el núcleo

Citoplasma: llena el interior de la célula

Membrana plasmática: encierra la célula

Teoría Celular

Todos los organismos están compuestos por células

La célula es la unidad viva mas pequeña

Las células se forman por la división de células pre-existentes

Tamaño de la Célula

Las células son pequeñas porque a medida que aumenta su tamaño su volumen aumenta mucho mas rápido.

– Aumenta el tiempo que toma la difusión

Visualización de la Célula

Resolución – la distancia mínima a la cual dos puntos pueden ser distinguidos como puntos separados – Microscopio compuesto – magnifica en etapas usando múltiples lentes.– Microscopio de transmisión de electrones- electrones son transmitidos a través de la muestra– Microscopio de rastreo de electrones - electrones son enviados contra la superficie de la muestra

Visualización de la Célula

La célula eucariótica

Todo los organismos vivos están formados por células.

Unicelulares

Multicelulares

Hay dos tipos de célula

Procariótica = no tiene organelos rodeados por membranas dobles (1µm).

Eucariótica = tienen organelos rodeados por membrana (20 µm).

Citoplasma

Es el material gelatinoso que encontramos dentro de la célula.

El citoplasma contiene los organelos y el citosol.

Citosol es la parte líquida.

La membrana celular

Las funciones de la membrana celular:

– Contener los componentes celulares– Regula el paso de sustancias hacia

dentro y fuera de la célula– Ayuda a mantener la forma de la

célula– Para comunicación con otras células

La membrana celular está compuesta por:

– una doble membrana de fosfolípidos– Proteínas

• Periferales (20 – 30%)• Integrales (70- 80%)

– Por cadenas de carbohidratos (oligosacáriodos, glucolípidos)

– Esteroides (colesterol, hopanoides)

Membrana Plasmática

Está compuesta por:– Fosfolípidos: son

moléculas anfipáticas, que se componen de:

• Un extremo polar (etanolamina)

• Un grupo fosfato• Glicerol• Ácidos grasos

El núcleo

El núcleo es el que controla el funcionamiento de la célula.Es una estructura esférica, que tiene un tamaño de 5µm.Está rodeado por la membrana nuclear.

– La membrana nuclear tiene unos poros que permite el movimiento de moléculas hacia el citoplasma

•Nucleolo•Cromosomas = están formados de DNA y contienen la información genética.

Cromosomas

El DNA en eucariótas está dividido en cromosomas lineales

– Existen como cromatina la mayor parte del tiempo– DNA asociado a histonas para formar el nucleosoma

Citoesqueleto

Red de fibras de proteínas que le dan la forma a la célula

– Filamentos de actina• Movimiento celular

– Microtúbulos• centríolos

– Filamentos intermedios

Citoesqueleto

Retículo endoplásmico

Hay 2 clases de retículo endoplásmico (RE).

– Rugoso = contienen los ribosomas y está envuelto en la síntesis de proteínas.

• Ribosomas = es donde ocurre la síntesis de proteínas. Están compuesto de RNA y proteínas.

– Liso = Es donde ocurre la síntesis de lípidos y también se encarga de la detoxificación de drogas. Aquí también se lleva acabo modificaciones químicas de las proteínas como lo son:

• glucosilaciones sencillas

• Enlaces disulfiros

Aparato de Golgi

Tiene la forma de un grupo de sacos, que son formados por membranas.Su función principal es la secreción de proteínas y lípidos.En este organelo las proteínas pueden sufrir modificaciones químicas complejas:

– Glucosilación– Lipoproteínas (una

proteína y un ácido graso)

Endosimbiosis

Teoría del Endosimbionte: sugiere que células procarióticas fueron engolfadas por células eucarióticas primitivas. El hospedero obtuvo grandes ventajas relacionadas a actividades metabólicas especializadas

Mitocondria

Es donde se lleva a cabo la respiración celular (ATP).

Tiene un tamaño de 2-8 µm.

Está formado por una doble membrana.

Mitocondria y Su Genoma

Es donde se lleva a cabo la respiración celular (ATP).

Tiene un tamaño de 2-8 µm.

Tiene un pequeño genoma

Célula Vegetal

Célula vegetal

La célula vegetal contiene unos organelos que no están presente en la célula animal.

– Cloroplasto = es donde se lleva a cabo la fotosíntesis

• Usa el CO2 para formar glucosa

Célula vegetal

La célula vegetal contiene unos organelos que no están presente en la célula animal.

– Pared celular está formada por celulosa y es una estructura rígida.

– Cloroplasto = es donde se lleva a cabo la fotosíntesis

• Usa el CO2 para formar glucosa

– Vacuola = se usa para almacenaje y transporte de sustancias. Este organelo está presente también en animales pero es de menor tamaño.

Cloroplasto

Vacuola

leucoplasto

La célula procariota

Pared Celular

La pared celular ayuda a mantener la forma de la bacteria y a evitar daño por la presión osmótica.

Esta estructura está presente en las células procariota y eucariota.

– Célula vegetal --- celulosa– Hongo --- quitina– Bacteria --- peptidoglícano

Célula Procariótica

El organismo mas simple• No tiene compartimientos

–gram-positivo–gram-negativo

»Susceptibilidad de la bacteria a antibióticos depende de la estructura de la pared celular.»Pared celular rígida de peptidoglícano

Estructuras formadas por la membrana

Mesosomas = son estructuras envueltas en el transporte de electrones, formación de la pared celular, septos, etc.Vacuola de gas = ayuda a que las bacterias puedan flotar. (Ej. Cianobacterias, Halobacterium) Vesículas fotosintéticasCarboxisomas = contiene ribulosa-1,5-bifosfato de carboxilasa que ayuda a la fijación de CO2. Cuerpos de inclusión = sirven para almacenar sustancias. (Glucógeno)

Cromosomas

El DNA en eucariota está dividido en cromosomas lineales

– Existen como cromatina la mayor parte del tiempo– DNA asociado a histonas para formar el

nucleosoma

Raven, J., Johnson,G., Singer, S., and Losos, G. 2004. Biology. 7 Edition. McGraw-Hill Science.

http://biotech-adventure.okstate.edu/low/teacher/basics/chromosome/index.htm

Dogma Central de la Expresión Genética

Raven, J., Johnson,G., Singer, S., and Losos, G. 2004. Biology. 7 Edition. McGraw-Hill Science.