Células - Ciencias con D. Germán

Células
1ª Parte: Teoría celular
Tema 13 de Biología NS
Diploma BI
Curso 2012-2014
Teoría Celular
Hasta el siglo XV se creía que los seres vivos estaban formados por una
sustancia que a su vez estaba formada por cuatro jugos.
El término célula fue acuñado por el
científico inglés Robert Hooke en 1665
(siglo XVII), al observar al microscopio
las “celdillas” cosntituyentes del corcho.
En 1674, el comerciante de telas
holandés,
A.
van
Leewenhoek,
describió que la sangre estaba formada
por diminutos glóbulos rojos que fluían a
lo largo de delgados capilares.
Vídeo1
Teoría Celular
En 1838 el botánico Schleiden y el zoólogo Schwann enunciaron el
postulado básico de la teoría celular, según la cual todos los seres vivos están
formados por células, a las que consideraron las unidades vitales
fundamentales.
Posteriormente, Virchow, entre otros,
establecieron que todas las células
proceden de otras preexistentes.
La teoría celular se basa en los
siguientes principios:
1. Todos organismos vivos están compuestos por células (unidad
estructural). Los organismos pluricelulares tienen células especializadas en llevar
a cabo diferentes funciones.
2. La célula es la unidad viva más pequeña (unidad fisiológica). Los
componentes celulares no pueden sobrevivir por sí solos.
3. Las células se forman a partir de otras células preexistentes. Cada célula
procede de la división de otra preexistente.
4. Cada célula contiene y transmite a la siguiente generación toda la
información hereditaria (unidad genética). Esta información es necesaria para
el control de su propio ciclo y el del desarrollo y funcionamiento de un organismo.
Evidencias de la teoría celular
En resumen, la teoría celular postula que la célula es la unidad funcional,
estructural y genética de los seres vivos.
¿Cuáles son las pruebas que sustentan esta teoría celular?
1. Todos organismos vivos están compuestos por células.
La observación al microscopio de las “celdillas”
constituyentes del corcho por Robert Hooke, y
las observaciones de esperma, “animáculos” y
de células sanguíneas por A. van Leewenhoek.
Evidencias de la teoría celular
2. La célula es la unidad viva más pequeña.
En 1838, Matthias Schleiden, un botánico
alemán, afirmó que los vegetales son agregados
de
seres
completamente
individualizados,
independientes y distintos, que son las células
mismas.
En 1839, el fisiólogo alemán Theodor Schwann
publicó las investigaciones microscópicas sobre la
concordancia de estructura y de desarrollo de los
animales y las plantas.
Evidencias de la teoría celular
3. Las células se forman a partir de otras células preexistentes.
A lo largo de los siglos XVIII y XIX la idea de la generación espontánea de la
vida persistía, hasta que Louis Pasteur la invalidó en 1864.
El científico judío
Robert Remak
descubrió
la
división
celular
al microsocopio
al
estudiar
embriones
de
pollo.
En 1856, después de
muchos años de dudas,
las ideas de Remak
fueron
popularizadas
por su colega alemán
Rudolf Virchow:
“Omnis cellula e cellula”
Evidencias de la teoría celular
4. Cada célula contiene y transmite a la siguiente generación toda
la información hereditaria (unidad genética).
La teoría cromosómica de la herencia
fue desarrollada independientemente en
1902 por Sutton y Boveri, y enuncia que
los alelos mendelianos están localizados en
los cromosomas.
En 1915 Thomas Morgan consiguió
que fuera universalmente aceptada
después de sus estudios realizados
en Drosophila melanogaster.
La teoría celular, el método científico y TdC
La teoría celular es un gran ejemplo del método científico. La acumulación de
pruebas hace posible que una hipótesis adquiera el rango de teoría, que una
teoría debe ser desechada cuando haya constancia de que no ofrece una
explicación completamente satisfactoria y cuáles son las pruebas necesarias
para que una teoría sea adoptada o rechazada.
Video2
Limitaciones y excepciones a la teoría celular
Las amebas (protistas) son
células únicas capaces de
realizar todas las funciones
vitales.
Los organismos unicelulares
se consideran acelulares, al
no estar formado por células
Las células musculares y las
hifas de los hongos son muy
alargas y multinucleadas.
Los virus ¿están
vivos o no? ¿Son
celulares
o
acelulares?
La existencia de
virus que infectan
a
otros
virus
(virufagos),
¿evidencia
que
están vivos?
Revista Nature
Los organismos unicelulares realizan todas las funciones vitales
Todos los organismos vivos llevan a cabo las funciones vitales, que los
diferencian de la materia inerte:
- Poseen metabolismo.
- Respuesta frente a estímulos.
- Homeostasis.
- Crecimiento.
- Reproducción.
- Nutrición.
Los organismos unicelulares llevan a
cabo todas estas funciones, mientras
que los pluricelulares poseen células
especializadas en llevar a cabo unas
funiones pero no otras.
Los virus son organismos acelulares,
porque no pueden llevar a cabo estas
funciones independientemente.
Tamaño relativo de las células y sus componentes
Los organismos unicelulares están formados por una única célula y por
tanto, no son visibles directamente al ojo humano.
Las moléculas que forman las células tienen un tamaño relativo en torno
a 1 nm, el grosor de las membranas celulares es de 10 nm, el tamaño de
los virus 100 nm, de las bacterias 1 µm, de los orgánulos celulares hasta
10 µm, y de la mayoría de las células hasta 100 µm.
No hay que olvidar la forma tridimensional de las células.
Vídeo3
Tamaño relativo de las células y TdC
Todas las entidades biológicas anteriores quedan fuera de nuestra capacidad
de percepción directa. Para observarlas debemos utilizar dispositivos
tecnológicos tales como el microscopio óptico o el electrónico.
¿Cabe hacer alguna distinción entre las afirmaciones de conocimiento
basadas en las observaciones realizadas directamente con los sentidos y las
basadas en las observaciones asistidas por medios tecnológicos?
Magnificación de una imagen
Para observar un objeto de tamaño inferior al
milímetro, debemos ampliarlo utilizando un
microscopio, de manera que la imagen observada no
está a tamaño real, sino magnificada.
Magnificación = Ocular · Objetivo
x400
=
x10
·
x40
Para conocer el tamaño real
de los objetos observados al
microscopio, hay que tener en
cuenta esta magnificación o
ampliación.
Web cellsalive.com
Magnificación de una imagen
Para calcular el número de aumentos de un dibujo y el tamaño real de
los especímenes representados en imágenes de las que se conozca el
número de aumentos, hay que realizar los siguientes cálculos:
longitud real de la escala
magnificación
Tamaño real
longitud real imagen
Longitud representa escala
magnificación
Tamaño real =
Magnificación =
Cálculo de la magnificación
Medida de la barra de escala
Lo que medimos
Barra de escala
Tamaño real muestra
magnificación:
Para calcular cuantas
veces
ha
sido
una
imagen
magnificada,
hay que tener en cuenta
que la barra de escala
representa el tamaño
real de la muestra en la
imagen.
Cálculo de la magnificación
Para calcular cuantas
veces
ha
sido
una
imagen
magnificada,
hay que tener en cuenta
que la barra de escala
representa el tamaño
real de la muestra en la
imagen.
Utilizar las mismas unidades:
Lo que medimos
Lo que representa
magnificación:
veces
Cálculo del tamaño real de una imagen magnificadaBI
Sólo hay que medir la
imagen y dividir dicho valor
entre la magnificación.
Utilizar las unidades más
apropiadas.
longitud real imagen
magnificación
Cálculo del tamaño real de una imagen magnificadaBI
Sólo hay que medir la
imagen y dividir dicho valor
entre la magnificación.
Utilizar las unidades más
apropiadas.
longitud real imagen
magnificación
Proporción superficie/volumen celular
Una de las funciones vitales de lo seres vivos es el crecimiento, y las células
como tales crecen. Sin embargo, ¿por qué las células u organimos unicelulares
tienen un tamaño microscópico? ¿Qué limita el tamaño de las células?
Las células tienen forma tridimensional,
teniendo por tanto un volumen interno y
una superficie de contacto con el exterior.
En la célula, el área superficial de la
membrana debe ser lo suficientemente
grande como para permitir la absorción de
nutrientes y oxígeno, así como para
excretar los productos de desechos.
Por otro lado, la necesidad de materiales
que tiene una célula está determinado/es
proporcional a su volumen.
La relación (ratio) área superficial (SA): Volumen (V) limita el tamaño
efectivo de las células.
A medida que el tamaño de un objeto, como una célula, aumenta, el área
superficial (4лr2) también aumenta, aunque a ritmo menor que lo hace el
volumen (4/3лr3).
Proporción superficie/volumen celular
Aún cuando las células no tienen formas parecidas a la de un cubo, los cálculos
matemáticos para determinar el volumen y el área superficial, son más simples
en un cubo que en otras formas, por lo que consideramos las células como
cubos.
El área superficial (SA) se calcula multiplicando lado x lado.
El volumen (V) es lado x lado x lado.
¿Cuál es la proporción área superficial/volumen de cada una
de estas células?
Volumen
SA
SA:V
Existe una relación inversa entre el tamaño de una célula y su ratio SA:V
Web esminfo.prenhall.com
Proporción superficie/volumen celular
¿Qué es mejor para una célula, poseer una alta o baja relación SA:V?
La membrana plasmástica es responsable del intercambio de sustancias con el
medio exterior. Las células de mayor tamaño (y menor SA:V) tienen
relativamente menor área superficial disponible, que una célula de menor
tamaño, para mantener el intercambio necesario a su volumen.
Beneficios de una alta relación SA/V:
1) La célula pueda funcionar más eficientemente, ya que por cada unidad de
volumen que requiere nutrientes o produce desechos, hay más superficie de
membrana disponible.
2) Las rutas de difusión se acortan, ya que las moléculas no tienen que viajar
tanto para entrar o salir de la célula, tardando menos tiempo y gastando
menos energía.
Proporción superficie/volumen celular
3) Los gradientes de concentración son más fáciles de generar, lo que hace
más eficiente el proceso de difusión (se necesita menos soluto para preparar
una disolución al 10% en un matraz de 100 mL que en un cubo de 10 L).
Por todo esto, los animales no poseen células más grande, sino más células
(pluricelulares).
Proporción superficie/volumen celular
Poseer una alta proporción SA:V no es
siempre una ventaja. Pequeños mamíferos
de sangre caliente pierden calor muy
rápidamente debido a su alta relación SA:V.
Necesitan comer casi constantemente.
Las plantas desérticas perderían
agua rápidamente con hojas
planas, por lo que minimizan su
relación SA:V con objeto de
conservar agua. Algunas plantas
cambian su metabolismo (plantas
CAM) para ahorrar agua.
¿Cómo maximizan los organismos su relación SA:V?
División celular: A medida que una
célula crece, llega un momento en el
que se divide. Dos células pequeñas
son más eficientes que una célula
grande.
Además, esto también permite la
diferenciación
celular,
la
especialización de funciones y una
vida pluricelular mucho más compleja.
Compartimentalización celular: Las células
utilizan membranas para llevar a cabo
procesos metabólicos. En eucariotas, se
denominan orgánulos. Los orgánulos, como la
mitocondria, presentan repliegues en su
membrana para maximizar el área superficial
para las reacciones.
¿Cómo maximizan los organismos su relación SA:V?
Plegamiento: Algunos órganos, como el intestino,
se pliegan maximizando su SA:V y haciendo la
absorción de los nutrientes más eficiente.
Las raíces son largas, y ramificadas, con pelos
radiclaes en las células que maximizan el área
superficial para la toma de agua.
Los alveólos son delgadas membranas que
maximizan la supercie para el intercambio gaseoso.
Grandes células como excepción
Existen bacterias gigantes con muchos
genomas.
E.coli tienen un tamaño de 2 micrómetros,
pero las bacterias Epulopiscum sp. Tienen
unos 300 micras de longitud.
Las algas del género Caulerpa
son en realidad una única
célula con muchos núcleos.
Sistemas Biológicos y propiedades emergentes
Los organismos pluricelulares presentan propiedades emergentes, es decir,
propiedades surgidas de la interacción entre las distintas partes componentes:
el todo es más que la suma de sus partes.
La
Ciencia
ha
sido
tradicionalmente reduccionista,
dividiendo
los
sistemas
complejos en sus partes que los
componen
con
objeto
de
determinar como funcionan.
En muchos sistemas complejos
se
generan
propiedades
emergentes, que son el producto
del conjunto de las relaciones
entre las partes, y que, como
decía
Aristóteles,
las
propiedades del todo generado
es mayor que la suma de las propiedades
individuales
de
dichos elementos que conforman
el sistema.
Los propiedades emergentes son visibles
en cualquier nivel de complejidad superior,
de los átomos a las moléculas, a las
células, a los organismos y a la biosfera.
Sistemas Biológicos, propiedades emergentes y TdC
Observando al sistema en conjunto, podemos decir que un organismo es más
que la suma de sus partes. Sólo cuando la combinación específica de
moléculas y rutas bioquímicas tiene lugar, la habilidad para realizar la
respiración celular emerge (esquema adjunto).
TdC: La vida misma puede ser considerada como una propiedad emergente.
¿Cómo el fallo de uno o más sistemas provoca la muerte de un organismo?
En este sentido, existen problemas relacionados con las decisiones médicas que
implican determinar la muerte.
Sistemas Biológicos y propiedades emergentes
Cuando separamos un sistema complejo
en las piezas que lo componen, cada una
de
ellas
parace
ser
más
simple.
Combinadas pueden realizar una nueva
función en conjunto.
orgánulos
Núcleo, mitocondria, ribosomas,...
células
Células musculares
tejidos
Músculo cardíaco
órganos
corazón
sistemas
Sistema circulatorio
organismos
mamífero
Sistemas Biológicos y propiedades emergentes
¿Qué hacen los componentes de un reloj de
manera indivuidual?
¿Qué hacen cuando se colocan juntas de
forma adecuada?
Este es un ejemplo de
propiedades emergentes: El
conjunto es más que la
suma de sus partes.
Una analogía usada en
Evolución es la del relojero
ciego.
Después de millones de años e infinitas
mutaciones y combinaciones, es inevitable que
estructuras más complejas puedan emerger.
No hay ningún diseño inteligente en la evolución,
tan sólo que las mutaciones beneficiosas en un
ambiente particular permitirán al organismo
sobrevivir y reproducirse.
Diferenciación celular
Los organismos pluricelulares
póseen células que llevan a cabo
funciones diferentes, es decir,
células
especializadas
que
adquieren
una
determinada
forma para llevar a cabo una
determinada función.
Un grupo de células especializadas constituyen un tejido. Ejemplos de
células diferenciadas en animales son células intesinales, células hepáticas,
musculares, neuronas, etc.
Diferenciación celular
Todas las células de un organismos poseen los
mismos genes en su núcleo.
Las células se diferencian a partir de células
madre durante el desarrollo embrionario.
Lo que hace a un tipo celular diferente
de otro, son los genes que se expresan o
inactivan, lo cuál depende del ambiente
en el que se encuentre, entrando en
contacto
con
ciertas
hormonas,
sustancias químicas u otras células.
Células madre y diferenciación celular
Normalmente las células diferenciadas de nuestro cuerpo pueden dividirse
unas 40-60 veces, momento en el cuál pierden dicha capacidad y su
viabilidad, por lo que mueren (apoptosis).
Las células madre o tronco son un tipo especial de células que tienen la
capacidad de dividirse indefinidamente sin perder sus propiedades y llegar a
producir células especializadas virtualmente de cualquier órgano y tejido del
cuerpo.
Web learn.genetics
Tipos de células madre
- Células totipotentes (madre
cigoto): pueden crecer y formar un
organismo completo, es decir, pueden
formar todo los tipos celulares.
Web Learn.genetics
Totipotente
- Células pluripotentes (madre
embrionaria): no pueden formar un
organismo completo, pero sí cualquier
tipo de tejido.
- Células multipotentes (madre
adulto): sólo pueden generar células
de su mismo linaje de origen
embrionario (por ejemplo: una célula
madre de médula ósea dará origen a
células de la sangre mientras que una
de la piel dará origen a células
especializadas de la piel.
- Células unipotentes (adulto):
pueden formar únicamente un tipo de
célula particular. NO son células
madre.
Pluripotente
Multipotente
Unipotente
Vídeo5(Partes 1-4)
Transplante de médula ósea (células madre)
En el tratamiento de un linfoma, la médula ósea es destruida durante la quimio
o la radioterapia.
Antes de llevar a cabo este agresivo tratamiento, células madre de médula son
recolectadas de la médula ósea y almacenadas.
Una vez que el paciente se ha recuperado, sus células madre almacenadas son
transplantadas para reemplazar a la médula ósea dañada y producir células
sanguíneas saludables.
Web medindia.net
Uso terapéutico de células madre
Este es un campo de rápido desarrollo desde que en el año 2005 se
emplearon células madre para restaurar tejidos protectores de neuronas en
ratas de laboratorio, lo que produjo sensibles mejoras en su movilidad.
Un ejemplo del uso terapéutico de células madre en
seres humanos es la enfermedad de Parkinson,
cuyos enfermos experimentan dificultad en el
movimiento, equilibrio y el habla. Se debe a la
muerte de neuronas especializadas en la producción
de dopamina, neurotransmisor que participa en el
control de los movimientos musculares.
Otras enfermedades
tratadas
en
la
actualidad
son
la
diabetes
o
la
esclerosis múltiple.
Dimensión Internacional del uso de células madre
La investigación con células tronco ha venido
dependiendo del trabajo llevado a cabo por
distintos equipos de científicos de muchos países
que han compartido sus resultados, acelerándose
de este modo el ritmo de sus progresos.
Sin embargo, los aspectos éticos relativos a los
procedimientos
han
llevado
a
establecer
restricciones a la investigación en muchos países.
Los gobiernos nacionales se ven influidos por
tradiciones locales, culturales y religiosas
muy diversas que afectan al trabajo de los
científicos.
Uso terapéutico de células madre y TdC
La investigación con células
plantea problemas éticos.
madre
El uso de células madre embrionarias
implica la muerte del embrión en un
estadio temprano, pero si se desarrolla la
clonación terapéutica con éxito se podría
aliviar el sufrimiento de los pacientes que
sufren distintas afecciones.
Uso de células madre iPS
Usando
cuatro
genes,
se
ha
conseguido
“reprogramar” células diferenciadas de un individuo
adulto y volver a su estado de célula madre,
restaurando
su
capacidad
de
división,
convirtiéndose
en
células
madre
pluripotenciales inducidas (iPS).
Con la utilización de este tipo de células iPS, puede
reducirse
la
necesidad
de
células
madre
embrionarias.
Animación1
Uso terapéutico de células madre
Uso terapéutico de células madre y TdC
Son
innegables
las
grandes
oportunidades
que
ofrece
la
clonación terapéutica.
Pero también lo son los importantes
riesgos potenciales.
Por ejemplo, las células madre en
algunos casos no responden a
señales de control de la replicación
como las células propias del
organismo y puede generar tumores
(la célula se divide más de la
cuenta) o podría llevar al fracaso del
procedimiento
al
generarse
la
apoptosis (muerte celular).
Uso terapéutico de células madre y TdC
Otra cuestión que se puede considerar es cómo la comunidad científica
transmite la información sobre sus trabajos a la sociedad, de forma que
puedan tomarse decisiones bien fundamentadas en relación con la
investigación.