Copyright 2008 © W. H. Freeman and Company Biología Integrada I La Célula y la Vida Oscar N. Ruiz, Ph.D. Copyright 2008 © W. H. Freeman and Company

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 importantes Simbiontes 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 soporte Procariotas 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 cloroplasto Endosimbiosis 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 secundaria Transferencia 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

Comentarios Al 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 recientes Estas 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 Características de la Célula

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 Teoría Celular

Aumenta el tiempo que toma la difusión 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

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).

Es el material gelatinoso que encontramos dentro de la célula. Citoplasma Es el material gelatinoso que encontramos dentro de la célula. El citoplasma contiene los organelos y el citosol. Citosol es la parte líquida.

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.

Existen como cromatina la mayor parte del tiempo 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 Cromosomas

Filamentos intermedios Red de fibras de proteínas que le dan la forma a la célula Filamentos de actina Movimiento celular Microtúbulos centríolos Filamentos intermedios Citoesqueleto

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

Tiene la forma de un grupo de sacos, que son formados por membranas. 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

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

Cloroplasto = es donde se lleva a cabo la fotosíntesis 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

Cloroplasto leucoplasto Vacuola Célula vegetal Cloroplasto 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. leucoplasto Vacuola

La célula procariota

Célula vegetal --- celulosa Hongo --- quitina 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

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 Célula Procariótica

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 fotosintéticas Carboxisomas = contiene ribulosa-1,5-bifosfato de carboxilasa que ayuda a la fijación de CO2. Cuerpos de inclusión = sirven para almacenar sustancias. (Glucógeno)

Existen como cromatina la mayor parte del tiempo 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 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.