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UNIVERSIDAD DE PUERTO RICO EN AGUADILLA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Organización de la Célula Dr. Rubén J. Hernández García 23 de febrero de 2013 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Explicar la Teoría Celular . Resumir la relación entre organización celular, tamaño celular y homeostasis Describir los métodos que utilizan los biólogos para estudiar las células. Comparar y contrastar las características generales de las células procariotas y eucarióticas, y contrastar la célula vegetal y animal. Describir las funciones de la membrana celular. Describir la estructura y función del núcleo. Distinguir entre retículo endoplásmico liso y rugoso en términos de estructura y función miércoles, 09 de agosto de 2017 Objetivos 2 9. 10. 11. 12. 13. 14. Trazar la ruta de la síntesis de proteínas a través del sistema de membranas internas. Describir la función de los lisosomas, vacuolas y peroxisomas Comparar la función de los cloroplastos y mitocondrias. Describir la estructura y función del citoesqueleto. Relacionar las características estructurales de cilios y flagelos con su función. Describir el glicocalix, matriz extracelular y pared celular. miércoles, 09 de agosto de 2017 Objetivos 3 • 1665 - Robert Hooke descubre la célula • 1673 - Antonie van Leeuwenhoek describe por primera vez organismos microscópicos miércoles, 09 de agosto de 2017 Historia • 1838 -1839- Matthias Schleiden y Theodor Schwann proponen que todas las plantas y animales están compuestos por células (teoría celular) • 1855 – Virchow observa células dividiéndose en células hijas 4 • La célula es la unidad básica de la vida. • Todos los organismos estas compuestos por una o más células. • Las células provienen de células preexistentes. miércoles, 09 de agosto de 2017 Teoría Celular 5 • La unidad mas pequeña que puede llevar a cabo todas las actividades asociadas con la vida. • Procariotas y algunos protistas y fungi son unicelulares • Plantas y animales son multicelulares • Células intercambian materiales y energía con el medio ambiente miércoles, 09 de agosto de 2017 Célula 6 • Organización celular y un tamaño pequeño mantienen la homeostasis • Trabajan constantemente para mantener las condiciones internas • Similar en todas las células • Delimitadas por membrana celular miércoles, 09 de agosto de 2017 Organización Celular • Separa su contenido del medio ambiente que la rodea. • Permite el intercambio de materiales y energía con el exterior. • Presencia de orgánulos - Estructuras internas especializadas en llevar a cabo funciones vitales en la célula 7 miércoles, 09 de agosto de 2017 Tamaño celular 8 • Células procariótas – 0.1 – 10 µm • Células eucariótas – 10 a 100 µm • Algunas células pueden alcanzar una longitud de un metro. miércoles, 09 de agosto de 2017 Tamaño Celular 9 • Variaciones en forma celular • Forma fina y alargada de las neuronas. • Presencia de microvellosidades • Aumentan el área de absorción en ciertas células. miércoles, 09 de agosto de 2017 Como aumentar el área de superficie y volumen 10 • • • • Amoeba y glóbulos blancos Espermatozoides Neuronas Células epiteliales miércoles, 09 de agosto de 2017 Tamaño y forma de la célula relacionados a su función 11 miércoles, 09 de agosto de 2017 Área de Superficie a Radio de Volumen 12 miércoles, 09 de agosto de 2017 Observación de las células de corcho por R. Hooke 13 • Dos tipos principales: • Microscopio de Luz • Fuente de iluminación: luz • Sistema de enfoque: lentes de vidrio • Microscopio Electrónico: miércoles, 09 de agosto de 2017 Microscopio • Fuente de iluminación: haz de electrones • Sistema de enfoque: electroimanes 14 • Puede ser simple (un solo lente) o compuesto (dos o más lentes) • Fuente de iluminación • Luz visible: miércoles, 09 de agosto de 2017 Microscopio de luz • Campo claro • Contraste de fase • Luz ultravioleta: • Microscopio de fluorescencia) • Magnificación Máxima: 2000X • Resolución: 0.2 µm (1/1000 mm) 15 miércoles, 09 de agosto de 2017 Microscopio compuesto de luz visible Imagen Aumentada Lente Ocular Lente Objetivo Espécimen Condensador Fuente de Luz 16 miércoles, 09 de agosto de 2017 Microscopio electrónico de transmisión • Produce imagen bidimensional interna del espécimen • Muestra debe cortarse muy fina con un microtomo Micrografía electrónica transmisión mostrando cilios de 17 • Produce una imagen tridimensional de la superficie del espécimen • Muestra debe ser cubierta de oro u otros metales conductores Micrografía electrónica rastreo mostrando cilios miércoles, 09 de agosto de 2017 Microscopio electrónico de rastreo de 18 19 miércoles, 09 de agosto de 2017 20 miércoles, 09 de agosto de 2017 Técnicasusadas paraestudiarfuncióny composiciónquímica de orgánulos • Centrifugación • Diferencial – Se centrifuga la muestra a un número mayor de revoluciones por minuto sucesivamente. • Gradiente de densidad – Se centrifuga un “pellet” resuspendido sobre un gradiente de densidad, usualmente una solución de sacarosa. miércoles, 09 de agosto de 2017 Fraccionamiento Celular 21 miércoles, 09 de agosto de 2017 Fraccionamiento Celular 22 • Más pequeña ( 1 / 10) y simple que la célula eucariótica • No posee núcleo definido • ADN se encuentra en región nucleoide miércoles, 09 de agosto de 2017 Célula Procariótica • No posee orgánulos rodeados de membrana celular • Incluye Dominios Archaea y Eubacteria (arqueobacterias, bacterias y cianobacterias) 23 miércoles, 09 de agosto de 2017 Célula Procariótica 24 miércoles, 09 de agosto de 2017 Ejemplo de un Organismo Procariótico: Escherichia coli 25 • Región Nucleoide • No está delineada por membrana. • ADN está organizado en forma de un cromosoma circular. • La célula procariótica puede contener material génetico fuera del cromosoma miércoles, 09 de agosto de 2017 Célula Procariótica • Plásmidos • ADN extracromosomal 26 • Membrana Plasmática • Mantiene confinado el contenido de la célula en un compartimiento interno • Puede formar pliegues donde ocurren algunas reacciones metabólicas (ej. fotosíntesis). • Mantiene la permeabilidad selectiva de la célula miércoles, 09 de agosto de 2017 Célula Procariótica • Citoplasma • Incluye al citosol y ribosomas (pequeños) • Gránulos de almacenaje: glucógeno, lípidos y compuestos de fosfato • Citosol : Solución semifluida que baña el interior celular • Compuesto por agua, iones, macromoléculas, y nutrimentos disueltos 27 • Cápsula • Compuesta usualmente por polisacáridos • Permite a la célula adherirse a superficies • Puede otorgarle a la célula virulencia y resistencia a fagocitosis • Pared celular miércoles, 09 de agosto de 2017 Célula Procariótica • Compuesta por peptidoglucano • Su estructura varía dependiendo del tipo de organismo • Protege y mantiene la forma de la célula 28 • Fimbrias • Apéndices finos que se proyectan de la pared celular • Son de naturaleza proteica • Ayudan a la célula a adherirse a superficies • Flagelos miércoles, 09 de agosto de 2017 Célula Procariótica • Estructuras de locomoción, actúan como hélices • Compuestos de flagelina (proteína) • Estructura distinta a los flagelos eucarióticos • Ribosomas • Formados de RNA y proteínas • Sintetizan poli péptidos • Mas pequeños que los ribosomas de células eucariotas 29 miércoles, 09 de agosto de 2017 Fimbrias de una Célula Procariótica 30 miércoles, 09 de agosto de 2017 Comparación de Tamaño entre Células Procarióticas y Eucarióticas Típicas 31 • Nucleo verdadero • Posee orgánulos – Compartimientos rodeados de membrana celular que llevan a cabo funciones específicas • Posee núcleo definido – Orgánulo rodeado por doble membrana célular, contiene ADN y ejerce control genético sobre la célula miércoles, 09 de agosto de 2017 Célula Eucariota 32 • Citoplasma – Parte de la célula fuera del núcleo. Incluye el citosol y los organulos excepto el núcleo • Citosol – Componente semifluido del citoplasma • Nucleoplasma – Parte de la célula dentro del núcleo miércoles, 09 de agosto de 2017 Organización de la Célula Eucariota 33 • Compuesta por bicapa de fosfolípidos y proteínas asociadas, además de otras sustancias. Rodea a la célula y a ciertos orgánulos. • Funciones • Funciona como barrera selectivamente permeable • Permite que diferentes reacciones químicas procedan sin que interfieran unas con otras • Sirve para generar energía potencial que es usada para sintetizar ATP • Muchas reacciones químicas son mediadas por enzimas asociadas a membranas miércoles, 09 de agosto de 2017 Membrana Plasmática 34 miércoles, 09 de agosto de 2017 Membrana Plasmática 35 • Célula animal • Presencia de centriolos • Presencia de flagelos (sólo algunas células reproductivas vegetales poseen flagelos) • Presencia de lisosomas miércoles, 09 de agosto de 2017 Diferencias entre la Célula Animal y Vegetal • Célula vegetal • Posee pared celular • Posee cloroplastos (en células fotosintéticas) • Presencia de vacuola central 36 miércoles, 09 de agosto de 2017 Diagrama de una celula vegetal 37 Nucleolo miércoles, 09 de agosto de 2017 Organización de una Célula Animal 38 Organización de una Célula Vegetal miércoles, 09 de agosto de 2017 Retículo endoplásmico rugoso Ribosomas Retículo endoplásmico liso Aparato de Golgi Microtúbulos Sólo en células vegetales Vacuola Central Filamento intermedio Citoesqueleto Cloroplasto Microfilamento Pared celular Mitocondria 39 Peroxisoma Membrana plasmática miércoles, 09 de agosto de 2017 Células de Elodea sp. 40 Cloroplastos Pared celular • Centro de control genético de la célula eucariota • El ADN se encuentra en su interior en forma de cromatina compuesta de: • ADN y Proteínas • ADN pasa por el proceso de replicacion • Genes: secuencias de nucleótidos del ADN, contienen el código para producir proteínas • Control de síntesis de proteínas por el RNAm miércoles, 09 de agosto de 2017 Núcleo 41 • Envoltura nuclear- Doble membranas concéntricas que rodean el núcleo. • Poros nucleares - Complejos de proteínas (30) que regulan el paso de materiales entre el citoplasma y el nucleoplasma. • Laminas nucleares – Estructuras proteícas que sirven de anclaje al núcleo. Importantes en la ruptura y formación de la envoltura nuclear durante la división celular. miércoles, 09 de agosto de 2017 Núcleo • Distrofia muscular y progeria • Nucleolo – Masa de fibras y gránulos que consiste de ARN ribosomal y proteínas • Función: Síntesis de ribosomas 42 miércoles, 09 de agosto de 2017 Diagrama del Núcleo 43 miércoles, 09 de agosto de 2017 Estructura del Núcleo Celular 44 • Trabajaron de los 1930’s a los 1940’s • Llevaron a cabo experimentos de regeneración usando el alga verde unicelular llamada Acetabularia • Basándose en los resultados que obtuvieron llegaron a la conclusión de que el núcleo ejerce control sobre la célula miércoles, 09 de agosto de 2017 J. Hämmerling & J. Brachet 45 miércoles, 09 de agosto de 2017 Acetabularia 46 47 miércoles, 09 de agosto de 2017 48 miércoles, 09 de agosto de 2017 49 miércoles, 09 de agosto de 2017 50 miércoles, 09 de agosto de 2017 51 miércoles, 09 de agosto de 2017 52 miércoles, 09 de agosto de 2017 53 miércoles, 09 de agosto de 2017 • Orgánulos que contienen las enzimas necesarias para formar enlaces péptidos y producir polipéptidos • Compuestos de proteínas y ARN ribosomal (rARN) • Dos sub-unidades ribosomales • Contienen enzimas para formar enlaces peptídicos • Suspendidos en el citosol o asociados a membrana celular de ciertos orgánulos • Células con gran producción de proteínas poseen gran cantidad de ribosomas miércoles, 09 de agosto de 2017 Ribosomas 54 miércoles, 09 de agosto de 2017 Estructura de un Ribosoma 55 • Orgánulos que trabajan en la síntesis, almacenaje y transporte de moléculas biológicas. Se compone de: • Núcleo • Retículo endoplásmico • Aparato de Golgi • Lisosomas • Vesículas • Vacuolas miércoles, 09 de agosto de 2017 Sistema Interno de Membranas 56 • Conjunto de sacos membranosos planos interconectados • Nombrado por su apariencia en micrografías electrónicas • La apariencia áspera es resultado de ribosomas adheridos a sus paredes • Lumen: espacio interno rodeado de membrana • Función principal: • Síntesis de proteínas a ser usadas por la célula o a ser secretadas miércoles, 09 de agosto de 2017 Retículo Endoplásmico Rugoso 57 58 miércoles, 09 de agosto de 2017 • Continuo con el retículo endoplásmico rugoso • Apariencia tubular • Funciones • Enzimas catalizan síntesis de lípidos (fosfolípidos , colesterol) y carbohidratos • Células del hígado juegan un papel enzimático importante al degradar el glucógeno • Almacena iones de calcio • Detoxificación de drogas y otras toxinas (células hepáticas) • Alcohol y drogas aumentan la cantidad de RE en células hepáticas miércoles, 09 de agosto de 2017 Retículo Endoplásmico Liso 59 miércoles, 09 de agosto de 2017 Retículo Endoplásmico 60 • Polipéptidos son sintetizados por ribosomas asociados al RE rugoso • Cadenas cortas de azúcares o lípidos son enlazadas al polipéptido • Chaperones moleculares: enzimas en el lumen del RE que catalizan la conformación apropiada de la proteína miércoles, 09 de agosto de 2017 Modificación de Proteínas por el Retículo Endoplásmico Rugoso • Proteínas dobladas incorrectamente pasan al citosol para ser degradas por proteosomas (complejo de proteínas que dirigen la destrucción de proteínas defectuosas) • Las glicoproteínas o glicolipidos son empacadas en vesículas de transporte para ser exportadas. • Las vesículas de transporte se desprenden del RE y viajan al aparato de Golgi para ser convertidas a su forma final. 61 62 miércoles, 09 de agosto de 2017 • • • • • • • • Descrito por Camillo Golgi en 1898 Complejo de sacos aplanadas llamadas cisternas Posee compartimientos separados y otros interconectados Posee espacio interno llamado lumen Posee tres áreas: cis, trans, región media Plantas: produce polisacáridos extracelulares (pared celular) Animales: manufactura lisosomas Almacenaje y transporte de moléculas de importancia biológica • Proteínas sintetizadas en RE son transportadas en vesículas al aparato de Golgi • Clasifica, modifica, almacena y distribuye proteínas • ¿Que es un “Zip code” celular? miércoles, 09 de agosto de 2017 Aparato de Golgi 63 64 miércoles, 09 de agosto de 2017 miércoles, 09 de agosto de 2017 Transporte de proteínas 65 • Vesículas rodeadas de membrana especializadas en la digestión • Contienen enzimas hidrolíticas con un pH de 5 (40 enzimas aprox.) • Sintetizadas en el RE donde se le añade un azúcar para indicarle a Golgi que van hacia los lisosomas miércoles, 09 de agosto de 2017 Lisosomas • Producidos por el aparato de Golgi • Presentes en las células animales • Funciones – Digestión de partículas de alimento, reciclaje de orgánulos, autodestrucción • Enfermedades de almacenaje por lisosomas • Enfermedad de Tay – Sachs 66 67 miércoles, 09 de agosto de 2017 • • • • Compartimientos rodeados de membrana Rodeados de membrana llamada tonoplasto Son de mayor tamaño que los lisosomas Toman parte en la digestión y almacenaje de sustancias en la célula (H20, nutrimentos, desperdicios y otros) • Mantiene la homeostais (pH: almacenando exceso de H+) • Presentes en células vegetales, prostistas unicelulares y animales • En plantas llevan función de los lisosomas miércoles, 09 de agosto de 2017 Vacuolas 68 • Vacuolas alimentarias – Asociadas al proceso de fagocitosis y pinocitosis • Vacuolas Centrales – Sirven como almacén de agua, compuestos o desechos en la célula vegetal. También pueden ayudar a la célula vegetal a aumentar de tamaño. • Vacuolas Contráctiles – Presentes en protistos. Mecanismo de expulsión de agua en los protistos de agua dulce. miércoles, 09 de agosto de 2017 Tipos De Vacuolas 69 • Orgánulos que contienen enzimas que catalizan reacciones donde H de varios compuestos es transferido a O. • Dichas reacciones resultan en la formación de H2O2, el cual es degradado a H20 y O2 gracias a la catalasa • Se encuentran en grandes cantidades en células que sintetizan, almacenan o degradan lípidos. • Sintetizan fosfolípidos que forman parte de la capa aislante de las células nerviosas (mutación: retardación mental) • Peroxisomas en células del hígado y riñones humanos detoxifican el etanol. • Glioxisomas: peroxisomas especializados localizados en plantas, contienen enzimas que convierten grasas en azucares miércoles, 09 de agosto de 2017 Peroxisomas 70 • Cloroplastos • Orgánulo donde ocurre la fotosíntesis en la células eucariótas que la llevan a cabo (plantas, algas y algunos protistos) • Mitocondria • Orgánulo donde ocurre la respiración celular en las célula eucariótas miércoles, 09 de agosto de 2017 Orgánulos Transductores de Energía 71 • Orgánulos rodeados de doble membrana. Esta forma 2 compartimientos: • Espacio intermembranoso – Espacio entre membrana interna y externa. • Crestas – Formadas por la membrana interna. Lugar donde ocurre la síntesis de ATP miércoles, 09 de agosto de 2017 Mitocondria • Matriz • ADN • Ribosomas • Enzimas • Respiración Celular ocurre en las crestas y la matriz • Apoptosis: muerte celular programada • Mitocondrio interfiere con el metabolismo energético o activa enzimas que participan en la destrucción celular 72 miércoles, 09 de agosto de 2017 Estructura de una Mitocondria 73 • Orgánulos rodeados por doble membrana. • • • • Membrana externa Membrana interna Espacio intermembranoso Estroma – Espacio interno lleno de solución semifluida de naturaleza proteíca. • Tilacoides – Estructuras en forma de discos que contienen la clorofila. • Granas – Conjunto de tilacoides agrupados unos encima de otros. miércoles, 09 de agosto de 2017 Cloroplastos • La fotosíntesis ocurre tanto en las granas como en el estroma. 74 • Contienen clorofila: pigmento verde que atrapa la energía • Carotenoides: pigmentos accesorios • Plastidios: producen y almacenan alimento en células de plantas y algas • Se desarrollan a partir de proplastidios: precursores de orgánulos que se encuentran en células vegetales menos especializadas • Cloroplastos se producen cuando los proplastidios están expuestos a la luz • Cromoplastos contienen pigmentos que le dan color a flores y frutas • Leucoplastos son plastidios sin pigmentación • Amiloplastos: almacenan almidón semillas, raíces y tubérculos miércoles, 09 de agosto de 2017 Cloroplastos 75 miércoles, 09 de agosto de 2017 Estructura Básica de un Cloroplasto 76 77 miércoles, 09 de agosto de 2017 MITOCONDRIO CLOROPLASTO Eucariótica: animal Eucariótica: y vegetal vegetal Presente membrana Sí y espacio Sí Presencia de DNA y ribosomas Sí Sí Ambiente acuoso interno Matriz Estroma Presencia de externa, interna intermembranoso Dobleces interna de Reacción de energética la membrana Crestas miércoles, 09 de agosto de 2017 Comparación entre mitocondrio y cloroplasto Tilacoides -> grana transformación Respiración celular Fotosíntesis Capacidad de auto replicación Sí Sí 78 • Microfilamentos • Estructuras helicoidales sólidas • Proteína globular (Actina) • Movimiento, soporte, división celular • Filamentos Intermedios • Estructura similar a una soga • Proteínas fibrosas • Anclaje de ciertos orgánulos miércoles, 09 de agosto de 2017 Citoesqueleto • Microtúbulos • Tubos rectos, huecos • Proteína globular (tubulina), 2 tipos: y - tubulina • Anclaje de orgánulos, sirven de vía para el movimiento de orgánulos en el citoplasma 79 80 miércoles, 09 de agosto de 2017 Tubulina miércoles, 09 de agosto de 2017 Citoesqueleto Proteínas Fibrosas Actina 25 nm 7 nm Microfilamentos 10 nm Filamentos intermedios Microtúbulos 81 82 miércoles, 09 de agosto de 2017 miércoles, 09 de agosto de 2017 Cilios y Flagelos • Estructuras de compuestas por microtúbulos y cubiertas de membrana celular. • Funciones: Locomoción y movimiento de fluidos . • Constan de dos partes • Flagelo o cilio – Arreglo 9 + 2 • Cuerpo Basal – Arreglo 9 x 3, idéntico a un centriolo • Difieren en su longitud y funcionamiento • Cilios – Cortos (2 - 10 m) – funcionan como remos • Localizados en superficie de células que recubren ductos • Mueven líquidos y partículas a través de superficie celular • Sirven como antena (primary cilium) • Mal funcionamiento puede causar degeneración de la retina y riñones poli quísticos • Flagelos – Largos (~ 200 m) – movimiento ondulante 83 miércoles, 09 de agosto de 2017 Corte Transversal de un Cilio 84 miércoles, 09 de agosto de 2017 Estructura de un Flagelo 85 86 miércoles, 09 de agosto de 2017 Par de Brazo de dineina microtúbulos Fuerza deslizante miércoles, 09 de agosto de 2017 Mecanismo de Movimiento de Cilios y Flagelos 87 • Regiones en las cuales se anclan los extremos de los microtúbulos. • En células animales el principal es el centrosoma • En el centrosoma se encuentran los centriolos miércoles, 09 de agosto de 2017 Centros de Organización de Microtúbulos 88 • Micro túbulos actúan como parte de la estructura celular y participan en el movimiento celular y se anclan a otras partes de la célula • El área de los micro túbulos denominada como “minus end” esta anclada al Centro de Organización Microtubular (MTOCs) cuando las células no se están dividiendo. • En células animales el MTOC es el centrosoma e incluye un par de centriolos • Se duplican antes de la división celular • Papel importante en la organización de micro túbulos • Fibras del huso mitótico: guían a los cromosomas durante la división celular miércoles, 09 de agosto de 2017 Centrosoma y centriolos 89 miércoles, 09 de agosto de 2017 Centriolos •Solo se encuentran en la célula animal •Pequeños cilindros arreglados en ángulo de 90º •Estructura: nueve tripletes de microtúbulos •Función: relacionados al proceso de división celular 90 91 miércoles, 09 de agosto de 2017 • Glucocaliz • Formado por polisácaridos y lípidos asociados a proteínas de la membrana celular • Relacionado a comunicación y adhesión intercelular • Matriz Extracelular (Células Animales) • Colágeno – Proteína estructural principal • Fibronectinas – Glucoproteínas que se enlazan a receptores en la membrana • Integrinas – Principales receptores en la membrana. Importantes en la transducción de señales, en la organización del citoesqueleto y movimiento celular. miércoles, 09 de agosto de 2017 Matriz Extracelular 92 miércoles, 09 de agosto de 2017 Matriz Extracelular 93 • Rodea las células de bacterias, archea, hongos y plantas • La pared celular vegetal está compuesta por celulosa • Pared celular primaria – Fina y flexible, presente en células en desarrollo • Pared celular secundaria – Múltiples capas entre la pared celular primaria y la membrana celular. miércoles, 09 de agosto de 2017 Pared Celular • madera • Lámina media • Cubierta externa de pectina (polisacarido) que sirve de pegamento intercelular 94 miércoles, 09 de agosto de 2017 Pared Celular 95 Asignación • Existen enfermedades severas en los seres humanos causadas por mutaciones que codifican para genes que sintetizan proteínas que forman parte de la lamina nuclear. • Discuta las causas de la progeria y de la distrofia muscular. • La ausencia de enzimas digestivas en los lisosomas esta asociado a una condición conocida como Tay-Sachs. • Discuta las causas de Tay- Sachs a nivel celular y cuales son las consecuencias. • Discuta que condiciones o enfermedades se pueden desarrollar por una apoptosis inhibida o con demasiada frecuencia. • Discuta que condiciones genéticas se pueden desarrollar a causa de una mutación en el ADN mitocondrial. • Prepare una tabla comparativa que muestre los orgánulos o estructuras presentes en una célula animal , célula vegetal o ambos. 96