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Introducción al estudio de la Biología
Celular y Molecular
Departamento de Histología, Biología
Celular , Embriología y Genética de la
Facultad de Medicina de la UBA
Cuál es el objetivo de la asignatura Biología Celular y Molecular?
La Biología Celular y Molecular aporta los conocimientos referentes a la estructura, el
ciclo vital y la función de la célula, que es la unidad anátomo-funcional de los
organismos vivientes. En la Carrera de Medicina, esta asignatura hace hincapié en el
estudio de la célula eucarionte como unidad anátomo-funcional de organismos
pluricelulares en los cuales las células interaccionan coordinadamente para mantener
la vida del organismo. Específicamente se trata de obtener conocimientos referentes
al ser humano, pero la mayor parte de los mismos provienen de investigaciones
realizadas en otros organismos que sirven de modelos de experimentación.
De esta forma, la Biología Celular y Molecular constituye la base y el fundamento
de la mayor parte del conocimiento médico y el avance actual en el campo de la
Biología Molecular la ha constituido en una ciencia de utilidad fundamental para
que el médico, cualquiera sea su especialidad, comprenda la fisiología, fisiopatología
y las bases de la terapéutica.
El conocimiento de esta ciencia es de importancia fundamental para comprender
1) La estructura del organismo humano a nivel macroscópico (Anatomía) y
microscópico (Histología) comprendiendo cómo los distintos tipos celulares y la matriz
extracelular constituyen los tejidos y cómo éstos se organizan para formar los órganos
que forman parte de los aparatos y sistemas del organismo.
2) Se desarrolla el organismo humano a partir de una única célula huevo que se ha
formado por la fusión de las gametas (Embriología).
3) Las bases celulares y moleculares de la herencia de los rasgos (Genética).
El organismo humano
• El cuerpo humano está formado por más de doscientos
tipos distintos de células, todas ellas provienen de una
única célula por sucesivas divisiones y por procesos de
diferenciación celular.
• Todas las células tienen la misma información genética, por
tanto la diferente estructura y función que cada una
cumple, depende de la activación y silenciamiento de
distintos conjuntos de genes y todo esto depende en gran
medida de las señales que la célula recibe de su entorno. La
complejidad de nuestro cuerpo depende de la diferente
función que cada tipo celular tiene.
• Entre las células existe matriz extracelular que el resultado
de la secreción de las propias células.
• Todas las células del cuerpo humano surgen a partir de una única
célula huevo (que se origina por la fecundación de un ovocito por
un espermatozoide), seguida de procesos de división mitótica y
posterior diferenciación. De la célula huevo, al dividirse
mitóticamente surgen dos células iguales, pero que tienen zonas
particularmente diferentes (zona en contacto con la otra célula y
zona de contacto con el medio ambiente). Al volver a dividirse
éstas, surgen ahora 4 células equivalentes, cada una con zonas
bien diferenciadas. Al volver a dividirse en sucesivas divisiones
mitóticas se va formando una masa de células (mórula), donde las
células ya no son todas equivalentes y así siguen los distintos
procesos, ya que unas se volverán a dividir a una velocidad mayor
que otras, se formarán cavidades, estructuras.
• Como vemos la funcionalidad de una célula depende de su
composición pero también y de su relación con su
microambiente, dentro del cual se encuentra las otras células del
organismo.
Células epiteliales
absortivas
Célula
secretora
Células
enteroendócrinas
Proceso de
diferenciación
celular
Sucesivas divisiones
mitóticas: Células iguales,
amplificación del número
de células
Una célula madre da lugar a
otra célula madre y a una
célula diferente
• Todas las células del cuerpo humano están
relacionadas entre sí directa o indirectamente, por
lo que analizaremos las células como componentes
fundamentales a partir de las cuales se organizan
los tejidos, éstos conforman los distintos órganos
que están funcionalmente relacionados en los
diferentes aparatos, y existen además sistemas que
permiten la adecuada señalización e interacción
entre las distintas partes del cuerpo.
La célula eucarionte
• Se define a la célula como la unidad anatómica y funcional de
todo ser vivo. O sea que la célula es capaz de realizar todas
las funciones básicas, que son:
• Autorreplicarse, ya que poseen la información genética.
• Realizan la síntesis de macromoléculas para su propia
organización estructural.
• Sintetizan y secretan moléculas que le permiten interaccionar
con el medio.
• Reciben señales del medio ambiente y las procesan.
• Son capaces de obtener la energía para sus procesos vitales.
• Digieren sustancias que toman del medio ambiente o sus
propios componentes.
• La célula eucarionte es el elemento
fundamental del cuerpo humano,
está constituída por un núcleo
y un citoplasma rodeado
de una membrana plasmática.
• La característica principal de toda
célula eucarionte es su
compartimentalización.
• Los distintos organoides
del citoplasma tienen una
composición química,
una estructura y una
distribución
espacial especial.
Célula eucarionte
Compartimentalización
CICLO CELULAR
Dogma central de la biología molecular
La información contenida en el ADN se expresa dando lugar a proteínas,
mediante los procesos de transcripción, paso por el que la información se
transfiere a una molécula de ARN mensajero (ARN-m) y, mediante el proceso
de la traducción el mensaje transportado por el ARN-m se traduce a proteína.
EXPRESIÓN GENÉTICA Y SU REGULACIÓN
RNAm inactivo
Núcleo
DNA
Transcritp
de ARN
Citosol
Degradación
del RNAm
RNAm
RNAm
Control de
Traducción
Control
transcripcional
Control
de
procesamiento
del RNA
Transporte
de RNA y
control de
localización
Control de
actividad
proteica
proteína
Proteína
inactiva
METABOLISMO
Mitocondria
Fosf. Oxidativa,
Cresta
Matriz
Membrana interna
Membrana externa
Espacio
intermembranoso
ADN desnudo
(matriz)
Mitorribosomas
Duplicación
(matriz)
Transcripción
Traduccion
Síntesis de
proteínas
mitocondriales
ATP
Respiracion celular, formación de ATP
Oxigeno (O2)
Por difusión
entra a la
mitocondria
Fosforilación oxidativa.
Membrana
interna, se
genera
ATP
Por difusión sale al citosol
Las mitocondrias tienen una forma alargada de tamaño variable,
diámetro entre 0,5 a 10µm .
La distribución y el número de crestas varía según el tipo celular.
• La ubicación de las mitocondrias en las
distintas células es variable, según la
función celular predominante.
Ej. Distribución alrededor de los canalículos
en las células parietales del estomago
Canalículos
Tubulovesicular
Reposo
C
a
Estimulado
Activa
El Espermatozoide es una célula en
que las mitocondrias se ubican en la
pieza media rodeando al axonema, tal
como se ve en el esquema:
Peroxisomas
Contienen enzimas que participan en
el metabolismo energetico, por
reacciones oxidativas generan
peroxido de hidrógeno
Sus enzimas se sintetizan en el citosol en polirribosomas libres.
La membrana deriva del Retículo Endoplasmático.
Se forman nuevos peroxisomas por división de los antiguos
DIVERDSIDAD DE LOS TIPOS CELULARES
EN LOS ORGANISMOS PLURICELULARES
• El tamaño de las células del cuerpo humano varía
entre amplios límites, las más pequeñas de 4 μm de
diámetro (células grano del cerebelo) y las más
grandes de 250 μm de diámetro (ovocito).
• La forma de las células del cuerpo humano también es muy
variada:
• esferoidales, totalmente simétricas como el linfocito(núcleo
central, organelas igualmente distribuídas, membrana
plasmática sin variaciones en toda su superficie)
• cilíndricas con marcada polaridad celular como la célula del
epitelio intestinal (núcleo en el tercio basal, distribución
diferencial de sus organoides, diferenciaciones de
membrana según sea apical o laterobasal)
• células absolutamente asimétricas con un cuerpo o soma
estrellado con diferentes tipos de ramificaciones como las
neuronas de Purkinje.
Célula epitelial
Hay tejidos en que las células
que lo componen están muy
relacionadas y hay poca
sustancia intercelular (tejido
epitelial).
Célula cilíndrica
En otros tejidos
como el tejido
conectivo, las
células
interaccionan
con gran
cantidad de
matriz
extracelular que
ellas mismas
generan
Célula plana
Elementos formes:
glóbulos rojos
Célula fusiforme
fibroblasto
Capilar
sanguíneo
Fibras
Sustancia
proteicas amorfa
Matriz extracelular =
sustancia amorfa y
fibras proteicas
Cuál es la composición química de la
célula y cómo se organizan esos
componentes para que tengan una
estructura determinada y un tamaño
dado.
El cuerpo humano y por ende sus
células constituyentes tienen las
mismas propiedades de todo ser vivo
Niveles de organización de la materia
SUB-ATÓMICO
ATÓMICO
Las propiedades de los seres vivos resultan
de una serie de niveles de organización
integrados
C
O
MOLECULAR
M
P MACROMOLECULAR
L
MACROMOLECULAR
E
COMPLEJO
J
I
CELULAR
D
TISULAR
A
D
ÓRGANOS
SISTEMAS DE
ÓRGANOS
...
En cada nivel aparecen nuevas
propiedades (‘propiedades
emergentes’), que constituyen un
salto cualitativo respecto del nivel
anterior
En ese sentido, entendemos a la
vida biológica como un conjunto de
propiedades emergentes a partir
del nivel de organización celular.
SUB-ATÓMICO
ATÓMICO
Las estructuras de los niveles más bajos
tienen dimensiones muy pequeñas....
Por eso se utilizan las siguientes unidades
métricas...
1Å
10-10 m
C
O
MOLECULAR
M
P MACROMOLECULAR
L MACROMOLECULAR
E
COMPLEJO
J
CELULAR
I
D
TISULAR
A
D
ÓRGANOS
SISTEMAS DE
ÓRGANOS
...
1 nm
10-9 m
1 μm
10-6 m
1 mm
10-3 m
Recordar que:
Ejemplos en el hombre (diámetro aproximado)
______________________________________________________________________
1cm= 0,01 m
1mm = 0,001 m = 0,1 cm
globo ocular : 2,5 cm
grosor del pelo: 0,07 mm
ovocito maduro: 0,25 mm
1µm = 0,001 mm = 10-6m
eritrocito: 7,5 µm
mitocondria: entre 0,5-10 µm
1nm=0,001 µm = 10-9m
microtúbulo: 25 nm
microfilamento: 5 nm
1Å = 0,1 nm= 10-10m
grosor de la membrana plasmática: 75 Å
Biomoléculas
Los componentes orgánicos de las células
Tanto las células procariontes como eucariontes están formadas por
1- Hidratos de Carbono
2- Lípidos
3- Proteínas
4- Ácidos Nucleicos
Biomoléculas
Los componentes orgánicos de las células
1- Hidratos de Carbono
Monosacáridos
glucosa
ribosa
Derivados de azúcares
Isómeros
Biomoléculas
Los componentes orgánicos de las células
1- Hidratos de Carbono
Disacáridos
Biomoléculas
Los componentes orgánicos de las células
1- Hidratos de Carbono
Polisacáridos
Biomoléculas
Los componentes orgánicos de las células
1- Hidratos
de Carbono
2- Lípidos
Ácidos grasos
insaturados
saturados
Biomoléculas
Los componentes orgánicos de las células
1- Hidratos
de Carbono
2- Lípidos
Fosfolípidos
fosfatidilcolina
Esteroides
Biomoléculas
Los componentes orgánicos de las células
1- Hidratos
de Carbono
3-2-Proteínas
Lípidos
aminoácido
polipéptido
Biomoléculas
Los componentes orgánicos de las células
1- Hidratos
de Carbono
3-2-Proteínas
Lípidos
Su función depende de su forma tridimensional
Membrana plasmatica: asimetrica,
H de C del lado externo.
Biomoléculas
Los componentes orgánicos de las células
1-4Hidratos
de Carbono
Ácidos
3-2-Proteínas
Lípidos
Nucleicos
Nucleótido
puede ser
4- Ácidos Nucleicos
Estructura química del
ARN
(Fosfato-azúcar-base nitrogenada)
ADN versus ARN
4- Ácidos Nucleicos
El ARN adopta estructuras tridimensionales
4- Ácidos Nucleicos
Biomoléculas
Los componentes orgánicos de las células
1- Hidratos
de Carbono
3-2-Proteínas
Lípidos
ADN
Nivel de Organización Celular
Los tres dominios del mundo viviente
PROCARIOTAS
EUCARIOTAS
Cómo se estudian las células?
Todas las células comparten propiedades que se conservaron a través de la
evolución.
Todas utilizan ADN como material genético, están rodeadas por una membrana
plasmática y usan los mismos mecanismos básicos para el metabolismo
energético.
Los organismos se pueden clasificar en unicelulares ( bacterias, amebas y
levaduras) y pluricelulares (en los que los distintos tipos de células funcionan
coordinadamente cumpliendo cada una funciones particulares).
Diversos tipos de células y organismos son utilizados para estudiar diferentes
aspectos de la biología celular y molecular; existiendo modelos
experimentales que permiten estudiar diferentes características.
Podemos dividir a las células en dos tipos principales: Procariontes y
Eucariontes.
Célula procariótica típica
• Escherichia Coli (está habitualmente en el tracto intestinal
humano), es el modelo experimental ideal para estudiar
mecanismos de biología molecular y bioquímica incluídos
los estudios genéticos.
Pared celular (polisacáridos, péptidos, porosa)
Membrana Plasmática (bicapa fosfolipídica,
proteínas asociadas, verdadera
separación funcional entre
interior y exterior celular)
Citoplasma (es el protoplasma
celular, de apariencia granular
por la presencia de ribosomas)
ADN circular (molécula única)
Célula eucariótica
Membrana plasmática
Citoplasma (citosol con citoesqueleto y
sistema de endomembranas).
Entre los orgánulos dependiente del
sistema de endomembranas :
Núcleo (Varias copias de ADN)
Aparato de Golgi
Lisosomas
REL
RER
Vacuolas
Mitocondrias
Peroxisomas
La célula eucariótica más simple es la levadura, utilizada como modelo
experimental de célula eucariótica.
Modelos para estudiar organismos
multicelulares
• El nematodo C. Elegans, se utiliza para
estudios de desarrollo y diferenciación celular.
•La mosca de la fruta, Drosophila Melanogaster,
modelo para el estudio de los mecanismos
moleculares del desarrollo por su fácil reproducibilidad.
Xenopus laevis, modelo para el estudio
del desarrollo embrionario
Pez cebra, modelo para estudios
genéticos del desarrollo de los vertebrado
El ratón y la rata como modelos del desarrollo
humano
•
•
Estudios de comportamiento, estudios del sistema nervioso, respuestas a fármacos.
Además algunas alteraciones genéticas dan lugar a defectos del desarrollo similares
a los humanos.
Rata realizando una
Prueba conductual
Operación cesárea para
Estudiar al feto
Estudios de alcoholismo
maternofetal
Control
Etanol
Instrumentos de la biología celular
•
•
•
•
•
•
•
Lupa y Microscopio óptico
Microscopio electrónico
Homogeinizador, Centrífuga y ultracentrífuga.
Agitador
Cámaras de cultivo, Estufas
Termociclador
Cuba electroforética
Microscopio optico
• Limite de resolución del MO es 0,2 µm, es la distancia mínima de separación de dos
objetos para verlos como distintos. Este valor depende de dos factores: longitud de
onda de la luz visible y la apertura numérica de la lente.
Tener en cuenta que:
1µm=0,001mm=10-6 m
LR= 0,61 λ÷ AN
Siendo AN=ŋsenα
ŋ es el índice de refracción
del medio que está entre el
objetivo y el preparado
α es el ángulo del cono
de luz que entra al objetivo
Lente objetivo
y que:
Luz
Pedí al docente del TP de histo que te muestre
donde figura la AN del microscopio con el que estás trabajando
Tipos de MO
Preparado tejido fijado y
teñido
•
•
Preparado sin teñir- células vivas
MO de campo claro, la luz visible atraviesa el preparado, es necesario teñir las células para poder
verlas, no son apropiados para ver células vivas.
MO de contraste de fase y de interferencia, utilizan sistemas ópticos que convierten variaciones de
densidad o grosor en diferentes contrastes, son útiles para ver células vivas sin teñir.
A- campo claro
B- interferencia
C- contraste de fase
Luz visible
•MO de fluorescencia, se utiliza una tinción fluorescente que absorbe a una longitud de
onda y emite en otra, se utilizan filtros especiales para cada long de onda.
MO confocal, combina la microscopía fluorescente con el análisis electrónico de la
imagen para obtener imágenes tridimensionales.
MO de excitación por dos fotones, imágenes tridimensionales de células vivas.
Microscopios electrónicos
• Microscopio Electrónico de Transmisión, MET, el haz de
electrones atraviesa la muestra fijada y contrastada con
metales pesados. Existe tinción positiva y tinción
negativa. Por el desvío del haz de electrones, en la
pantalla fluorescente habrá una gama de grises, el LR=
0,2nm=2Å
• Microscopio Electrónico de Barrido o Scanning, MEB, se
utiliza para obtener imágenes tridimensionales de las
células. El haz de electrones no atraviesa la muestra, la
célula se cubre con un metal pesado y los electrones se
recogen generando la imagen tridimensional.
Microscopía electrónica de transmisión
Tinción positiva
Sombreado metàlico
Tinción negativa
Congelación-fractura
Diferencias entre ME y ME:
El ME utiliza un haz de electrones en lugar de luz
visible o fotones.
La resolución es mayor, o sea es menor el Límite de
resolución ya que la longitud de onda de los
electrones es mucho menor.
Utiliza lentes electromagnéticas para centrar el haz de
electrones.
Fotomicroscopio óptico
MET
La preparación del material es diferente. Distintos fijadores y distintas inclusiones
MO:
Inclusiones
en parafina
MET:
Inclusiones en
resinas epoxi
Grillas con cortes
Portaobjetos con preparado
Distintos equipos para realizar los cortes
MICROTOMO
ULTRAMICROTOMO
Microscopía óptica
Microscopía electrónica
Vibrátomo
Ultramicrótomo
Crióstato
Taco
Cuchilla de vidrio
Microscopía óptica
Microscopía electrónica
Grillas de cobre
Portaobjetos de vidrio
Microscopía óptica
Microscopía electrónica
Micrótomo rotatorio tipo Minot
Ultramicrótomo
Taco
Cuchilla de vidrio
Separación subcelular
1) Homogeinizar o licuar
2- centrifugar
Ultracentrífuga
Centrifugación en gradiente de densidad
Cultivos celulares
Camara de seguridad biologica,
flujo laminar: allí se realiza la
Siembra.
Estufa gaseada
mantenimiento
del cultivo
La ciencia avanza…
•
GFP – Proteína verde fluorescente
•
Aislada de Aequorea victoria por Osamo Shimomura en 1962
•
En 1994, el laboratorio del Dr Chalfie publica la expresión de esta proteína en la especie C.
elegans
•
En 2008, Martin Chalfie, Osamu Shimomura y Rogen Tsien obtienen el Premio Nobel de
Química por su descubrimiento y desarrollo de la proteína verde fluorescente.
•
Actualmente, es usada como un reportador de la expresión de diferentes genes.