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Iniciamos la cursada de Biología planteando la pregunta “¿Que tenemos de diferente los organismos vivos de las cosas no vivas?”. Luego de recorrer los contenidos propuestos, llegamos a conocer los postulados de “La Teoría celular”, que, entre otras cosas, afirma que “todos los seres vivos están formados por células. Comenzamos el Módulo 2 de la materia con un texto que presenta a los organismos vivos como sistemas abiertos, veremos que esta es una característica de los organismos vivos que nos va a permitir pensar distintas situaciones en Biología. Luego nos vamos a preguntar: ¿cómo son las células que forman a los organismos vivos? Vamos a ver que diferenciamos dos tipos celulares, y que los organismos están formados por uno u otro. Estos dos tipos de células las denominamos células procariotas y células eucariotas . Te proponemos leer fragmentos de un capítulo del libro Introducción a la Biología Celular (Alberts y otros, 2011) . La lectura te va a permitir extraer información concreta sobre cómo1 son esos dos tipos celulares, qué tienen en común y que los diferencia. En el material van a encontrar links con algunos videos y herramientas interactivas para acercarse mejor a los conceptos estudiados. Trabajando con modelos van a poder visualizar e imaginar el “mundo de las células”, que no puede verse a simple vista. Al finalizar esta semana y como resultado de estas lecturas y Actividades, esperamos que - reconozcan características de los tipos celulares procariota y eucariota, - utilicen el concepto de complejidad al comparar los tipos celulares 1 Alberts y otros. Introducción a la Biología celular. Tercera Edición. Editorial Médica Panamericana (2011). Capítulo 1. 1 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 LOS CONTENIDOS CLAVES QUE VAMOS A TRABAJAR ESTA SEMANA SERÁN: ● Todas las células poseen material genético, el cual cumple un papel fundamental en la determinación de las características de cada célula. ● Aunque todos los seres vivos poseemos importantes características en común, se observa una importante diversidad de formas de vida. Una de las principales manifestaciones de esta diversidad es aquella que permite separar dos grandes grupos: los organismos con células sin membranas internas (procariotas) y los organismos con membranas internas (eucariotas). ● El tipo celular más simple se denomina procariota. Las células procariotas no tienen membranas internas, y por lo tanto su material genético está ubicado en el citoplasma. ● Los procariotas más estudiados son las bacterias. Desde el punto de vista de su relación con los humanos, son por un lado causantes de muchas enfermedades, y por el otro resultan organismos beneficiosos. ● La complejidad de las células eucariotas es mayor que la de las células procariotas. Las células eucariotas son más grandes que las procariotas, y poseen una variedad de organelas con membranas. ● En las células eucariotas el núcleo contiene la información genética. El retículo endoplasmático y el complejo de Golgi participan en la síntesis de componentes celulares. Las mitocondrias proveen energía a la célula. El citoesqueleto participa en movimientos internos de materiales en el citoplasma, mantiene la forma de la célula y participa también en la división celular. La idea de sistema nos va a ser útil para pensar las células, pero puede aplicarse a muchas cosas, como te proponemos ver a continuación en el siguiente texto. Algunas ideas sobre sistemas2 Se llama sistema a un conjunto de elementos en interacción. Desde este punto de vista, pueden ser considerados y estudiados como sistemas un automóvil, una computadora, un organismo, la Tierra o todo el Universo. El objetivo del análisis sistémico es el de la observación y explicación del comportamiento de un sistema y de las modificaciones que se producen cuando en el mismo cuando cambian sus condiciones de funcionamiento. Estas modificaciones pueden deberse a cambios en algunos de los componentes del propio sistema o bien a cambios en el entorno. 2 Texto adaptado en base a Aljanati y otrxs, Biología I, La Vida en la Tierra, Ed. Colihue. 2 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Las primeras nociones sobre la Teoría de sistemas generales provienen de los trabajos del biólogo L. von Bertalanffy en el año 1952, y se han ido enriqueciendo con los aportes de las matemáticas, la informática y la cibernética. Esta teoría y este método de análisis se han aplicado ampliamente al estudio de la naturaleza, en particular a los denominados ecosistemas. En este punto de la materia Biología para ciencias de la salud, queremos mostrar cómo el punto de vista sistémico puede ser útil para comprender una característica de la vida como son los intercambios con el medio externo. La idea de sistema es útil para estudiar el funcionamiento de diversas cosas. Para ello, el que estudia, define el sistema que más le conviene según los fines de su estudio. Por ejemplo, si se quiere estudiar el funcionamiento de una Universidad, se puede definir la universidad en su conjunto como sistema, analizando por ejemplo el número de ingresantes y de egresados anuales, aunque no conozcamos en detalle cómo es que unx ingresante se convierte en unx egresadx. En este ejemplo diríamos que la Universidad sería el sistema, y todo el resto de la sociedad su entorno. Por ejemplo, las escuelas secundarias o el ministerio de educación serían parte del entorno. Vamos a definir dos tipos de sistemas en función de cómo se relacionan con el medio que los rodea: LOS SISTEMAS CERRADOS Y LOS SISTEMAS ABIERTOS Se dice que un sistema es cerrado cuando entre el sistema que se está considerando y el entorno del mismo no se produce ningún tipo de intercambio. Esto significa que el sistema cerrado no está comunicado con el entorno, y entonces nada entra ni sale hacia o desde ellos. Es equivalente a decir que no existen flujos de materia o energía entre un sistema cerrado y el medio que lo rodea. Un termo ideal, perfectamente sellado y que no permitiera ningún intercambio de calor, sería un buen ejemplo de este tipo de sistemas. Por el contrario: Se considera que un sistema es abierto cuando mantiene un vínculo estrecho con el entorno y, por lo tanto, se produce un intercambio permanente de materia y energía con el mismo .3 3 En química suele hacerse una diferencia entre los sistemas intercambian energía pero no materia (a los cuales se llama “aislados”), y aquellos que no intercambian ni materia ni energía, a los cuales se denomina “cerrados”. Veremos que los organismos vivos son siempre sistemas abiertos. 3 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Los sistemas vivos, desde los microorganismos hasta los más variados vegetales y animales son sistemas muy complejos y organizados. Debido al ordenamiento de las estructuras internas, es posible el intercambio de materia y energía con el medio. A su vez es este intercambio el que hace posible el mantenimiento de dicho orden en el tiempo. Más adelante en la materia iremos viendo diversos ejemplos de este “orden” particular de los organismos vivos. Los organismos vivos ¿son sistemas abiertos? A esta altura de la lectura podemos pensar: ¿Qué relación hay entre lo que acabamos de leer sobre sistemas y los organismos vivos? El concepto de organismo vivo que tratamos a lo largo del Módulo 1, sumada a las ideas que acabamos de leer sobre los sistemas, llevan a la conclusión de que los organismos vivos constituimos un buen ejemplo de sistemas. Pero, ¿cómo podríamos argumentar a favor de esta afirmación? Una forma de argumentar esta afirmación sería a partir de una relectura del texto en la que busquemos las características que poseen los sistemas y las relacionemos con aquellas que poseen los organismos vivos, por ejemplo: Los organismos vivos pueden considerarse “un conjunto de elementos en interacción” Si queremos establecer dentro de qué tipo de sistemas corresponderíaincluir a los organismos vivos, deberíamos volver a leer el texto anterior, las definiciones de sistema abierto y cerrado, y a su vez pensar en las características de los organismos vivos que estudiamos al inicio de la clase. Si los sistemas abiertos son los que intercambian materia y energía con el entorno, y los sistemas cerrados no establecen intercambios con el medio, teniendo en cuenta las características de los organismos vivos, sobre todo la siguiente (extraída de una de las características de los organismos vivos vistas anteriormente): “Los organismos vivos somos capaces de tomar materia y energía del ambiente y transformarla. Cada vez que comemos, somos capaces de transformar y metabolizar ese alimento para obtener energía.” … ¿dentro de qué clasificación de sistemas incluirías a los organismos vivos? ¿cerrados o abiertos? Teniendo en cuenta el párrafo seleccionado anteriormente seguramente llegarás a la conclusión acertada de que los organismos vivos somos sistemas abiertos. Si tuvieras que hacer un esquema simple de un ser vivo, en el cual poner en evidencia que son sistemas abiertos, seguramente no te detendrías en detalles y utilizarías algún dibujo sencillo que contenga “lo mínimo necesario” para representar estos intercambios. En la materia Biología elegimos representar al organismo vivo como un recuadro, y a los intercambios con el entorno como flechas que ingresan y egresan del recuadro: 4 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Esta representación es un modelo que toma en cuenta solamente ciertos aspectos de la realidad que estamos estudiando. Lo interesante de los modelos es que se pueden aplicar a una diversidad de sistemas biológicos. En este caso el sistema que queremos representar es un organismo vivo, y no importa cuál sea, porque nuestro objetivo central es mostrar los intercambios que son característicos de todos los organismos vivos (que los convierten en sistemas abiertos). Los “lados” del cuadro nos muestran el límite del organismo vivo, todo lo que se encuentra por fuera de ese cuadro sería el “entorno”. Las flechas que ingresan y salen del cuadro representan la dirección de la materia y la energía que ingresa desde entorno al sistema (en este caso el organismo vivo) y que salen del sistema hacia el entorno. Dentro de los límites del ser vivo, se realizan transformaciones de la materia y la energía, las cuáles son muchísimas y por el momento sólo nos interesa representarlas como “procesos internos”. En este modelo no nos interesa en qué consisten estos procesos, solamente podemos saber de ellos viendo que es lo que ingresa y qué es lo que egresa del sistema. A lo largo de los materiales de estudio vas a encontrar muchos modelos para explicar distintas situaciones y conceptos que serán objeto de nuestro estudio. La ciencia usa muchos modelos ya que permiten poner atención en las cuestiones centrales que se seleccionan para ser estudiadas. ¡Imaginate si para expresar los intercambios de los organismos vivos debieras dibujarlos a todos uno a uno mostrando sus detalles más mínimos! ¡Sería imposible! por esa razón se usa el modelo de figuras cerradas con flechas cuando lo que queremos es expresar que los organismos vivos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con el medio. Este modelo no sirve para estudiar por ejemplo el tipo de células que constituyen a los organismos vivos, o cuál es el tipo de moléculas que los conforma, si quisiéramos estudiar eso, seguramente necesitaríamos construir otros modelos. Pero sí es adecuado para representar a los organismos como sistemas abiertos. ¿Tenés papel y lapicera a mano? Cuando en el material aparezca este ícono: 5 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 es para indicar que es el momento de responder por escrito (para vos, no para entregar) las preguntas que aparezcan. Llamamos a estas preguntas “consignas”. Y la intención de incluirlas es ir haciendo pequeñas “paradas” en la lectura del material para proponerles pensar en algún aspecto en particular. Es importante que tengas tus respuestas a las consignas a mano cuando vayas a la clase presencial, porque están relacionadas con las Actividades de clase, y en el encuentro vamos a retomar muchas de ellas. En esta primera consigna te proponemos usar el modelo de sistema abierto que hemos presentado para pensar y representar la situación que se plantea. En el encuentro presencial vamos a retomar esta consigna de trabajo. Consigna 2-1 Las bacterias pueden estar presentes en bajas cantidades en el vino que ha sido embotellado. Si se les da el tiempo suficiente (pueden ser años) las bacterias poco a poco realizan la transformación química del alcohol etílico (o etanol) en ácido acético, como parte de su metabolismo. Cuando al destapar la botella sentimos el olor del ácido acético (avinagrado) decimos que el vino “está picado”. Vamos a utilizar el esquema de sistema abierto para representar esta situación. Queremos representar a las bacterias como el sistema. La figura esquematiza una única bacteria (es una célula única): 6 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 El recuadro del esquema que sigue simboliza nuestro sistema, podemos pensar que representa a la bacteria de la figura de arriba: Usando la información del texto: Completar el esquema con a) el nombre del sistema representado b) El nombre del proceso que tiene lugar en el sistema Lo que queda fuera del recuadro, tal como dijimos sería el entorno c) ¿Qué sustancia ingresa del entorno al sistema? d) ¿Cuál es el producto que sale del sistema hacia el entorno después del proceso interno mencionado? En Biología para Ciencias de la Salud vamos a utilizar “rúbricas de corrección” que te permitirán identificar si tu respuesta contiene todo lo necesario para considerarse una “buena respuesta”. La rúbrica es un cuadro que permite ubicar las distintas respuestas en niveles. Es muy importante tener en cuenta las rúbricas al contestar, porque sirven a la vez como una guía para saber qué esperamos lxs docentes, y una forma de “autoevaluar” tu respuesta a medida que la vayas construyendo. Aquí presentamos las rúbricas por primera vez, pero estarán también presentes en las Tareas obligatorias, y en las evaluaciones de la materia (por eso la rúbrica incluye un rango de puntaje en cada columna). Rúbrica de corrección para la Consigna 2-1. Te recomendamos chequear si tu respuesta a la Consigna cumple con los criterios establecidos en la rúbrica. 7 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Aspecto/ Consigna a evaluar Competente Avanzado Desarrollo básico Desarrollo inicial 8-10 puntos 6-7 puntos 4 -5 puntos 0 a 4 puntos Identifica en el texto el sistema que se pide representar, ubicando su nombre en el lugar correspondiente del esquema. Nombra el proceso que ocurre en el interior del organismo representado como sistema abierto. Incluye el elemento que ingresa del entorno al sistema y aquel que sale del sistema hacia el entorno. Los intercambios identificados resultan coherentes con el proceso que se representa (los elementos que ingresan son los que van a sufrir la transformación, mientras que los elementos que salen del sistema hacia el entorno corresponden a aquellos que son productos del proceso representado). Identifica en el texto el sistema que se pide representar y ubica su nombre en el lugar correspondiente del esquema. Nombra el proceso que ocurre en el interior del organismo representado como sistema abierto. Los elementos que ingresan/egresan del sistema mencionados no se corresponden con el proceso identificado Identifica en el texto el sistema que se pide representar y ubica su nombre en el lugar correspondiente del esquema. O bien Nombra el proceso que ocurre en el interior del organismo representado como sistema abierto. Confunde el sistema representado O bien Ubica el proceso representado en lugar de uno de los elementosque ingresan o salen del sistema. 8 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Como vimos en Módulo 1, según la Teoría Celular: “Todos los seres vivos estamos formados por una o más células”. Y las células son, a su vez, la menor unidad de lo que consideramos que tiene vida. Ya mencionamos que conocemos dos tipos celulares: las células procariotas y las células eucariotas. Y que, si bien ambos tipos pueden constituir la menor unidad de los seres vivos, lo son de organismos vivos muy diferentes, como iremos viendo. Para empezar, tenemos que hablar de una estructura muy importante: la membrana celular. Esta membrana define los límites entre el interior de las células y el medio exterior. Todas las células (procariotas y eucariotas) están rodeadas por una delgada membrana denominada “membrana plasmática” o “membrana celular” como se muestra esquemáticamente en la siguiente figura. Figura 1. Esquema de una célula y ubicación de la membrana celular. El dibujo corresponde a un corte de la célula, y es válido para ambos tipos celulares (procariotas y eucariotas) ya que ambas tienen membrana celular. Esta membrana permite el pasaje de algunas sustancias e impide el pasaje de otras (en ambos sentidos, es decir, tanto desde el exterior de la célula hacia el interior y viceversa). Es decir que a partir de poseer una membrana, el contenido dentro y fuera de la célula puede ser muy distinto (esto se ha representado pintando de celeste el interior y con una trama de puntos el exterior de la célula). Esta membrana no es rígida ni estática, sino que es fluida y dinámica. Está compuesta por moléculas, lípidos (grasas) y proteínas (veremos cómo son esas moléculas en las próximas semanas). En las actividades del módulo veremos qué queremos decir con “membrana fluida y dinámica” al estudiar cómo la membrana plasmática interviene en muchos procesos vitales para las células. Te proponemos ahora leer el siguiente texto sobre el primer tipo de células que vamos a estudiar, las células procariotas. Con algunas adaptaciones, el texto está tomado del libro Biología, la vida en la Tierra (2013) de Teresa Audesirk y otrxs autores. 9 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Portada del libro Biología, la vida en la Tierra. Está disponible en la biblioteca de la UNAJ (para consulta y préstamos presenciales) https://biblio.unaj.edu.ar/ Introducción a la célula procariota La mayoría de las células procariontes o procariotas son pequeñas y su estructura interna es simple en comparación con las células eucariotas. Antes dijimos que la membrana plasmática era fluida y móvil. Si las células solo tuvieran esta membrana serían muy flexibles. En general, las células procariotas están rodeadas por una pared celular rígida (por fuera de la membrana plasmática) que las protege y les da una forma propia. Esta forma puede ser diversa, hay muchos ejemplos como “bastón”, “espiral”, “esfera”, u otras (Figura 2). La forma es particular de cada especie y en algunas ocasiones resulta útil para identificarlas (por ejemplo en el diagnóstico de algunas infecciones). 10 https://biblio.unaj.edu.ar/ Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Figura 2. Formas celulares representativas de diferentes morfologías en procariotas. En la figura se pueden ver dibujos y fotografías tomadas con microscopio de distintos organismos procariotas. Consigna 2-2: Tomando como ejemplo el bacilo de la Figura 2, hacé un dibujo similar al de la Figura 1 en el que pueda verse la membrana plasmática de esta célula y la ubicación de la pared celular. 11 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Si observamos en el microscopio una muestra de células procariotas, podemos encontrar que algunas especies tienen hacia fuera de la pared celular uno o más flagelos que les permiten moverse de un lugar a otro en el medio en que se encuentren, y que otras especies presentan “Pilli”o pilosidades que sobresalen de la pared celular y permiten también el movimiento de estos organismos compuestos por una única célula. La Figura 3 muestra un esquema de una célula procariota con un flagelo y pilli: Figura 3. Esquema de una célula procariota con flagelo y pili. Y en esta breve animación se puede ver cómo nos imaginamos el movimiento de los flagelos que propulsan a la célula procariota que los posee: https://youtu.be/HIkzsGDKIwo Algunos organismos procariotas (como la de la Figura 3) pueden tener una cápsula gelatinosa por fuera de la pared. Esta cápsula puede dificultar la acción de las defensas de nuestro organismo ante los organismos infecciosos que causan enfermedades humanas. Si atravesamos estas capas externas e ingresamos a la célula encontramos el medio interno celular llamado citoplasma o citosol. En este espacio es donde ocurren reacciones bioquímicas de transformación de materia y energía. El citoplasma está contenido por la membrana plasmática y tiene una apariencia uniforme cuando se lo observa al microscopio. Decíamos que el aspecto del citoplasma es uniforme, con la excepción de una zona que se diferencia del resto llamada “nucleoide”. Esta es la zona donde se encuentra el material 12 https://youtu.be/HIkzsGDKIwo Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 genético de la célula procariota. El material genético contiene la información necesaria para el funcionamiento de la célula, y en las células procariotas consiste habitualmente en un único elemento que denominamos cromosoma. Las células procariotas no tienen un núcleo verdadero, esto quiere decir que el material genético no está separado por una membrana del resto de las sustancias presentes en el citoplasma. Como veremos más adelante, esto no será así en el caso de las células eucariotas. Figura 4. Micrografía de una célula procariota en la que puede observarse la zona más clara correspondiente al nucleoide. Aunque en este tipo de imágenes no pueden distinguirse las membranas (por ser demasiado finas) sabemos que no hay membranas que separen la zona del nucleoide del resto del citoplasma. Muchos organismos con células procariotas contienen también pequeños anillos de ADN llamados plásmidos, que se localizan fuera del nucleoide. Los plásmidos también son material genético, pero no llevan información esencial para la célula, sino que confieren propiedades especiales que pueden ser ventajosas en ciertas situaciones. Por ejemplo, algunas bacterias patógenas tienen plásmidos que les permiten desactivar los antibióticos, por lo que resulta mucho más difícil eliminarlas. El citoplasma procariota contiene ribosomas, que son las estructuras encargadas de la producción (o síntesis) de las proteínas, un importante componente de todas las células. Los ribosomas están representados también en la Figura 3, a modo de “bolitas” distribuidas en el citoplasma. SUMANDO VOCABULARIO: En Biología le llamamos “síntesis” al proceso de construcción o fabricación de alguna sustancia o estructura. El proceso opuesto suele llamarse “degradación” 13 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 En el citoplasma hay también un conjunto muy grande de sustancias que son demasiado pequeñas para incluirlas en la Figura 3, porque son mucho más chicas que los ribosomas. Por ahora no vamos a entrar en detalle sobre su identidad química. Pero como una forma de graficarlo, podemos pensar el citoplasma como una sopa muy cargada de fideos diferentes y de distintos tamaños. En la Figura 5 se representa esta situación mediante un esquema: Figura 5. Imagen de un modelo del citoplasma procariota realizado por computadora. Este link lleva a una página en el que al clickear sobre una estructura de la célula procariota te informa su función: http://objetos.unam.mx/biologia/celulaProcariota/?fbclid=IwAR2YAtnRE-S-9VDiN2H7pvqme sOY36pYvbedmkUoLSwrUeOWX5n0tGoUfE Trabajamos hasta aquí con la célula procariota. Ahora vamos a avanzar con la lectura de un textosobre la célula eucariota, tomado de otro libro: Introducción a la Biología Celular (Alberts y otros, 2011). Este libro también está disponible en la biblioteca de la universidad. Te recomendamos que para comenzar, hagas una primera lectura y si hay palabras de las que no conozcas su significado, vayas tomando nota para agregarlas al glosario. Antes de empezar la lectura: Una aclaración para hacerles es que a los organismos que están formados por células eucariotas les llamamos “eucariontes” y los que están formados por células procariotas se llaman “procariontes”. Introducción a las células De todos los tipos de células reveladas por el microscopio, las bacterias (que son procariotas unicelulares) tienen la estructura más simple, debido a que no tiene orgánulos, ni un núcleo que contenga su material genético o ADN. Esta propiedad –la presencia o ausencia de núcleo– se utiliza como base de una clasificación simple de todos los organismos vivos. Los organismos cuyas células tienen núcleo se denominan eucariontes (del griego eu, que significa “verdadero”, y karyon, “grano” o “núcleo”) mientras que los que 14 http://objetos.unam.mx/biologia/celulaProcariota/?fbclid=IwAR2YAtnRE-S-9VDiN2H7pvqmesOY36pYvbedmkUoLSwrUeOWX5n0tGoUfEE http://objetos.unam.mx/biologia/celulaProcariota/?fbclid=IwAR2YAtnRE-S-9VDiN2H7pvqmesOY36pYvbedmkUoLSwrUeOWX5n0tGoUfEE Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 no tienen un núcleo se denominan procariontes (de pro, que significa “antes”). Los términos “bacteria” y “procarionte” se utilizan como sinónimos, aunque se verá más adelante que los procariontes incluyen otra clase de células, las arqueas, que están tan remotamente relacionadas con las bacterias que reciben un nombre distinto. Consigna 2-3. ¿Cuál es, según el texto, la propiedad básica para clasificar los organismos en procariontes o eucariontes? Hasta ahora hemos podido ver que los organismos vivos son muy diversos, pero que se los puede agrupar en dos grandes grupos: procariontes y eucariontes. Ya pudiste trabajar sobre las características de la célula procariota en las primeras actividades, así que ahora vamos a enfocarnos en las células eucariotas, las cuales son bastante más complejas. Iremos viendo cada componente celular uno a uno, y explicitaremos después a qué nos referimos con complejidad en la célula. LA CÉLULA EUCARIONTE Por lo general, las células eucariontes son más grandes y más complejas que las procariontes. Algunas tienen una vida independiente como organismos unicelulares, como las amebas y las levaduras; otras forman agrupaciones pluricelulares más complejas, como las plantas, los animales y los hongos. Por definición, todas las células eucariontes tienen un núcleo. Pero la presencia de otros orgánulos rodeados de membrana (estructuras intracelulares que cumplen funciones especializadas) es característica en este tipo de células. A continuación, se analizarán desde el punto de vista de sus funciones los orgánulos que se encuentran y son propios de las células eucariontes. Usaremos como sinónimos las palabras orgánulo y organela. Figura 6. El núcleo contiene la mayor parte del material genético de la célula. En este dibujo de una célula animal típica las líneas representan membranas. Puede observarse que además de la membrana celular o plasmática, en la célula eucariota encontramos un gran número de membranas interiores a la célula. Las imágenes en Biología En los textos científicos el uso de imágenes es tan importante como los textos que se presentan. Las imágenes tienen mucha información no sólo ilustran 15 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 sino que también aclaran, amplían y brindan mayores detalles que enriquecen los textos. Por todo esto es importante que SIEMPRE mires las imágenes, leas los textos aclaratorios que se encuentran debajo, y relaciones todo esto con la información que se encuentra en los textos. Hay distintos tipos de imágenes: dibujos, fotografías, esquemas diversos… es importante identificar en cada una qué es lo que se quiere mostrar y qué nueva información nos aporta. El núcleo es el depósito de información de la célula El núcleo suele ser el orgánulo más destacado de la célula eucarionte (Fig. 6). Está rodeado por la envoltura o membrana nuclear y contiene la información genética del organismo. En el microscopio óptico, pueden ser visibles en ciertos momentos en la vida de la célula unas estructuras alargadas que reciben el nombre de cromosomas. Dijimos antes que las células procariotas suelen tener un solo cromosoma, mientras que las eucariotas tendrán varios (las personas tenemos 46 cromosomas). En los procariontes el material genético no está envuelto por una membrana, es decir que las células procariotas carecen de núcleo, pero no de material genético. Consigna 2-4. a) ¿Cuál es según el texto la función del núcleo? b) Las estructuras de células procariotas y eucariotas suelen estudiarse por comparación entre sí. ¿Qué diferencias y similitudes podrías mencionar respecto a cómo se organiza el material genético en las células procariotas y en las células eucariotas? Las mitocondrias generan energía utilizable para la célula a partir del alimento Las mitocondrias están presentes en casi todas las células eucariotas y son orgánulos que tienen una estructura con forma externa de salchicha o de gusano, miden unos pocos micrómetros y se hallan formadas por dos membranas separadas. La membrana interna presenta pliegues que se proyectan hacia el interior (Fig. 7). La función de las mitocondrias se descubrió mediante experimentos que revelaron que estas organelas obtienen energía química de las moléculas de nutrientes, como los azúcares, y la trasladan a la molécula de adenosina trifosfato, o ATP, el combustible químico básico para la célula. Como la mitocondria consume oxígeno y libera dióxido de carbono durante esta actividad, el proceso completo se denomina respiración celular. La membrana interna de la mitocondria es la que contiene la mayoría de las proteínas responsables de la respiración celular y está sumamente plegada proporcionando una gran superficie para esta actividad. 16 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Es interesante notar que las mitocondrias son las únicas organelas en células animales que contienen en su interior un material genético propio. Figura 7. Las mitocondrias tienen una estructura característica. (A) Microfotografía electrónica de un corte transversal de una mitocondria que revela el gran plegamiento de la membrana mitocondrial. (B) Esta representación tridimensional de la organización de las membranas mitocondriales muestra la membrana externa lisa y la membrana interna notablemente plegada. La membrana interna contiene la mayoría de las proteínas responsables de la respiración celular y por su disposición proporciona una gran superficie para esta actividad. (C) En este esquema de la célula, el espacio interior de la mitocondria está coloreado. (A, cortesía de Daniel S. Friend). Consigna 2-5 a) Anota en tus apuntes, de manera resumida, la función de las mitocondrias 17 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 b) Si observas las imágenes anteriores ¿podés identificar las 2 membranas? (puede ser más directo en la Figura B). Hacé en tus apuntes un esquema propio en el que destaques la gran cantidad de membrana interna de la mitocondria en comparación con la cantidad de membrana externa. El lenguaje en Biología En el texto anterior se dice que las mitocondrias tienen “forma de salchicha o gusano”. Esta es una expresión que usan lxs autorxs para describir de una manera simple y entendible la mitocondria. Decir “forma de salchicha” puede servirnos mientras estudiamos para imaginarnos la forma de una mitocondria… al menos la primera vez que nos la encontramos. Pero no sería una expresión adecuada para utilizar en un parcial o en cualquier instancia formal que tenga lugar cuando ya se supone que hemos vistomuchas veces la mitocondria y podemos usar un vocabulario más preciso para describirla. Figura 8 La Figura 8 muestra una posible forma de visualizar cómo los pliegues de la membrana interna de la mitocondria permiten ubicar mucha más membrana en un mismo volumen. Al comparar la longitud de la línea azul (membrana externa) con la línea negra (membrana interna). Este es un ejemplo de la relación entre la estructura y la función en Biología. Antes mencionamos que el proceso de obtención de energía de los nutrientes ocurre en la membrana interna, de manera que tener una mayor cantidad de membrana interna (estructura) le permitirá a la mitocondria realizar de manera más completa su función. Las membranas internas dentro de la célula crean compartimentos intracelulares con diferentes funciones Mencionamos hasta ahora el núcleo y las mitocondrias (en plural, porque hay muchas mitocondrias por cada célula). Veremos en el texto que sigue que el citoplasma contiene muchos orgánulos –la mayoría rodeados por una sola membrana– que cumplen funciones distintas pero relacionadas: 18 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 El retículo endoplasmático (RE) –puede describirse como un laberinto irregular de espacios interconectados, rodeados por una membrana (Fig. 9)– El RE es el lugar de la célula en donde se fabrican la mayoría de los componentes de la membrana celular, así como las sustancias que serán exportadas hacia el exterior de la célula. Figura 9. Muchos componentes celulares son producidos en el retículo endoplasmático. (A) Esquema de una célula animal que muestra el retículo endoplasmático en verde. (B) Microfotografía electrónica de un corte fino de una célula en la que se observa una pequeña parte del retículo endoplasmático (RE). Obsérvese que el RE se continúa con la membrana de la envoltura nuclear. Las partículas negras que tachonan la región del RE mostrada aquí son ribosomas, los complejos moleculares que efectúan la síntesis proteica. Debido a este aspecto, el RE revestido de ribosomas a menudo se denomina “RE rugoso”. (B, cortesía de Lelio Orci). El complejo (o aparato) de Golgi (Fig. 10), compuesto por pilas de sacos aplanados envueltos por membranas, recibe y con frecuencia modifica químicamente las moléculas producidas en el retículo endoplasmático y, después, las envía al exterior de la célula o a diversas localizaciones internas. 19 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Figura 10. El complejo de Golgi se asemeja a una pila de discos aplanados. Este orgánulo, apenas visible con el microscopio óptico y que a menudo pasa inadvertido, participa en la síntesis y empaquetamiento de las moléculas que van a ser secretadas por la célula, así como en el envío de las nuevas proteínas sintetizadas hacia el compartimiento celular adecuado. (A) Esquema de una célula animal con el complejo de Golgi coloreado en rojo. (B) Ilustración del complejo de Golgi reconstruido a partir de imágenes obtenidas con el microscopio electrónico. El orgánulo está constituido por sacos aplanados de membranas apiladas en capas. En la proximidad, se observan muchas vesículas pequeñas; algunas de ellas se han desprendido del complejo de Golgi, mientras que otras están destinadas a fusionarse con éste. Aquí se muestra sólo una pila, pero una célula puede contener varias. (C) Microfotografía electrónica del complejo de Golgi de una célula animal típica. (C, cortesía de Brij J. Gupta). Consigna 2-6. Según el texto, a) ¿Cómo se dispone la membrana en el retículo endoplasmático (RE) y en el aparato de Golgi? b) ¿Qué relación podés establecer entre la función del RE y la función del complejo de Golgi? 20 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Los lisosomas son orgánulos pequeños de forma irregular, en los que tiene lugar la digestión intracelular. Los lisosomas contienen un conjunto de sustancias, las enzimas degradadoras, que tienen la característica de degradar casi cualquier material biológico. Estas enzimas están separadas del resto de los componentes celulares por la membrana del lisosoma, que no pueden atravesar. Si la membrana del orgánulo se rompe, el contenido se libera en el citoplasma y podría ser muy tóxico para la propia célula. Según el tipo de célula de que se trate, los lisosomas pueden participar mediante esta degradación de sustancias de la alimentación de la célula (en un organismo unicelular que se alimente por esta vía), o de la destrucción de microorganismos patógenos (en células de nuestro sistema inmune, por ejemplo). Los lisosomas también están involucrados en la degradación de moléculas no deseadas para su reciclado o excreción Figura 11. Los orgánulos rodeados de membrana se distribuyen por todo el citoplasma. (A) Existe una variedad de compartimientos rodeados de membrana dentro de las células eucariontes, cada uno especializado en una función diferente. (B) El resto de la célula, excluidos todos estos orgánulos, se denomina citosol (coloreado en azul). Consigna 2-7. La Figura 11 A es un buen resumen visual de lo que venimos estudiando. Te proponemos que vayas haciéndote una versión propia de esta figura, y a medida que incluyas los componentes vayas repasando su función. Para esto puede ser útil volver sobre las preguntas incluidas en las anteriores actividades. El citosol o citoplasma es un gel acuoso concentrado de moléculas grandes y pequeñas. Si se quitara la membrana plasmática de una célula eucarionte y, después, se eliminarán todos los orgánulos rodeados de membranas, quedaría el citosol (Fig. 11 B). El citosol contiene una innumerable cantidad de moléculas grandes y pequeñas y es el sitio de 21 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 muchas reacciones químicas que son fundamentales para la existencia de la célula. Por ejemplo, en el citosol se producen la fabricación o síntesis de proteínas. Los ribosomas son diminutas “máquinas” que fabrican proteínas. Pueden estar libres en el citosol o bien unidas a la superficie del retículo endoplasmático (Fig. 9). Los ribosomas unidos a RE presentan un aspecto áspero o rugoso y por este motivo se lo llama Retículo Endoplasmático Rugoso (se abrevia como RER) mientras que el Retículo Endoplasmático que carece de ribosomas se lo denomina liso (se abrevia como REL). Consigna 2-8. Según el texto los ribosomas pueden estar libres en el citoplasma o bien asociados al RE. En la Consigna 2-7 hiciste un esquema propio de la célula y sus organelas. En este momento te proponemos agregar a ese esquema algunos ribosomas “libres” y otros asociados al RE. La acción coordinada del retículo endoplasmático, el aparato de Golgi y las vesículas El interior de las células está muy lejos de ser estático como puede parecer en los esquemas y dibujos que hemos analizado. Vamos a ver ahora un ejemplo “en movimiento” de la relación funcional y dinámica que existe entre algunas organelas. Entre el retículo endoplasmático, el complejo de Golgi, los lisosomas y el exterior de la célula, hay un intercambio continuo de materiales. Éste está mediado por vesículas pequeñas rodeadas por membrana que se desprenden de la membrana de un orgánulo y se fusionan con otras, como diminutas pompas de jabón que se liberan de burbujas más grandes y vuelven a juntarse. En el siguiente video se representa la estructura interna de una célula eucariota y se puede ver el “tráfico de vesículas” descrito en el párrafo anterior. La animación muestra cómo se forma una proteína en el RER (retículo endoplasmático asociado a ribosomas, aquí en color violeta), cómo viaja en una “bolsita” o vesícula hacia el complejo de golgi, y finalmente abandona esta organela (también dentro dentro de vesículas) para ser liberada (“exportada”) fuera de la célula. La proteína está representada por la cadena de pelotitas amarillas: 22 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 https://www.youtube.com/watch?v=jaIQuSUxgfM Los procesos biológicos Además deser un buen ejemplo del funcionamiento en conjunto de las distintas organelas, la síntesis, el empaquetamiento, y liberación al medio extracelular de proteínas es un buen ejemplo también de lo que denominamos proceso biológico. A lo largo de la materia vamos a encontrar muchos procesos a distintas escalas, como la respiración celular o la digestión de los alimentos. Un aspecto en común de los procesos biológicos es que podemos pensarlos como una secuencia de eventos, en los que en general cada evento depende del anterior. En una célula eucariota pueden tener lugar al mismo tiempo muchos procesos. La exportación de proteínas mediante vesículas es un ejemplo del proceso llamado excocitosis, en el cual como hemos visto las vesículas del interior de la célula se fusionan con la membrana plasmática y liberan su contenido al medio externo. El proceso inverso se llama endocitosis. En la superficie de la célula hay porciones de la membrana plasmática que se invaginan y se desprenden hacia adentro formando vesículas que transportan dentro de la célula material capturado del medio externo (Fig. 12). Vamos a ver luego (en una Tarea para entregar del Módulo 4) que el virus que ocasionó la pandemia de COVID19, el SARS-CoV-2, ingresa a las células que infecta mediante el proceso de endocitosis. Figura 12. Las células pueden realizar endocitosis y exocitosis. Las células pueden importar materiales del medio externo movilizandolos dentro de vesículas que se desprenden de la membrana plasmática. Finalmente, las vesículas se fusionan con los lisosomas, donde se produce la digestión intracelular. Mediante un proceso inverso, las células exportan materiales que han sintetizado en el retículo endoplasmático y el complejo de Golgi: los materiales son almacenados en las vesículas intracelulares y liberados al exterior cuando las vesículas se fusionan con la membrana plasmática. 23 https://www.youtube.com/watch?v=jaIQuSUxgfM Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 El citoesqueleto es responsable de dirigir los movimientos celulares Con el microscopio electrónico se puede observar que en las células eucariontes el citosol está entrecruzado por filamentos proteicos largos y delgados que forman el citoesqueleto (que significa “esqueleto de la célula”). Este sistema presenta filamentos finos de actina y otros más gruesos, conocidos como microtúbulos. Durante la división celular se reorganizan y contribuye a dividir al material genético en direcciones opuestas. Con un grosor intermedio entre los filamentos de actina y los microtúbulos, se encuentran los filamentos intermedios, que otorgan resistencia mecánica a la célula. Estos tres tipos de filamentos, junto con otras proteínas unidas a ellos, forman un sistema de vigas, sogas y motores que guía sus movimientos y contribuyen a su forma y estructura interna celular (Fig 13). Figura 13. El citoesqueleto es una red de filamentos que se entrecruzan en el citoplasma de la célula eucarionte. Los filamentos compuestos por proteínas proporcionan a todas las células eucariontes una red interna que contribuye a organizar las actividades internas de la célula y es la base de sus movimientos y cambios de forma. El empleo de distintas tinciones fluorescentes permite detectar diferentes tipos de filamentos. Aquí se muestran (A) filamentos de actina, (B) microtúbulos y (C) filamentos intermedios. (A, cortesía de Simon Barry y Chris D´Lacey; B, cortesía de Nancy Kedersha; C, cortesía de Clive Lloyd). Como puede verse en la Figura 13, el citoesqueleto “cruza” por todas partes el citoplasma. A pesar de eso, no estaba incluido en los esquemas de las figuras anteriores. Lo mencionamos porque es un ejemplo de cómo los esquemas se van construyendo con un fin determinado. Por ejemplo, en la Figura 10A se quiere mostrar la ubicación relativa del retículo endoplasmático en la célula. Incluir el citoesqueleto en esa figura la volvería más confusa sin agregar mucha información respecto de la ubicación del RE. Esto no es, desde, ya, exclusivo del citoesqueleto. El interior de la célula está en constante movimiento. El citoesqueleto es una jungla dinámica de cordeles y varillas que se unen y separan continuamente: sus filamentos se pueden reunir y luego desaparecer en cuestión de minutos. A lo largo de estos carriles, los orgánulos, las vesículas, las moléculas se movilizan de un sitio a otro, y atraviesan con rapidez el ancho de la célula en solo segundos, pueden llegar a cada rincón de la célula en poco tiempo. Podés verlo en el siguiente video realizado con imágenes tomadas por microscopía: 24 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 https://www.youtube.com/watch?v=FpIo6wRbkAM&ab_channel=rikenchannel Consigna 2-9. Volvé a mirar la Figura 12 de la exo y endocitosis. Mencionar al menos dos funciones del citoesqueleto. Según el texto ¿qué rol tiene el citoesqueleto en los procesos descritos? Hasta ahora hemos usado el término organela sin darle una definición precisa. El término surgió al reconocer que las células eucariotas tienen en su interior estas estructuras especializadas en distintas funciones. El nombre organela hace referencia a “órganos pequeños” y fue asignado por analogía con los órganos del cuerpo, cada uno con su función o funciones. Consigna 2-10 Completar el cuadro que sigue te va a servir como resumen de las características de las organelas, y pone en evidencia los aspectos que nos interesa destacar al estudiar la célula eucariota. Si te resulta útil usa este link interactivo en el que si clickeas cada estructura te informa su función dentro de la célula eucariota: http://objetos.unam.mx/biologia/celulaEucariota/?fbclid=IwAR2pRuT9c7eLc0kB6IxwHw8Hb JDtUYF8UlzMvZyOdO48_y4RWFlSsOuAGK8. Es posible que en este momento el cuadro resulte un resumen “muy apretado”. Pero a lo largo de esta materia iremos ampliando y encontrando nuevos sentidos a estas funciones. 25 https://www.youtube.com/watch?v=FpIo6wRbkAM&ab_channel=rikenchannel http://objetos.unam.mx/biologia/celulaEucariota/?fbclid=IwAR2pRuT9c7eLc0kB6IxwHw8HbJDtUYF8UlzMvZyOdO48_y4RWFlSsOuAGK8 http://objetos.unam.mx/biologia/celulaEucariota/?fbclid=IwAR2pRuT9c7eLc0kB6IxwHw8HbJDtUYF8UlzMvZyOdO48_y4RWFlSsOuAGK8 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Organela Forma y Estructura Función Membrana Celular Citoplasma Núcleo Membrana Nuclear RER REL Aparato de Golgi Vesículas Mitocondrias Lisosomas Citoesqueleto Ribosomas Procariotas y eucariotas Como vimos en el Módulo 1, TODOS los organismos vivos estamos formados por una o más células. En esta semana agregamos que las células pueden ser de dos tipos muy diferentes: procariotas o eucariotas, y hemos visto algunas de sus características. Queremos cerrar este tema volviendo sobre las diferencias entre ambos tipos celulares. En el siguiente esquema, se pueden apreciar a estos dos tipos de células: En primer lugar es importante entender qué elementos son comunes a ambos tipos de células, estos son : la membrana plasmática, el citoplasma, el material genético y los ribosomas. La Figura 14 muestra estos elementos comunes. 26 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 Figura 14 Ahora vamos a fundamentar por qué decimos que ambos tipos celulares son muy diferentes. En primer lugar podemos mencionar que hay diferencias incluso en las estructuras compartidas. Por ejemplo, vimos que los ribosomas de ambos tipos celulares, aunque tienen la misma función, no son exactamente iguales. Una diferencia notoria entre células procariotas y eucariotas es el tamaño. Las células procariotas tienen un tamaño de 0,1-10 um mientras que las eucariotas, se ubican entre los 10 y los 100 um, es decir son unas 10 veces más largas. Como para ilustrar esta diferencia de tamaño, podemos ver que una célula procariota típica tiene el tamaño de una mitocondria. Es importante notar que en la Figura 14 esta diferencia de tamaño no se respetó al hacer los esquemas. ¿Recuerdanel video del macrófago persiguiendo a la bacteria que vimos en el Módulo 1? Vuelvan a mirarlo si lo desean. Allí podrán apreciar la diferencias de tamaño entre las células eucariotas (el macrófago y los glóbulos rojos) y las procariotas (la bacteria). ¿Qué otras diferencias entre ambos tipos celulares se te ocurren? Una de las diferencias que podemos agregar, y que pueden resumir algunas de las que se te hayan ocurrido, es que “las células eucariotas son más complejas que las procariotas”. ¿A qué nos referimos con complejidad en este contexto? Hemos usado más arriba el concepto de “compartimentalización celular”, para describir los diferentes compartimentos separados por membranas dentro de la célula eucariota. Cada una de las organelas celulares tiene una función dentro de la célula, y el compartimiento interno de cada organela donde esta función se realiza suele estar separado 27 Biología para Ciencias de la Salud - UNAJ 1er cuatrimestre de 2021 del resto de la célula por membranas de una composición similar a la de la membrana plasmática. Nos referimos a la membrana de una vesícula, o del complejo de Golgi, por mencionar dos ejemplos. De manera que una célula eucariota puede llevar adelante distintos procesos de manera independiente al mismo tiempo, es decir sin que las sustancias involucradas se mezclen o interfieran entre sí. Esto no es posible en una célula procariota, dado que la única membrana presente es la membrana plasmática o celular que rodea toda la célula. Decimos por tanto que una célula eucariota es más compleja que una célula procariota. 28
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