Tema 02 - Genética.

Hasta este momento hemos visto cómo el material genético (ADN), contiene la información necesaria pare el correcto funcionamiento de las células y por lo tanto de todo el organismo. También hemos estudiado cómo se produce la transmisión de esa información de una célula madre a sus células hijas y cómo en el proceso de meiosis las células hijas presentan diferencias en cuanto a la información que transmiten dado el proceso de entrecruzamiento de los cromosomas.

En este tema vamos a estudiar el fenómeno de la herencia de los caracteres, cómo se transmiten de padres a hijos y cómo interactúan entre ellos.

Caracteres y los genes:

Si miramos a nuestro alrededor veremos que todos los seres vivos que nos rodean, incluidos nuestro compañeros y amigos, presentan características distintivas. A menudo estas características se presentan también en sus progenitores.

En la saga de Harry Potter todos los Weasley

han heredado el pelo pelirrojo de sus padres

Esta herencia de los caracteres se estudia en la rama de la biología denominada genética.

Se denomina carácter a cada característica presente en un organismo que es heredable por sus descendientes.

Durante siglos se desconocía cómo se heredaban las características. Se sabía que algunas de ellas pasaban de padres a hijos pero se desconocía el mecanismo por el que esto ocurría. No sería hasta la comprensión de los procesos de mitosis y meiosis cuando se relacionó la herencia con la transmisión del ADN, y se empezó a hablar de los genes.

Un gen es un fragmento del ADN que contiene la información para un determinado carácter y que por tanto controla dicho carácter. Ademas existen distintas "alternativas" para cada gen, y a cada una de ellas se la denomina alelo.

Dado que heredamos un cromosoma de cada par de cada uno de nuestros progenitores, podemos entender fácilmente que en cada uno de nuestros cromosomas homólogos (o iguales) tenemos una copia del mismo gen (por ejemplo el que determina el color de ojos) pero no necesariamente el mismo alelo (por ejemplo ojos azules en el cromosoma paterno y ojos verdes en el materno).

                                               

Además cada gen se localiza siempre en una posición específica del cromosoma que se denomina locus.

A los alelos que heredamos podemos representarlos con letras mayúsculas (ej. A) o minúsculas (ej. a),según sea un gen dominante o recesivo. Si los dos alelos que presenta un organismo son idénticos (AA o aa) entonces a dicho organismo lo denominamos homocigótico para ese carácter. Si son distintos (Aa) lo denominamos heterocigótico o híbrido para ese carácter.

Si en los organismos heterocigóticos para ese carácter (Aa) se manifiesta uno de ellos (A) entonces se dice que ese alelo es dominante y el otro (a) es recesivo. Esos alelos recesivos se manifiestan sólo en homocigosis (aa).

Por ejemplo en gatos el pelo corto domina sobre el largo.

El nacimiento de la genética: Los trabajos de Mendel.

Gregor Johann Mendel (20 de julio de 1822 - 6 de enero de 1884) fue un monje agustino nacido en Heinzendorf, Austria (hoy, República Checa) que se encargaba de las labores del huerto en el monasterio donde vivía. Allí, entre 1856 y 1863, probó cerca de 28000 cruces entre diferentes variedades de guisante (Pisum sativum), y dedujo las que hoy conocemos como leyes de Mendel, que publicó bajo el título de "Experimentos en hibridación vegetal"

Mendel, J. G., 1866. Versuche über Plflanzenhybriden. Verhandlungen des naturforschenden Vereines in Brünn, Bd. IV für das Jahr, 1865 Abhandlungen:3-47

Aunque pueda parecer extraño sus conclusiones pasaron desapercibidos durante 35 años, cuando se tradujeron al ingles en 1901. No sería hasta entonces cuando tres investigadores, Correns, Tschermak y DeVries, "redescubren" este trabajo y dan validez a dichas leyes al realizar ellos mismos experimentos similares y llegar a las mismas conclusiones.

Mendel fue un gran observador de la naturaleza y la elección que hizo de la planta a estudiar resulto totalmente acertada:

• La planta es fácil de manipular, se autopoliniza pero puede aceptar la polinización cruzada de manera artificial.
• Los caracteres elegidos son "puros", es decir, presentan el mismo patrón generación tras generación
• Aplicó un método estadístico al análisis de los resultados.

Las Leyes de Mendel:

Primera ley o principio de la uniformidad: Cuando se cruzan dos individuos de raza pura, los híbridos resultantes son todos iguales.

El cruce de dos individuos homocigóticos, uno de ellos dominante (AA) y el otro recesivo (aa), origina sólo individuos heterocigóticas, es decir, los individuos de la primera generación filial son uniformes entre ellos (Aa).

Segunda ley o principio de la segregación de caracteres en la segunda generación filial: Los caracteres que se encuentran juntos en los individuos heterocigóticos se segregan sin mezclarse cuando se forman los gametos.

El cruce de dos individuos de la F1 (Aa) dará origen a una segunda generación filial en la cual reaparece el fenotipo "a", a pesar de que todos los individuos de la F1 eran de fenotipo "A". Esto hace presumir a Mendel que el carácter "a" no había desaparecido, sino que sólo había sido ocultado por el carácter "A" pero que, al reproducirse un individuo, cada carácter se segrega por separado.

Tercera ley o principio de la transmisión independiente: Los distintos caracteres se transmiten independientemente unos de otros, de modo que pueden aparecer todas las combinaciones posibles en la descendencia.

Hace referencia al cruce polihíbrido (dos o más caracteres). Mendel trabajó este cruce en guisantes, en los cuales las características que él observaba (color de la semilla y rugosidad de su superficie) se encontraban en cromosomas separados. De esta manera, observó que los caracteres se transmitían independientemente unos de otros. Esta ley, sin embargo, deja de cumplirse cuando existe vinculación (dos genes están muy cerca y no se separan en la meiosis).

Hacia 1915 se aceptaba como válida la interpretación de la genética mendeliana, que se había podido aplicar en una amplia variedad de organismos. No obstante se encuentran algunas excepciones a las leyes de Mendel.

Codominancia

Ocurre cuando dos alelos se manifiestan de manera simultanea. Es decir la presencia de uno no afecta a la manifestación del otro. El ejemplo mas característico es el de los grupos sanguíneos, en el que los alelos A y B se pueden manifestar al mismo tiempo (grupo AB).

Pero no es el único ejemplo. Podemos encontrar casos de mezcla de colores en plantas y animales.

Por ejemplo en las vacas se combinan el blanco y el negro y en el rododendro el blanco y el rosa

Herencia intermedia

Sucede cuando los dos alelos se manifiestan y se mezclan los fenotipos. El ejemplo mas típico es en la planta conocida como Dondiego de noche (Mirabilis jalapa), en la que las flores pueden presentar la mezcla de los colores de los progenitores. El caso mas conocido es el cruce de flores rojas y blancas, que presenta como descendencia flores rosas.

Si posteriormente cruzásemos los resultados de esa F1 tendríamos en la F2 los fenotipos de los progenitores.

El ligamento y la recombinación

Entre las excepciones a las leyes de Mendel destacan estas dos, debidas a la localización de los genes en los cromosomas. Ambos fueron descubiertos por el equipo que estudiaba la genética de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) dirigidos por  Thomas Hunt Morgan, quienes desarrollaron la teoría mendeliana-cromosómica de la herencia, ampliamente aceptada por la comunidad científica para 1925.

Algunos de los trabajos del equipo de venían a confirmar las leyes de Mendel, por ejemplo al demostrar la herencia de ojos blancos (recesivos frente a rojos) en las moscas tal y como establece la segunda ley de Mendel. El problema era que la mutación encontrada sólo aparecía en machos. Eso llevó a Morgan a considerar que la mutación se encontraba ligada al sexo.

Sin embargo entre los descubrimientos de Morgan destacan precisamente las excepciones a dicha tercera ley. Esto se debe a que algunos genes se transmiten juntos en vez de ser independientes, como si fueran una única unidad. y es que estando juntos en el cromosoma se heredan juntos y se manifiestan juntos.

En el caso de los guisantes sería algo así.

(Fuente: http://www.geocities.ws/batxillerat_biologia/genmendeliana.htm)

Además Morgan fue quien descubrió en el proceso de meiosis el sobrecruzamiento y recombinación de los cromosomas, lo que también altera el resultado esperado conforme a las leyes de Mendel.

En esta época ya se habían desarrollado cálculos estadísticos suficientes para poder entender la genética de poblaciones e interpretar a la luz de la genética los estudio de la evolución. Sin embargo lo que no estaba claro era qué era lo que hacía de los cromosomas el material de la herencia. No sería hasta la década de 1940-1959 cuando se descubre la composición de los cromosomas como una enorme molécula de Ácido Desoxirribonucleico. Lo que no se conocía era cómo se estructuraba dicha molécula y cómo funcionaba. No sería hasta 1953 que James D. Watson y Francis Crick publican la estructura de doble hélice del ADN, lo que facilita entender los mecanismos de su funcionamiento, su copia, etc.

Por esta publicación recibieron el premio Nobel en 1962. No obstante no debemos olvidar el papel de la cristalógrafa Rosalind Franklin en este descubrimiento, dado que es algo histórico que su trabajo con las fotografías de las sales de ADN resultó fundamental para este descubrimiento y que una de estas fotografías es la base de este trabajo.

Puedes ver una cronología de la historia de la genética en la Wikipedia

Estructura del ADN

Los ácidos nucleicos son moléculas formadas por la unión de unas moléculas mas sencillas llamadas nucleótidos.

Los nucleótidos están formados por tres componentes:

•     Una base nitrogenada: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C), Timina (T), Uracilo (U)
•    Un azúcar de cinco átomos de carbono (pentosa), que puede ser una ribosa (ARN) o una desoxirribosa (ADN)
•    Un grupo fosfato, que es un derivado del ácido fosfórico (H₃PO₄).

Las diferencias básicas entre los dos tipos de ácidos nucléicos son: 

           ARN:

                   El ARN aparece tanto en el núcleo celular como en el citoplasma.

                   Contienen una ribosa como pentosa.

                   Sus bases nitrogenadas son A,G,C y U, no presentando Timina.

                   Generalmente el ARN es de una sola cadena de nucleótidos.

                   Existen diversos tipos de ARN, como el mensajero (ARNm) o el de transferencia (ARNt).

    

ADN:

       El ADN nunca sale del núcleo celular.

       Contienen una desoxiribosa como pentosa.

       Sus bases nitrogenadas son A,G,C y T.

       Su estructura se denomina de doble hélice, y fue descrita por Watson y Crick en 1953.

                                   

     Son dos cadenas que se pliegan formando una estrucutra de tipo "escalera de caracol".

     Las cadenas se mantienen unidas por los enlaces entre sus bases nitrogenadas.

     Las bases nitrogenadas se unen con sus complementarias: 

                                             Adenina (A) ::: Timina (T)

                                             Guanina (G) ::: Citosina (C)

      La secuencia de ADN de cada organismo constituye la llamada información genética.

Funciones de los ácidos nucleicos:

Los ácidos nucleicos tienen la función de:

     Regular la actividad de la célula mediante la síntesis de las proteínas necesarias en cada situación

   Transmitir la información genética: Es decir copiar la información del ADN y transmitir dichas copias a cada una de las células hijas.

La Regulación celular: Síntesis de proteínas

      Se realiza en dos fases:

                Transcripción: consiste en sintetizar en el núcleo de la célula una molécula de ARNm usando como molde un fragmento del ADN (gen).

                 Traducción: el ARNm sale al citoplasma celular,se une a los ribosomas (libres o en el Retículo endoplasmático rugoso) y se va fabricando la proteína codificada por el ARNm.

                     

                                  

Puedes ver un vídeo explicativo aquí:

El código genético:

    Durante la traducción el ribosoma debe interpretar el mensaje contenido en el ARNm para fabricar la proteína específica de esa información, para lo cual "lee" las bases nitrogenadas en grupos de tres, denominados codones. 

    La correspondencia entre los codones de ARNm y los aminoácidos se denomina código genético, que presenta algunas características:

                    

 Es universal: 

              Salvo alguna pequeña excepción puntual, el código es idéntico en todos los seres vivos de la tierra, desde bacterias a humanos.

            

Es degenerado:

              A la mayoría de los aminoácidos les corresponde mas de un codón, no es por tanto un código de dos direcciones. No se puede deducir la secuencia de nucleótidos a partir de la proteína.

              Tiene tripletes que no codifican para aminoácidos, y son los llamados tripletes de terminación o fin. (UAA, llamado ocre; UAG, llamado ámbar; UGA, llamado ópalo).

              En la mayoría de los casos el triplete AUG (Metionina) determina la señal de inicio. Esto no implica necesariamente que todas las proteínas activas tengan la metionina como el primer aminoácido, simplemente que se empieza su síntesis con una metionina, pero posteriormente las proteínas son "activadas" mediante diversos procesos de maduración entre los que la pérdida de fragmentos es frecuente.

Ejercicio para practicar:
¿Has entendido cómo funciona el código genético?. ¿Serías capaz de llegar a una proteína a partir de una secuencia de nucleócidos. Haz la prueba utilizando este sencillo ejercicio:


Secuencia  ADN:
     CGTAATACCCGCCTGCTAAGCTACATTGAATAGAAGTAAATTGCATTT

Trascripción  ARN:
     GCAUUAUGGGCGGACGAUUCGAUGAACUUAUCUUCAUUUAACGUAAA

Buscamos el triplete de inicio AUG y empezamos a "leer" de dentro hacia afuera en el código.

         GCAUUAUG/GGC/GGA/CGA/UUC/GAU/GAA/CUU/AUC/UUC/AUU/UAA/CGU/AAA
                        Met - Gly - Gly - Arg - Phe - Asp - Glu - Leu - Ile - Phe - Ile

En el codón UAA, que determina parada (Stop), no se añade nada. Es por eso por lo que se detiene la trascripcion


Ingeniería genética

     Tras muchos años de investigaciones básicas sobre la genética, actualmente se poseen suficientes conocimientos como para poder modificar los genes de un organismo.

      Para esas modificaciones hacen falta diversas herramientas:
 

•     Enzimas de restricción: Son enzimas que actúan sobre secuencias específicas de ADN y las cortan de una manera concreta. Estas secuencias son palíndromos, es decir secuencias que se leen igual de derecha a izquierda que de izquierda a derecha. En el caso de la genética serían secuencias de AGCT de lectura idéntica en cualquiera de los sentidos.

•      Vectores: Son los vehículos con los que se introducen los nuevos genes a los hospedadores. En  la mayoría de los casos son plásmidos, pequeñas moléculas de ADN circular que las bacterias son capaces de asimilar y de intercambiar entre ellas.

•       ADN Ligasa: Las enzimas que unen los segmentos de ADN

•      Células huésped o receptoras: Aquellas en las que se introduce el nuevo gen

  

   Realiza el siguiente ejercicio para ver si has entendido cómo se hace un proceso de ingeniería genética.

     

      Otras técnicas de ingeniería genética:

•      PCR. La Reacción en cadena de la Polimerasa es una técnica que permite obtener muchas copias idénticas de una cadena de ADN, de modo que se "amplifica" la muestra inicial para poder utilizar ese ADN para otras técnicas.

•      Secuenciación del ADN. Una vez se tiene suficiente ADN se puede secuenciar, es decir analizar la secuencia de bases que aparecen en una cadena o fragmento concreto del ADN. Esto se realiza mediante secuenciadores que, de manera automática "leen" en ADN y almacenan la "letra" correspondiente que han "leido": A,T,C,G.  La mayor aplicación de esta técnica se encuentra en el Proyecto Genona Humano

•      La Clonación consiste en crear copias genéricamente idénticas de un organismo. Existen dos tipos fundamentales, la clonación reproductora (es decir crear un organismo idéntico a otro) y la terapéuta, que básicamente es crear tejidos y en un futuro órganos a partir de líneas celulares específicas (Células madre).

                El caso más conocido de clonación en mamíferos es de la oveja Dolly, cuya clonación podrás entender viendo este vídeo

      Puedes entender mejor la ingeniería genética, sus aplicaciones y sus riesgos viendo este vídeo de la editorial Anaya.

Edición de genes con la técnica CRISPR: Fuente: Wikipedia

Los CRISPR (en inglés: clustered regularly interspaced short palindromic repeats, en español repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas​) son loci de ADN que contienen repeticiones cortas de secuencias de bases. Tras cada repetición siguen segmentos cortos de "ADN espaciador" proveniente de exposiciones previas a un virus.

        Desde 2013, el sistema CRISPR/Cas se ha utilizado para la edición de genes (agregando, interrumpiendo o cambiando las secuencias de genes específicos) y para la regulación génica en varias especies.8​ Al administrar la proteína Cas9 y los ARN guía apropiados a una célula, el genoma de esta puede cortarse en los lugares deseados, cuyas secuencias serán complementarias a las de los ARN guía utilizados. Esto permite la eliminación funcional de genes o la introducción de mutaciones (tras la reparación del corte realizado por la maquinaria celular de reparación del ADN) para estudiar sus efectos

    Recientemente se ha usado con éxito para curar a un niño con "piel de mariposa" (epidermólisis ampollar).

    A finales de 2018 un equipo de científicos chinos afirmó haber utilizado esta técnica para lograr el nacimiento de dos niñas con el genoma editado de tal modo que fueran resistentes al SIDA.

En diciembre de 2019 el investigador jefe de este equipo de científicos, He Jiankui,, fue condenado a tres años de cárcel y a pagar una multa de tres millones de yuanes (380.000 euros) al ser encontrado culpable de “llevar a cabo, de manera ilegal, la edición genética de varios embriones humanos con fines reproductivos”, ya que se saltó las regulaciones nacionales chinas sobre investigación científica y gestión médica de manera deliberada.

Algunos de los últimos avances de la Ingeniería genética:

• Obtienen gametos de ambos sexos de la cola de un ratón y logran el nacimiento de crías a partir de dos hembras.

• "Xenobots" robots vivos diseñados a partir de células de rana

¿Qué nos deparará el futuro?

Tema 01. La Célula

A estas alturas (eso espero…) todos tenéis claro que todos los seres vivos están formados por células, que son la unidad básica de la vida. 

En este tema vamos a estudiar cómo funcionan dichas células, cómo interaccionan entre sí los diversos orgánulos, cómo se agrupan las células para formar tejidos... además vamos a estudiar las características generales de los diferentes tipos de células.

La teoría celular:

            Entre 1838 y 1855 M. Schleiden, T. Schwann y R. Virchow concluyeron una serie de trabajos en los que se basa la conocida como Teoría Celular, cuyos postulados todavía hoy están vigentes y podemos resumir en los siguientes puntos:

• Todos los seres vivos están formados por una o más células
• La célula es la unidad anatómica (o estructural) y fisiológica (o funcional) de los seres vivos. Es decir, es la unidad básica de la vida.
• Toda célula se origina por división de otra célula ya existente.

Historia de la teoría celular:

Antecedentes:

Los antiguos filósofos griegos pensaban que los seres vivos estaban formados por unidades básicas más pequeñas e indivisibles.

          

          En 1665 el inglés Robert Hooke, al observar una muestra de corcho utilizando un microscopio de varias lentes, comprobó que estaba formado por una serie de celdillas de color transparente, ordenadas de manera semejante a las celdas de una colmena; para referirse a cada una de estas celdas, él utiliza la palabra latina “cella”, celdilla o célula.

             En 1673 Anton Van Leeuwenhoek, usando unos microscopios muy simples fabricados por él mismo, realizó observaciones de pequeños seres vivos en el agua, a los que llamo “animalículos”. Hasta su muerte en 1723 realizó numerosos descubrimientos y introdujo mejoras en la fabricación de microscopios.

            En 1831 el botánico escocés Robert Brown, estudiando células de orquídeas, fue el primero en describir en detalle la estructura del núcleo celular, si bien no fue el primero en observarlo, por ejemplo Leeuwenhoek lo observó en eritrocitos de salmón y lo denominó “hueco” o “lumen”.

        Unos años más tarde, en 1837, el fisiólogo y botánico checo Jan Evangelista Purkinje describiría la existencia de un medio intracelular, al que denominó protoplasma, y que hoy conocemos como citoplasma.

           

Formulación de la teoría celular:

          Con estos antecedentes dos científicos alemanes, Theodor Schwann, histólogo y fisiólogo, y Jakob Schleiden, botánico, se percataron de cierta comunidad fundamental en la estructura microscópica de animales y plantas, en particular la presencia de centros o núcleos, que Robert Brown había descrito recientemente (1831). Debido a ello en 1839 publicaron juntos la obra “Investigaciones microscópicas sobre la concordancia de la estructura y el crecimiento de las plantas y los animales” con la que asentaron los dos primeros principios de lo que hoy se conoce como teoría celular

·         "Todo en los seres vivos está formado por células o productos secretados por las células"

·         "La célula es la unidad básica de organización de la vida".

Sería un tercer investigador alemán el que completaría la teoría celular años mas tarde.

El médico Rudolf Virchow, estaba interesado en comprender la especificidad celular a nivel patológico, puesto que observó que sólo algunas clases de células parecen implicadas en cada enfermedad. Con ello en mente, en 1855 explicó lo que debemos considerar el tercer principio:

·         "Toda célula se ha originado a partir de otra célula, por división de esta".

Este principio lo popularizó Virchow en la forma de un aforismo creado por François Vincent Raspail, “omnis cellula e cellula”.

Después de la teoría celular:

La teoría celular fue debatida a lo largo del siglo XIX, pero fue Pasteur el que, con sus experimentos sobre la multiplicación de los microorganismos unicelulares, dio lugar a su aceptación rotunda y definitiva. Sin embargo quedaba una parte del cuerpo ajena a la teoría celular; el sistema nervioso no parece al microscopio más que una maraña de conexiones sin aspecto celular. Fueron los estudios con tinciones de sales de plata del sistema nervioso los que en 1888 permitieron al médico español Santiago Ramón y Cajal demostrar que el tejido nervioso también está formado por células. Su teoría, denominada “neuronismo” o “doctrina de la neurona”, explicaba el sistema nervioso como un conglomerado de unidades independientes. (Gracias a este descubrimiento recibió el premio Nobel en 1906, compartido con Camillo Golgi, que fue quien desarrolló la técnica de tinción con sales de plata)

Si bien el monje austriaco Gregor Mendel propuso en 1865 que las características de las células se transmiten de las células madres a hijas, sus estudios quedaron olvidados hasta 1900, por lo que realmente su contribución al conocimiento celular podemos considerarlo posterior a la formulación de la teoría aunque fundamental para el desarrollo de la Biología, con avances tan importantes como la teoría cromosómica de la herencia, desarrollada independientemente en 1902 por Theodor Boveri y Walter Sutton.  Pero su idea de que los caracteres que se heredaban se encontraban en los cromosomas no fue aceptada y fue muy controvertida hasta 1915, cuando Thomas Hunt Morgan consiguió que fuera universalmente aceptada después de sus estudios realizados con la mosca del vinagre Drosophila melanogaster, en la que descubrió caracteres ligados al sexo.

Watson y Crick con un modelo de la doble helice de ADN

Sin embargo saber que la herencia de los caracteres se encuentra en los cromosomas, no implica saber cómo se almacena allí esa información. La ciencia de la genética aún tendría que esperar hasta 1953 con la publicación del artículo de James D. Watson y Francis H.C. Crick "Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid" en la revista Nature, en la que describen la estructura de doble hélice del material genético. Por este trabajo recibieron el premio Nobel en 1962 compartido Maurice Wilkins. Este último trabajaba con Rosalind Franklin en la captación de imágenes de rayos X de la molécula de ADN. Dichas imágenes fueron imprescindibles para descubrir la estructura de doble hélice de la molécula de ADN.

 Se suele decir que Rosalind Franklin no recibió el premio Nobel que dieron a Watson, Crick y Wilkins por el machismo imperante en aquella época, pero lo cierto es que ella falleció en 1958 y no se conceden premios nobel a personas ya fallecidas.

Rosalind Franklin

Lynn Margulis

    La última gran teoría sobre las células la encontramos con los trabajos de la bióloga Lynn Margulis,  quien explicó el origen de las células eucariotas a partir de las procariotas gracias a su teoría de la endosimbiosis.  Si bien y tras quince intentos fracasados, su primer trabajo sobre el tema “Origin of Mitosing Cells” fue publicado en 1967 (con su nombre de casada: Lynn Sagan). Tras este artículo comenzaría a recoger su teoría en un libro “Origin of Eukaryotic Cells” que no pudo publicar hasta 1970, siendo esto posible porque en esta década su teoría empezaba a tener aceptación entre los científicos.

Niveles de Organización:

           

            Los seres vivos según el número de células que los constituyen se dividen en unicelulares y pluricelulares. Sin embargo existe un paso intermedio entre ambos, las colonias.

Organismos unicelulares:

            Presentan las siguientes características:

·         Están formados por una única célula

·         Viven en medios acuosos.

·         Su tamaño no puede ser muy grande

Dentro de este grupo encontramos todos los procariotas (bacterias) así como algunos eucariotas (algunas algas, protozoos, levaduras…)

Las colonias:

            Son agrupaciones de organismos unicelulares.

Algunas de las colonias más complejas tienen células especializadas en determinadas funciones lo que hace que las células dependan unas de otras y por lo tanto no puedan vivir unas separadas de otras aún siendo individuos diferentes.

Otras colonias menos complejas están formadas por células que realizan todas sus funciones por  sí mismas, por lo que sí pueden vivir de manera independiente a ellas.

Algunas algas (ej Volvox), presentan este tipo de organización.

 

Colonias de Volvox

Organismos pluricelulares:

            Presentan las siguientes características:

·        Están formados por muchas células que:

o   Se han originado por división de la misma célula inicial.

o   No pueden independizarse

o   Están interconectadas formando un todo integrado

·        Presentan células especializadas adaptadas para una función específica, formadas en un proceso de diferenciación celular

·        No están en contacto con el medio externo, sino con un medio interno gracias al que se comunican e intercambian sustancias

·        En la mayoría de los organismos pluricelulares las células de un mismo tipo se agrupan formando tejidos, los cuales forman órganos que se organizan en aparatos o sistemas

Dentro de este grupo encontramos los animales, plantas y muchos hongos y algas. No obstante no todos ellos presentan la misma complejidad.

·         Sin tejidos: esponjas

·         Con tejidos pero sin órganos: musgos y cnidarios (medusas y pólipos)

·   Con órganos pero sin aparatos: plantas espermatófitas y algunos gusanos (ej planarias)

·         Con aparatos y sistemas: muchos invertebrados y los vertebrados.



Realiza la siguiente actividad

 La Célula y su Organización:

La célula es la unidad más elemental de un ser vivo que es capaz de realizar las tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción.

Con independencia del tipo celular todas ellas presentan tres componentes básicos:

La membrana plasmática:

Es una envoltura muy delgada y elástica que separa la célula del medio, actuando como la frontera que regula la entrada y salida de sustancias además de detectar los estímulos del medio y servir de comunicación entre las células.

El citoplasma:

Es la sustancia de relleno del interior celular. En él se encuentran los diferentes orgánulos que realizan distintas funciones dentro de la célula.

Las reacciones químicas que conforman el metabolismo celular ocurren en el citoplasma y los orgánulos.

El material genético (ADN):

El ácido desoxirribonucleico (ADN) es una compleja sustancia química que contiene la información genética, necesaria para regular el funcionamiento celular, y que se transmite de una célula a sus células hijas.

Según dónde encontremos el ADN tenemos dos tipos de células. Las procariotas (bacterias), presentan el ADN en el citoplasma, mientras que las eucariotas (hongos, plantas y animales), lo presentan rodeado de una envoltura, el núcleo.

Las células procariotas:

            Este tipo de estructura celular es exclusivo de las bacterias, miembros del Reino Monera, organismos unicelulares microscópicos cuyo tamaño suele estar comprendido entre 1 y 10 micrometros.

            Además de lo comentado anteriormente de la ausencia del núcleo, este tipo de células presentan las siguientes características:

· En ausencia de núcleo, su material genético (ADN), se agrupa en una zona denominada nucleoide. Además existen o pueden existir pequeñas unidades de ADN, separadas de la molécula principal, denominadas plásmidos.

·   Salvo los ribosomas, las procariotas carecen de orgánulos.

· Algunas procariotas presentan invaginaciones y repliegues de la membrana plasmática denominados mesosomas, los cuales aumentan la superficie útil de la misma, siendo allí donde se realizan la gran mayoría de las reacciones metabólicas de la célula.

· Presentan una envuelta externa rígida denominada pared celular, que rodea la membrana y da a la célula su forma característica.

· Algunas especies presentan prolongaciones en forma de largos filamentos, denominados flagelos y otras presentan cílios o fimbrias¸ que son cortos. Estas estructuras sirven para el desplazamiento celular.

Realiza esta actividad

 Las células eucariotas:

            Este tipo de células se caracterizan por la presencia de un núcleo celular donde se encuentra el material genético.

            En este grupo encontramos organismos uni y pluricelulares pertenecientes a todos los reinos no bacterianos: protoctistas, hongos, plantas y animales.

            El tamaño de estas células está comprendido entre los 10 y los 100 micrómetros (aunque existen evidentes excepciones como las células gigantescas que son los huevos de cualquier animal ovíparo. Un huevo de avestruz, por ejemplo, puede llegar a pesar 2 kilos).

            Además de las estructuras comunes que hemos señalado anteriormente, todas las células eucariotas tienen núcleo, citoplasma con citoesqueleto y una gran variedad de orgánulos.

El Núcleo:

Se puede observar cuando la célula no se está dividiendo (periodo llamado interfase).

Suele situarse en la parte central (células animales) o desplazado hacia la periferia (células vegetales).

En el núcleo se diferencian las siguientes estructuras:

·         Membrana nuclear: Estructura formada por dos membranas cuya superficie está cubierta por numerosos ribosomas y en la que aparecen perforaciones llamadas poros nucleares que comunican el interior del núcleo con el citoplasma.

·         Nucleoplasma: es el líquido nuclear, algo así como el citoplasma del núcleo.

·         Nucleolo: Estructura redondeada cuyo color es mas oscuro que el resto del núcleo y en donde se fabrican los componentes de los ribosomas.

·         Cromatina: Estructura filamentosa formada por el ADN y las proteínas. Contiene la información genética y durante la división celular se condensa y da lugar a los cromosomas.

Realiza esta actividad.

Citoplasma y citoesqueleto:

El citoplasma de las células eucariotas presenta una red de filamentos y estructuras contráctiles denominada citoesqueleto. Esta estructura da forma a la célula y permite sus movimientos.

El citoesqueleto no está muy desarrollado en las células vegetales y hongos (debido a que presentan pared celular que da forma a la célula), y está muy desarrollado en células animales.

Orgánulos y otras estructuras:

Las células eucariotas presentan una gran variedad de orgánulos y estructuras celulares que no aparecen en los procariotas.

Algunos de estos elementos son generales a todos los tipos de eucariotas mientras que otros sólo aparecen en determinado tipo de célula. Por ejemplo:

·         Sólo aparecen cloroplastos en las células vegetales (algas y plantas)

·         Las células vegetales presentan grandes vacuolas¸ en las animales son pocas y pequeñas.

·         Las células animales (protoctistas y animales) presentan centriolos y en ocasiones cilios y flagelos, para el movimiento.

·         Las células vegetales (algas y plantas) así como las de los hongos (Reino Fungi) presentan pared celular, una envoltura externa y rígida.

Puedes estudiar los orgánulos celulares en estos vídeos

Orgánulos comunes a todas las células eucariotas:

·         Mitocondrias

Presentan una doble membrana, la interior llena de pliegues que aumentan su superficie útil.

En ellas tiene lugar la respiración celular, proceso por que se “queman” nos nutrientes con O₂ para obtener energía y se desprende CO₂

·         Ribosomas

Formados por dos subnidades, son los orgánulos más pequeños de las células eucariotas (y los únicos en las procariotas).

Se encuentran tanto libres en el citoplasmas como anclados en el Retículo Endoplasmático Rugoso.

Su función es fabricar proteínas con la información en forma de ARNA aportada por el ADN.

·         Aparato de Golgi

Formado por una serie de sacos planados y apilados de los que se desprenden vesículas, el aparato de Golgi reúne diversas sustancias y las transporta con dichas vesículas allí donde hace falta, incluso al exterior celular.

·         Retículo Endoplasmático

Formado por una serie de membranas, sacos y canales intercomunicados entre sí, encontramos dos tipos de Retículo Endoplasmático, el llamado liso (REL) que se encarga de la síntesis de lípidos de membrana y el rugoso (RER), en cuyas membranas encontramos ribosomas que realizan la síntesis de proteínas.

Estas sustancias pueden ser almacenadas en el retículo o enviadas al Aparato de Golgi, con quien tiene una comunicación estrecha.

·         Lisosomas y otras vesículas

Procedentes del Aparato de Golgi, los lisosomas son un tipo característico de vesícula en cuyo interior se encuentran sustancias digestivas.

Otras vesículas contienen otras sustancias

Orgánulos específicos de algunas células eucariotas:

·         Vacuolas

Vesículas de gran tamaño rellenas de una mezcla de agua, sales, azúcares y proteínas. Este líquido proporciona la presión necesaria para que la célula se mantenga rígida.

Son características de las células vegetales, donde pueden ocupar la mayor parte del espacio citoplasmático.

·         Cloroplastos

Ovalados y rodeados de dos membranas lisas, presentan en su interior una serie de sacos aplanados llamados tilacoides en cuyas membranas se encuentran los pigmentos fotosintéticos (Clorofilas), que son los que dan el color verde característico a las plantas.

Nota: existen otro tipo de pigmentos de tonos rojizos que son los que dan el color a las algas verdes y pardas.

  
  
·  Centriolos

Son dos cilindros huecos formados por filamentos y que se disponen uno perpendicular al otro.

Dirigen la separación de los cromosomas durante la reproducción celular e intervienen en la formación de cilios y flagelos.

·         Cilios y Flagelos

Consisten en un tallo cilíndrico cubierto por una extensión de la membrana plasmática.

Cuando son cortos se llaman cilios, que son además muy numerosos, y cuando son largos se denominan flagelos, que son generalmente uno o unos pocos.

Su función es hacer que la célula se desplace en un ambiente líquido o bien que desplacen líquidos o partículas a lo largo de su superficie.

·         Pared celular

Es una envoltura externa y rígida que rodea la membrana plasmática. Sirve para dar protección y rigidez a la célula.

Aparece en células vegetales (pared de celulosa) y en la mayoría de los tipos de hongos (de quitina).

Las células vegetales:

·         Tienen pared celular

·         Tienen cloroplastos

·         Tienen grandes vacuolas

·         No tienen centriolos

·         Su núcleo suele estar desplazado hacia la periferia.

Realiza la siguiente actividad:

Las células animales:

·         No tienen pared celular

·         No tienen cloroplastos

·         No tienen grandes vacuolas

·         Tienen centriolos

·         Su núcleo suele estar más o menos centrado

·         Algunas pueden tener cilios o flagelos que les perimiten realizar movimientos.

 Realiza la siguiente actividad.

Las Funciones Celulares:

            Como ya sabéis las funciones vitales de los seres vivos son tres, y son las que vamos a estudiar a continuación.

La Nutrición:

           

            La nutrición comprende todos los procesos que proporcionan a la célula materia y energía para crecer, reponer sus estructuras, dividirse y relacionarse.

            Estos procesos se pueden realizar en las células debido a:

·         La entrada de nutrientes que se encuentran en el medio extracelular y que se emplean para obtener energía.

·         El metabolismo, que es el conjunto de reacciones y procesos químicos con los que se extrae la energía de dichos nutrientes.

·         La excreción, que es el proceso de expulsión al exterior celular de todas las sustancias de desecho resultantes del metabolismo.

¿Cómo ocurre cada una de estas funciones?.

La entrada y la excreción de sustancias:

La membrana plasmática es lo que podemos denominar una barrera selectiva. Es decir una parte de las sustancias del medio puede atravesarla directamente pero otra no podrá hacerlo. La membrana va a facilitar o impedir el paso de sustancias, normalmente dependiendo del tamaño de las mismas.

·         Sustancias de pequeño tamaño

Oxígeno, CO₂, sales minerales… son pequeñas y atraviesan la membrana libremente por difusión.

Este proceso sólo ocurrirá a favor de gradiente, dicho de otro modo, el transporte sólo ocurrirá de un lado de la membrana con mayor concentración de sustancia, hacia el lado de la membrana con menor concentración, de modo que se tienda a igualar las concentraciones.

·         Sustancias de tamaño medio

Las sustancias de tamaño medio o con cargas iónicas necesitan la ayuda de proteínas de membrana para poder pasar a través de la membrana plasmática.

Dentro de estas proteínas encontramos dos grandes tipos de transportadores:

§  Canales de paso:

Son proteínas que se abren formando una especie de canal o túnel a través del cual puede pasar la sustancia a favor de gradiente.

§  Bombas de transporte:

En este caso la proteína bombea la sustancia y la traslada en contra del gradiente de concentración, lo que implica un gasto de energía.

·         Sustancias de gran tamaño

Estas sustancias de gran tamaño directamente no pueden atravesar la membrana y las proteínas no pueden formar canales lo suficientemente grandes, lo que implica que deben entrar de otro modo.

En primer lugar la sustancia de gran tamaño se une a la membrana externa de la célula y esta se hunde hacia el interior en un mecanismo conocido como endocitosis.

Esa membrana hundida hacia el citoplasma se separa de la membrana externa formando una vesícula de endocitosis que rodea la sustancia en cuestión.

La vesícula de endocitosis se fusiona con lisosomas, de modo que el contenido de ambos se junta y las enzimas digestivas de los lisosomas pueden actuar sobre la sustancia y digerirla dando lugar a sustancias mas pequeñas, que pueden abandonar el lisosoma y ser utilizados por la célula.

Los restos de los productos de desecho quedan dentro del lisosoma que se fusiona con la membrana externa y los expulsa en el proceso de exocitosis.

El metabolismo celular:

Una vez en el citoplasma celular los nutrientes y diversas sustancias van a ser transformados para obtener energía o productos necesarios para la célula, en una serie de reacciones químicas que constituyen el llamado metabolismo celular, el cual se divide en dos procesos que son simultáneos y están interconectados en un equilibrio que es fundamental para el correcto funcionamiento de las células.

·         Catabolismo:

Es el conjunto de reacciones químicas celulares que van a descomponer o romper los nutrientes complejos y transformarlos en elementos más sencillos, y en este proceso se va a liberar energía, que podrá emplearse en las diversas actividades celulares.

Uno de los mejores ejemplos de catabolismo es la respiración celular, que ocurre en las mitocondrias de los eucariotas y en la membrana interna de los procariotas.

·         Anabolismo:

Es el proceso contrario al catabolismo, y consiste en la constricción de formas mas complejas a partir de elementos más simples. Esto implica necesariamente un gasto de energía.

Las células animales y las de los hongos utilizan la energía obtenida del catabolismo para esta construcción de estructuras pero las células vegetales pueden además recurrir a la energía solar, mediante la fotosíntesis.

            Todos estos procesos metabólicos tienen lugar mediante lo que se denominan rutas metabólicas, que son reacciones en cadena en las que el producto de una de las rutas es un reactivo de otra.

            Las reacciones químicas de transformación de un producto químico celular en otro están, en su mayoría, facilitados por enzimas específicos de cada tipo de reacción.

Tipos de nutrición:

Los nutrientes que se incorporan a las células pueden ser orgánicos o inorgánicos. Según lo cual podemos encontrar dos grandes tipos de metabolismo.

·         Nutrición heterótrofa:

La presentan aquellas células que incorporan materia orgánica ya elaborada por otros organismos.

Dentro de este grupo encontramos las células de origen animal y los hongos. Además no podemos olvidar que algunas células vegetales en organismos complejos no realizan la fotosíntesis, por lo que requieren obtener nutrientes de células que sí la realizan. Por ejemplo en un árbol las raíces no son fotosintéticas, luego son heterótrofas por depender del metabolismo de otras células.

El proceso de nutrición de una célula heterótrofa puede ser ilustrado del siguiente modo:

1.      Los nutrientes incorporados a la célula pueden ser usados en diferentes rutas metabólicas, por ejemplo en la respiración celular se transforma una molécula de glucosa.

2.      Esta respiración ocurre en las mitocondrias en presencia de oxígeno. La glucosa se transforma en CO₂ en un proceso que libera energía.

3.      La energía liberada por ese proceso se utiliza en la realización de funciones celulares, una parte se disipa en forma de calor y otra se usa para las funciones anabólicas (es decir “construir” elementos necesarios para la célula).

4.      Una parte de esa energía usada en el anabolismo permite unir moléculas de glucosa y formar así hidratos de carbono complejos.

·         Nutrición autótrofa:

La presentan aquellas células que elaboran su propio alimento a partir de materia inorgánica empleando una fuente de energía externa.

La más conocida, pero no la única, es la fotosíntesis, en la que las plantas y algas incorporan materia inorgánica (CO₂ y agua) y mediante un proceso químico que tiene lugar en los cloroplastos y requiere la energía de la luz solar, produce materia orgánica (Glucosa). En este proceso se desprende O₂.

Una parte de las moléculas de glucosa así obtenidas se emplea para obtener energía a través de la respiración celular y otra parte para los procesos anabólicos tal y como hemos indicado en la nutrición heterótrofa.

               

La relación:

           

            La función de relación es la capacidad de la célula para captar los cambios y responder ante ellos de forma adecuada.

            Estos cambios que desencadenan las respuestas se denominan estímulos, los cuales pueden ser de diferente tipo: químicos, físicos, etc.

              La respuesta celular ante estos estímulos puede ser de dos tipos:

·         Respuesta estática: no se produce movimiento celular, sino que la respuesta consiste en una reacción de otro tipo: secreción de sustancias por ejemplo.

·         Respuesta dinámica: La célula responde moviéndose en lo que se denominan taxias o tactismos, que pueden ser positivos o negativos según la célula se mueva hacia el estímulo o se aleje de él.

El movimiento celular:

Está relacionado con el citoesqueleto, que al ser una estructura contráctil forma prolongaciones hacia el exterior que permiten el movimiento celular, el cual puede ser ameboide (con pseudópodos), vibrátil (con flagelos) y contráctil (fibras musculares)

El movimiento de una ameba podéis verlo aquí:

La reproducción:

           

            La reproducción celular es el proceso mediante el cual una célula madre se divide en dos o más células idénticas, llamadas células hijas. A este proceso se le llama división celular y ocurre tanto en organismos unicelulares como en pluricelulares.

·  Los organismos unicelulares (ej, bacterias) usan la división celular para la reproducción del organismo.

·    En los organismos pluricelulares la división celular sirve para que el organismo aumente de tamaño y reponga células.

En toda división celular deben producirse dos pasos:

·      Duplicación del ADN, lo que garantizará el reparto equitativo del material genético entre las células hijas.

·         La división del citoplasma, que es un proceso que no tiene porqué ser equitativo, y una de las células hijas puede tener menos citoplasma, menos orgánulos… pero luego puede crecer hasta el tamaño de célula adulta.

La división celular puede ser de tres modos:

·      Bipartición o escisión binaria: de una célula madre se forman dos células hijas de igual tamaño.

·     Gemación: una célula madre se divide en dos células hijas, pero una de ellas es pequeña, como una yema que sale de la otra célula.

·       Esporulación; La célula madre forma muchas células hijas llamadas esporas que se mantienen en el interior de la célula madre hasta que esta se rompe y las libera al medio.

La transmisión del ADN:

Dado que el ADN de las células contiene toda la información necesaria para que realicen las funciones vitales con normalidad, se hace imprescindible que dicha información pase inalterada y correctamente de las células a sus células hijas. Por ello, y para que cada una de las células hijas reciba una copia completa del material genético este debe hacer una copia de sí mismo, lo que se denomina replicación.

La Mitosis:

La mitosis es el tipo de división celular en la que una célula madre diploide (2n) da lugar a dos células hijas diploides (2n). En ella se conserva la información genética contenida en sus cromosomas, de modo que ambas células hijas son idénticas a la célula original. La mitosis celular permite el desarrollo, el crecimiento y la regeneración del organismo.

Este proceso tiene lugar por medio de una serie de operaciones sucesivas que se desarrollan de una manera continua, y que para facilitar su estudio han sido separadas en varias etapas.

Citocinesis:


Podemos ver un video de la mitosis aquí.

Meiosis:
El proceso de meiosis es una división celular reduccionista que tiene lugar en las glándulas sexuales para la producción de gametos. En esta división celular una célula madre diploide (2n) experimenta dos divisiones sucesivas, con la capacidad de generar cuatro células haploides (n).

                                 2n                        n                    n

Los gametos obtenidos durante el proceso de meiosis se unirán en un cigoto durante la fecundación, el cual se desarrollará dando lugar al nuevo individuo.
                       
Durate la sinapsis, momento en el que los cromosomas homólogos se aparean durante la profase I (primera división meiótica), ocurre un fenómeno conocido como sobrecruzamiento, en el que los cromosomas se entrecruzan e intercambian parte de su material genético, lo que propiciará que las células hijas no sean geneticamente iguales entre sí. Esto supone una gran variabilidad genética de la descendencia.

Puedes ver un video de la meiosis aquí