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Introducción al estudio de la Biología Celular y Molecular Departamento de Histología, Biología Celular , Embriología y Genética de la Facultad de Medicina de la UBA. Cuál es el objetivo de la asignatura Biología Celular y Molecular?

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Introducción al estudio de la Biología Celular y Molecular

Departamento de Histología, Biología Celular , Embriología y Genética de la Facultad de Medicina de la UBA

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Cuál es el objetivo de la asignatura Biología Celular y Molecular?

La Biología Celular y Molecular aporta los conocimientos referentes a la estructura, el

ciclo vital y la función de la célula, que es la unidad anátomo-funcional de los

organismos vivientes. En la Carrera de Medicina, esta asignatura hace hincapié en el

estudio de la célula eucarionte como unidad anátomo-funcional de organismos

pluricelulares en los cuales las células interaccionan coordinadamente para mantener la vida del organismo. Específicamente se trata de obtener conocimientos referentes

al ser humano, pero la mayor parte de los mismos provienen de investigaciones

realizadas en otros organismos que sirven de modelos de experimentación.

De esta forma, la Biología Celular y Molecular constituye la base y el fundamento

de la mayor parte del conocimiento médico y el avance actual en el campo de la

Biología Molecular la ha constituido en una ciencia de utilidad fundamental para

que el médico, cualquiera sea su especialidad, comprenda la fisiología, fisiopatología

y las bases de la terapéutica.

El conocimiento de esta ciencia es de importancia fundamental para comprender

1) La estructura del organismo humano a nivel macroscópico (Anatomía) y microscópico (Histología) comprendiendo cómo los distintos tipos celulares y la matriz extracelular constituyen los tejidos y cómo éstos se organizan para formar los órganos que forman parte de los aparatos y sistemas del organismo.

2) Se desarrolla el organismo humano a partir de una única célula huevo que se ha formado por la fusión de las gametas (Embriología).

3) Las bases celulares y moleculares de la herencia de los rasgos (Genética).

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El organismo humano

  • El cuerpo humano está formado por más de doscientos tipos distintos de células, todas ellas provienen de una única célula por sucesivas divisiones y por procesos de diferenciación celular.
  • Todas las células tienen la misma información genética, por tanto la diferente estructura y función que cada una cumple, depende de la activación y silenciamiento de distintos conjuntos de genes y todo esto depende en gran medida de las señales que la célula recibe de su entorno. La complejidad de nuestro cuerpo depende de la diferente función que cada tipo celular tiene.
  • Entre las células existe matriz extracelular que el resultado de la secreción de las propias células.
slide4
Todas las células del cuerpo humano surgen a partir de una única célula huevo (que se origina por la fecundación de un ovocito por un espermatozoide), seguida de procesos de división mitótica y posterior diferenciación. De la célula huevo, al dividirse mitóticamente surgen dos células iguales, pero que tienen zonas particularmente diferentes (zona en contacto con la otra célula y zona de contacto con el medio ambiente). Al volver a dividirse éstas, surgen ahora 4 células equivalentes, cada una con zonas bien diferenciadas. Al volver a dividirse en sucesivas divisiones mitóticas se va formando una masa de células (mórula), donde las células ya no son todas equivalentes y así siguen los distintos procesos, ya que unas se volverán a dividir a una velocidad mayor que otras, se formarán cavidades, estructuras.
  • Como vemos la funcionalidad de una célula depende de su composición pero también y de su relación con su microambiente, dentro del cual se encuentra las otras células del organismo.
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Células epiteliales absortivas

Célula secretora

Células enteroendócrinas

Proceso de diferenciación celular

Sucesivas divisiones mitóticas: Células iguales, amplificación del número de células

Una célula madre da lugar a otra célula madre y a una célula diferente

slide7
Todas las células del cuerpo humano están relacionadas entre sí directa o indirectamente, por lo que analizaremos las células como componentes fundamentales a partir de las cuales se organizan los tejidos, éstos conforman los distintos órganos que están funcionalmente relacionados en los diferentes aparatos, y existen además sistemas que permiten la adecuada señalización e interacción entre las distintas partes del cuerpo.
la c lula eucarionte
La célula eucarionte
  • Se define a la célula como la unidad anatómica y funcional de todo ser vivo. O sea que la célula es capaz de realizar todas las funciones básicas, que son:
  • Autorreplicarse, ya que poseen la información genética.
  • Realizan la síntesis de macromoléculas para su propia organización estructural.
  • Sintetizan y secretan moléculas que le permiten interaccionar con el medio.
  • Reciben señales del medio ambiente y las procesan.
  • Son capaces de obtener la energía para sus procesos vitales.
  • Digieren sustancias que toman del medio ambiente o sus propios componentes.
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La célula eucarionte es el elemento

fundamental del cuerpo humano,

está constituída por un núcleo

y un citoplasma rodeado

de una membrana plasmática.

  • La característica principal de toda

célula eucarionte es su

compartimentalización.

  • Los distintos organoides

del citoplasma tienen una

composición química,

una estructura y una

distribución

espacial especial.

slide10

Célula eucarionte

Compartimentalización

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Dogma central de la biología molecular

La información contenida en el ADN se expresa dando lugar a proteínas, mediante los procesos de transcripción, paso por el que la información se transfiere a una molécula de ARN mensajero (ARN-m) y, mediante el proceso de la traducción el mensaje transportado por el ARN-m se traduce a proteína.

slide13

RNAm inactivo

Degradación del RNAm

Transcritp

de ARN

RNAm

DNA

RNAm

Control de

actividad

proteica

Control de

Traducción

Control

de

procesamiento

del RNA

Control

transcripcional

Transporte

de RNA y

control de

localización

Proteína inactiva

proteína

EXPRESIÓN GENÉTICA Y SU REGULACIÓN

Citosol

Núcleo

slide14

METABOLISMO

Mitocondria

Fosf. Oxidativa, ATP

Cresta

Matriz

Membrana interna

Membrana externa

Espacio

intermembranoso

ADN desnudo

(matriz)

Mitorribosomas

(matriz)

Duplicación

Transcripción

Traduccion

Síntesis de proteínas mitocondriales

respiracion celular formaci n de atp
Respiracion celular, formación de ATP

Oxigeno (O2)

Por difusión entra a la mitocondria

Fosforilación oxidativa.

Membrana interna, se genera ATP

Por difusión sale al citosol

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Las mitocondrias tienen una forma alargada de tamaño variable, diámetro entre 0,5 a 10µm .La distribución y el número de crestas varía según el tipo celular.

  • La ubicación de las mitocondrias en las distintas células es variable, según la función celular predominante.

Ej. Distribución alrededor de los canalículos en las células parietales del estomago

Canalículos

Ca

Tubulovesicular

Reposo Estimulado Activa

slide17

El Espermatozoide es una célula en que las mitocondrias se ubican en la pieza media rodeando al axonema, tal como se ve en el esquema:

slide18

Contienen enzimas que participan en el metabolismo energetico, por reacciones oxidativas generan peroxido de hidrógeno

Peroxisomas

Sus enzimas se sintetizan en el citosol en polirribosomas libres.

La membrana deriva del Retículo Endoplasmático.

Se forman nuevos peroxisomas por división de los antiguos

slide19

DIVERDSIDAD DE LOS TIPOS CELULARES

EN LOS ORGANISMOS PLURICELULARES

  • El tamaño de las células del cuerpo humano varía entre amplios límites, las más pequeñas de 4 μm de diámetro (células grano del cerebelo) y las más grandes de 250 μm de diámetro (ovocito).
slide20
La forma de las células del cuerpo humano también es muy variada:
  • esferoidales, totalmente simétricas como el linfocito(núcleo central, organelas igualmente distribuídas, membrana plasmática sin variaciones en toda su superficie)
  • cilíndricas con marcada polaridad celular como la célula del epitelio intestinal (núcleo en el tercio basal, distribución diferencial de sus organoides, diferenciaciones de membrana según sea apical o laterobasal)
  • células absolutamente asimétricas con un cuerpo o soma estrellado con diferentes tipos de ramificaciones como las neuronas de Purkinje.
slide21

Célula epitelial

Hay tejidos en que las células que lo componen están muy relacionadas y hay poca sustancia intercelular (tejido epitelial).

Célula cilíndrica

En otros tejidos como el tejido conectivo, las células interaccionan con gran cantidad de matriz extracelular que ellas mismas generan

Célula plana

Elementos formes: glóbulos rojos

Célula fusiforme

Matriz extracelular =

sustancia amorfa y

fibras proteicas

fibroblasto

Capilar

sanguíneo

Fibras

proteicas

Sustancia

amorfa

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Cuál es la composición química de la célula y cómo se organizan esos componentes para que tengan una estructura determinada y un tamaño dado.El cuerpo humano y por ende sus células constituyentes tienen las mismas propiedades de todo ser vivo

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Niveles de organización de la materia

SUB-ATÓMICO

Las propiedades de los seres vivos resultan de una serie de niveles de organización integrados

COMPLEJIDAD

ATÓMICO

MOLECULAR

En cada nivel aparecen nuevas propiedades (‘propiedades emergentes’), que constituyen un salto cualitativo respecto del nivel anterior

MACROMOLECULAR

MACROMOLECULAR COMPLEJO

CELULAR

En ese sentido, entendemos a la vida biológica como un conjunto de propiedades emergentes a partir del nivel de organización celular.

TISULAR

ÓRGANOS

SISTEMAS DE ÓRGANOS

...

slide24

Las estructuras de los niveles más bajos tienen dimensiones muy pequeñas....

1 Å

10-10 m

1 nm

10-9 m

1 μm

10-6 m

1 mm

10-3 m

SUB-ATÓMICO

COMPLEJIDAD

Por eso se utilizan las siguientes unidades métricas...

ATÓMICO

MOLECULAR

MACROMOLECULAR

MACROMOLECULAR COMPLEJO

CELULAR

TISULAR

ÓRGANOS

SISTEMAS DE ÓRGANOS

...

slide25

Recordar que: Ejemplos en el hombre (diámetro aproximado)______________________________________________________________________

1cm= 0,01 m globo ocular : 2,5 cm

1mm = 0,001 m = 0,1 cm grosor del pelo: 0,07 mm

ovocito maduro: 0,25 mm

1µm = 0,001 mm = 10-6m eritrocito: 7,5 µm

mitocondria: entre 0,5-10 µm

1nm=0,001 µm = 10-9m microtúbulo: 25 nm

microfilamento: 5 nm

1Å = 0,1 nm= 10-10m grosor de la membrana plasmática: 75 Å

slide26

Biomoléculas

Los componentes orgánicos de las células

Tanto las células procariontes como eucariontes están formadas por

1- Hidratos de Carbono

2- Lípidos

3- Proteínas

4- Ácidos Nucleicos

slide27

glucosa

ribosa

Biomoléculas

Los componentes orgánicos de las células

1- Hidratos de Carbono

Monosacáridos

Derivados de azúcares

Isómeros

slide28

Biomoléculas

Los componentes orgánicos de las células

1- Hidratos de Carbono

Disacáridos

slide29

Biomoléculas

Los componentes orgánicos de las células

1- Hidratos de Carbono

Polisacáridos

slide30

insaturados

saturados

Biomoléculas

Los componentes orgánicos de las células

1- Hidratos de Carbono

2- Lípidos

Ácidos grasos

slide31

fosfatidilcolina

Biomoléculas

Los componentes orgánicos de las células

1- Hidratos de Carbono

2- Lípidos

Esteroides

Fosfolípidos

slide32

1- Hidratos de Carbono

2- Lípidos

aminoácido

polipéptido

Biomoléculas

Los componentes orgánicos de las células

3- Proteínas

slide33

1- Hidratos de Carbono

2- Lípidos

Biomoléculas

Los componentes orgánicos de las células

3- Proteínas

Su función depende de su forma tridimensional

slide34

Membrana plasmatica: asimetrica,

H de C del lado externo.

slide35

1- Hidratos de Carbono

2- Lípidos

3- Proteínas

puede ser

Biomoléculas

Los componentes orgánicos de las células

4- Ácidos Nucleicos

Nucleótido

slide36

4- Ácidos Nucleicos

ADN versus ARN

Estructura química del ARN

(Fosfato-azúcar-base nitrogenada)

slide37

4- Ácidos Nucleicos

El ARN adopta estructuras tridimensionales

slide38

1- Hidratos de Carbono

2- Lípidos

3- Proteínas

Biomoléculas

4- Ácidos Nucleicos

Los componentes orgánicos de las células

ADN

slide39

PROCARIOTAS

EUCARIOTAS

Nivel de Organización Celular

Los tres dominios del mundo viviente

c mo se estudian las c lulas

Cómo se estudian las células?

Todas las células comparten propiedades que se conservaron a través de la evolución.

Todas utilizan ADN como material genético, están rodeadas por una membrana plasmática y usan los mismos mecanismos básicos para el metabolismo energético.

Los organismos se pueden clasificar en unicelulares ( bacterias, amebas y levaduras) y pluricelulares (en los que los distintos tipos de células funcionan coordinadamente cumpliendo cada una funciones particulares).

Diversos tipos de células y organismos son utilizados para estudiar diferentes aspectos de la biología celular y molecular; existiendo modelos experimentales que permiten estudiar diferentes características.

Podemos dividir a las células en dos tipos principales: Procariontes y Eucariontes.

c lula procari tica t pica
Célula procariótica típica

Escherichia Coli (está habitualmente en el tracto intestinal humano), es el modelo experimental ideal para estudiar mecanismos de biología molecular y bioquímica incluídos los estudios genéticos.

Pared celular (polisacáridos, péptidos, porosa)

Membrana Plasmática (bicapa fosfolipídica,

proteínas asociadas, verdadera

separación funcional entre

interior y exterior celular)

Citoplasma (es el protoplasma

celular, de apariencia granular

por la presencia de ribosomas)

ADN circular (molécula única)

c lula eucari tica
Célula eucariótica

La célula eucariótica más simple es la levadura, utilizada como modelo

experimental de célula eucariótica.

Membrana plasmática

Citoplasma (citosol con citoesqueleto y

sistema de endomembranas).

Entre los orgánulos dependiente del

sistema de endomembranas :

Núcleo (Varias copias de ADN)

Aparato de Golgi

Lisosomas

REL

RER

Vacuolas

Mitocondrias

Peroxisomas

modelos para estudiar organismos multicelulares
Modelos para estudiar organismos multicelulares
  • La mosca de la fruta, Drosophila Melanogaster,

modelo para el estudio de los mecanismos moleculares del desarrollo por su fácil reproducibilidad.

El nematodo C. Elegans, se utiliza para

estudios de desarrollo y diferenciación celular.

slide44

Pez cebra, modelo para estudios

genéticos del desarrollo de los vertebrado

Xenopus laevis, modelo para el estudio

del desarrollo embrionario

el rat n y la rata como modelos del desarrollo humano
El ratón y la rata como modelos del desarrollo humano

Etanol

Control

Rata realizando una

Prueba conductual

Operación cesárea para

Estudiar al feto

Estudios de alcoholismo maternofetal

Estudios de comportamiento, estudios del sistema nervioso, respuestas a fármacos.

Además algunas alteraciones genéticas dan lugar a defectos del desarrollo similares a los humanos.

instrumentos de la biolog a celular
Instrumentos de la biología celular

Lupa y Microscopio óptico

Microscopio electrónico

Homogeinizador, Centrífuga y ultracentrífuga.

Agitador

Cámaras de cultivo, Estufas

Termociclador

Cuba electroforética

microscopio optico
Microscopio optico

Lente objetivo

Luz

Pedí al docente del TP de histo que te muestre

donde figura la AN del microscopio con el que estás trabajando

Limite de resolución del MO es 0,2 µm, es la distancia mínima de separación de dos objetos para verlos como distintos. Este valor depende de dos factores: longitud de onda de la luz visible y la apertura numérica de la lente.

Tener en cuenta que:

1µm=0,001mm=10-6 m y que:

LR= 0,61 λ÷ AN

Siendo AN=ŋsenα

ŋes el índice de refracción

del medio que está entre el

objetivo y el preparado

αes el ángulo del cono

de luz que entra al objetivo

tipos de mo
Tipos de MO

Preparado tejido fijado y teñido

Preparado sin teñir- células vivas

A- campo claro

B- interferencia

C- contraste de fase

Luz visible

MO de campo claro, la luz visible atraviesa el preparado, es necesario teñir las células para poder verlas, no son apropiados para ver células vivas.

MO de contraste de fase y de interferencia, utilizan sistemas ópticos que convierten variaciones de densidad o grosor en diferentes contrastes, son útiles para ver células vivas sin teñir.

slide49

MO de fluorescencia, se utiliza una tinción fluorescente que absorbe a una longitud de onda y emite en otra, se utilizan filtros especiales para cada long de onda.

slide50
MO confocal, combina la microscopía fluorescente con el análisis electrónico de la imagen para obtener imágenes tridimensionales.
mo de excitaci n por dos fotones im genes tridimensionales de c lulas vivas
MO de excitación por dos fotones, imágenes tridimensionales de células vivas.
microscopios electr nicos
Microscopios electrónicos

Microscopio Electrónico de Transmisión, MET, el haz de electrones atraviesa la muestra fijada y contrastada con metales pesados. Existe tinción positiva y tinción negativa. Por el desvío del haz de electrones, en la pantalla fluorescente habrá una gama de grises, el LR= 0,2nm=2Å

Microscopio Electrónico de Barrido o Scanning, MEB, se utiliza para obtener imágenes tridimensionales de las células. El haz de electrones no atraviesa la muestra, la célula se cubre con un metal pesado y los electrones se recogen generando la imagen tridimensional.

microscop a electr nica de transmisi n
Microscopía electrónica de transmisión

Tinción positiva

Tinción negativa

Congelación-fractura

Sombreado metàlico

slide54

Diferencias entre ME y ME:

El ME utiliza un haz de electrones en lugar de luz visible o fotones.

La resolución es mayor, o sea es menor el Límite de resolución ya que la longitud de onda de los electrones es mucho menor.

Utiliza lentes electromagnéticas para centrar el haz de electrones.

MET

Fotomicroscopio óptico

slide55

La preparación del material es diferente. Distintos fijadores y distintas inclusiones

MET:

Inclusiones en resinas epoxi

MO: Inclusiones en parafina

Grillas con cortes

Portaobjetos con preparado

slide57

Microscopía óptica

Microscopía electrónica

Vibrátomo

Ultramicrótomo

Crióstato

Taco

Cuchilla de vidrio

slide58

Microscopía óptica

Microscopía electrónica

Grillas de cobre

Portaobjetos de vidrio

slide59

Microscopía óptica

Microscopía electrónica

Micrótomo rotatorio tipo Minot

Ultramicrótomo

Taco

Cuchilla de vidrio

separaci n subcelular
Separación subcelular

1) Homogeinizar o licuar 2- centrifugar

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Cultivos celulares

Camara de seguridad biologica,

flujo laminar: allí se realiza la

Siembra.

Estufa gaseada

mantenimiento

del cultivo

la ciencia avanza
La ciencia avanza…

GFP – Proteína verde fluorescente

Aislada de Aequorea victoria por Osamo Shimomura en 1962

En 1994, el laboratorio del Dr Chalfie publica la expresión de esta proteína en la especie C. elegans

En 2008, Martin Chalfie, Osamu Shimomura y Rogen Tsien obtienen el Premio Nobel de Química por su descubrimiento y desarrollo de la proteína verde fluorescente.

Actualmente, es usada como un reportador de la expresión de diferentes genes.