TEMA 7: LA CÉLULA: CONCEPTO Y
CARACTERÍSTICAS GENERALES. LOS VIRUS
CONTENIDO
TEMA 7: LA CÉLULA: CONCEPTO Y
CARACTERÍSTICAS GENERALES. LOS VIRUS
1. LA CÉLULA. TEORÍA CELULAR.
2. FUNCIONES GENERALES DE LAS CÉLULAS.
3. CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS.
4. LA CÉLULA PROCARIOTA. Clasificación de
bacterias según su forma. Estructura: cápsula, pared, membrana plasmática,
flagelos, pelos, ribosomas, inclusiones y ADN.
5. CÉLULA ANIMAL Y CÉLULA VEGETAL.
6. LOS VIRUS. Estructura y composición. Reproducción: ciclo lítico y
ciclo lisogénico.
1. La célula. Teoría celular
El conocimiento de la organización celular es posterior
al descubrimiento del microscopio.
El inglés ROBERT HOOKE (1665) realizó la primera
observación sobre la estructura celular al descubrir en el corcho unas pequeñas
cavidades delimitadas por paredes a las que denominó celdillas (lat. cellula)
por su parecido con las celdillas de un panal. Esas celdillas representaban un
espacio vacío, aunque en muchas ocasiones se encontraban llenas de un material
líquido. Hoy sabemos que el corcho está constituido por las paredes de células
muertas, mientras que la cavidad contiene habitualmente aire.
BROWN en 1931 descubrió el núcleo.
El fisiólogo JOHANNES PURKINJE en 1939 denomina protoplasma
al líquido contenido en las celdillas. El estudio se centra desde entonces en
su contenido.
El zoólogo THEODORE SCHWANN y el botánico MATHIAS J.
SCHLEIDEN fueron los primeros en darse cuenta de que los seres vivos, tanto
animales como vegetales, tienen una organización celular. El cuerpo de todos
los organismos está constituido por células. Este es el esbozo de la que desde
entonces se denomina teoría celular de los seres vivos.
Esta teoría se perfiló después y podemos enunciarla con
estos 2 puntos:
1) La célula es la unidad estructural y
funcional de los seres vivos.
2) Todas las células provienen de otras
preexistentes, idea que VIRCHOW (1855) expresó con la frase "omnis cellula
e cellula".
De todo lo dicho podemos concluir que la célula es la
organización material más pequeña que presenta vida propia (es decir, capaz de
realizar por sí misma las funciones generales propias de un ser vivo).
2. Funciones generales de
las células
Hemos dicho antes que la célula es la unidad estructural
y funcional de los seres vivos. Incluso nos encontramos con algunos seres vivos
que están constituidos por una sola célula (los que denominamos unicelulares).
Pero también los pluricelulares proceden ordinariamente de una célula inicial
llamada cigoto a partir de la cual se originan todas las demás células
del nuevo individuo. Por eso, todas las funciones generales propias de los
seres vivos también lo son de las células:
1) Nacimiento: comienzo de la vida
individual.
2) Crecimiento: llamamos nutrición al
intercambio material y energético entre el ser vivo (la célula) y el medio
ambiente. Abarca los aspectos de: ingestión y digestión de alimentos, excreción
de productos de desecho, circulación de nutrientes y respiración celular (que
se da en las mitocondrias y es la respiración propiamente dicha, aunque por
analogía se utilice esta palabra para referirse al intercambio gaseoso
necesario para captar el oxígeno requerido en este proceso).
3) Reproducción: por la cual a partir de una
célula se obtienen otras células hijas que heredan la información genética de
la célula madre. Por el proceso de mitosis (que estudiaremos) la célula
madre dará lugar a dos células hijas con la misma información genética que su
progenitora, mientras que por la meiosis (que también veremos más
adelante) se obtendrán cuatro células hijas con la mitad de información.
4) Muerte: desaparece la unidad del ser vivo
(en este caso, de la célula) y todos sus componentes se dispersan. En el caso
de la célula conviene aclarar que frecuentemente el final de la vida de la
célula no viene señalado por su muerte sino por su división por la que da lugar
a dos o más células hijas, tal y como hemos señalado en la función de
reproducción.
3. Células procariotas y
eucariotas
Dentro del nivel celular podemos distinguir, sin embargo,
dos grupos muy diferentes de células: las células procariotas o procarióticas y
las células eucariotas o eucarióticas (palabras derivadas del gr. carion:
núcleo). Las células eucariotas son las que tienen núcleo verdadero (es
decir, con membrana que lo rodea) mientras que las procariotas presentan
un núcleo primitivo (sin una membrana que lo diferencie claramente del resto de
la célula).
La diferencia entre ambos tipos de células ha servido
para determinar un reino de seres vivos que denominamos moneras, del que
forman parte organismos uni o pluricelulares con células procariotas. Los otros
reinos (protistas, metafitas y metazoos) están formados
por individuos con células eucariotas. Las principales diferencias entre células procariotas y eucariotas aparecen reflejadas en la siguiente tabla:
4. La célula procariota
Las bacterias se pueden clasificar según su forma en 3
grupos fundamentales:
-cocos (con forma esférica o
ligeramente ovalada). Pueden ser micrococos (individuales), diplococos
(parejas), estreptococos (cadenas), estafilococos (racimos), tétradas
(cuartetos agrupados) o sarcinas (cubos).
-bacilos (con forma de bastón).
Aislados, en parejas o formando cadenas.
-espirilos (con forma curva). Pueden
ser vibrios (comas), espirilos (sacacorchos) o espiroquetas (ondulantes).
Respecto al tamaño, son más pequeños que eucariotas en
general, aunque su tamaño es diverso:
*Mycoplasma: 0'1 µm de diámetro
*Cocos: 1 µm
*Bacilos: 3-8 µm de longitud.
En cuanto a la estructura, si la estudiamos yendo del
exterior al interior nos encontramos con las siguientes partes:
a) Cápsula
Algunas bacterias y cianofíceas segregan por su
superficie materiales mucosos o gomosos. Cuando el material está dispuesto de
modo compacto alrededor de la superficie celular se denomina cápsula,
mientras que si es laxo y sólo forma una capa difusa se denomina capa mucosa.
La capacidad de producir cápsula es hereditaria, pero
estas estructuras no son absolutamente esenciales para los organismos, ya que
mutantes sin cápsula crecen normalmente en cultivos puros. Sin embargo, parece
que tienen un valor de supervivencia en la naturaleza (así, los neumococos
patógenos tienen cápsula y ofrecen dificultad para ser ingeridos y destruidos
por los fagocitos del huésped, mientras que los neumococos sin cápsula no son
patógenos).
A menudo, las cápsulas se forman sólo cuando los
organismos crecen en un medio determinado.
Polímeros que constituyen algunas cápsulas son: ácido
hialurónico; (glucosa y ác. glucurónico)n; poli-D-glutámico;
dextrana.
b) Pared
Confiere a la célula rigidez y forma. Químicamente difiere
mucho de la de cualquier célula eucariótica.
Las bacterias grampositivas y las gramnegativas tienen
pared celular con espesor muy diferente.
Pero ambas son similares en su composición. Están constituidas
por glucopéptido o mucopéptido, consistente en la repetición de
una unidad estructural formada por N-acetil-glucosamina, N-acetil-murámico y un
grupo de 4 aminoácidos.
Además de aportar la forma, la pared celular evita que la
bacteria "reviente" por la ósmosis (ya que las bacterias suelen vivir
en ambientes con baja concentración de solutos). De hecho la lisozima
(presente en las lágrimas y en la saliva) hidroliza los polisacáridos de la
pared celular y provoca que la célula estalle por entrada de agua.
c) Membrana plasmática
La estructura química de la membrana se conoce mejor en
eucariotas que en procariotas.
Los sistemas de membranas de algunas bacterias son
relativamente sencillos, pero los de procariotas fotosintéticos son complejos.
Además de mantener la permeabilidad de la célula, la
membrana celular procariótica interviene en la respiración celular, pues las
enzimas que participan en este proceso forman parte de ella.
d) Flagelos
Son muy delgados (unos 20 nm), tanto que un solo flagelo
nunca puede verse directamente con el microscopio óptico, sino sólo después de
teñirlo con colorantes flagelares especiales. Son largos (lat. flagellum:
látigo).
Su función es la movilidad celular: aparecen en las
bacterias móviles.
Según la disposición de los flagelos nos encontramos con:
-Flagelación lofotrica (de lopho:
penacho; y tricos: pelo)
-Flagelación peritrica (de peri:
alrededor)
-Flagelación polar o monotrica (un
solo flagelo)
La movilidad es mayor en bacterias bacilares que en esféricas.
Las bacterias fotosintéticas se mueven como respuesta a
la luz (fototaxis).
Muchas bacterias se mueven como respuesta a diversas
concentraciones de sustancias químicas (quimiotaxis).
e) Pelos
Son estructuras análogas a los flagelos, pero no están
relacionadas con la motilidad. Son mucho más cortos y numerosos que los
flagelos.
No todas las bacterias tienen pelos. La capacidad de
producirlos es un factor hereditario.
Los pelos sexuales están relacionados con la conjugación
bacteriana (proceso por el cual se transmite material genético -ADN- de una
célula a otra y se produce recombinación genética).
Otros pelos capacitan al organismo para sujetarse a
superficies inertes.
f) Ribosomas
Tienen como función la síntesis de proteínas (igual que
en eucariotas) y están formados por 2 subunidades (1 grande y 1 pequeña).
Tienen aproximadamente un 60% de ARN-r y un 40% de proteínas.
Los ribosomas procarióticos tienen un coeficiente de
sedimentación de 70 S (frente a los 80 S de los eucarióticos) y son más
pequeños que los eucarióticos. (En cuanto a los diferentes coeficientes de
sedimentación de las subunidades ribosómicas y de los ARN-r en procariotas y
eucariotas, ver lo expuesto en el tema 6).
A
menudo forman polirribosomas.
g)Inclusiones
En el interior de las bacterias hay inclusiones
(gránulos, agregados, etc.). Estas inclusiones suelen estar relacionadas con el
almacenamiento de energía.
-Inclusiones de ácido poli-â-hidroxibutírico (PHB).
-"" glucógeno.
-""un polisacárido similar al almidón.
-""fosfato inorgánico.
-""lípidos.
-""azufre (las bacterias del azufre).
h) ADN
Los procariotas no poseen verdadero núcleo como los
eucariotas. Presentan una región nuclear con ADN. Sólo hay un cromosoma
constituido por ADN bicatenario en forma de doble filamento cerrado. Este ADN
se encuentra muy replegado.
En la división celular las dos cadenas se separan y se replican:
a partir de cada una de ellas se sintetiza la cadena complementaria.
5. Célula animal y célula
vegetal
Dentro de las células eucariotas distinguimos a su vez 2
grupos que sirven para diferenciar nuevamente dos reinos de seres vivos: reino vegetal
(metafitas) y reino animal (metazoos). Las diferencias entre la
célula animal y la célula vegetal son las siguientes:
célula
animalcélula
vegetal
-forma más redondeada-forma más cuadrangular
-sin pared celular-con pared celular
-núcleo generalmente más centrado-núcleo generalmente desplazado
-vacuolas pequeñas-vacuolas muy grandes (aunque encélulas jóvenes son
pequeñas) y poco numerosas.
-con centrosoma-sin centrosoma
-sin cloroplastos-con
cloroplastos
-con lisosomas-sin lisosomas.
Sin embargo, "grosso modo", lo que diferencia a
las células animales de las vegetales es el tipo de nutrición. Según cuál sea
la fuente de energía y el donador de electrones para su metabolismo, podemos
clasificar los seres vivos de la siguiente manera (las bacterias aparecen con
letra cursiva):
DonadorINORGÁNICOORGÁNICO
de e-:(AUTÓTROFO)(HETERÓTROFO)
Fuente
de E:
SUSTRATOQUIMIOLITÓTROFOS:QUIMIOORGANÓTROFOS:
OXIDABLE-Bacterias
del H-Animales
(QUIMIÓ--Bacterias
incoloras-Hongos
TROFO)del azufre-Protozoos
-Bacterias
nitrificantes-Mayoría
de las bacterias
-Bacterias férricas
LUZFOTOLITÓTROFOS:FOTOORGANÓTROFOS:
(FOTÓ--Plantas -Bacterias rojas no sulfú-
TROFO)-Algasreas (a veces, fotolitótrofas)
-Bacterias rojas del-Algunas
bacterias del
azufre
grupo de las hifomicrobiales
-Bacterias verdes (Rhodomicrobium
vanniellii)
del azufre
6. Los virus
Los virus fueron reconocidos en 1898 y 1899 como los
causantes de estas dos enfermedades: la glosopeda de los animales domésticos y
el mosaico del tabaco. Posteriormente se estudió su estructura.
a) Estructura y composición
Se comprobó que el virus del mosaico del tabaco (TMV)
sólo se reproducía cuando estaba incorporado al protoplasma vivo (a la célula
vegetal viva) y se inactivaba al calentarlo a 90 ó 100 1C: por lo tanto, no se
trataba de una célula sino de un agente contagioso soluble. No era un ser vivo
y se podía cristalizar.
En 1935 se purificó totalmente el virus del mosaico del
tabaco (TMV). En la actualidad se han purificado muchos y sabemos que se trata
de un grupo muy heterogéneo. Unos tienen ARN, otros ADN, pero los dos ácidos
nunca están presentes en el mismo virus.
Se conocen virus con:
ds DNA (ADN de doble
cadena): p. ej. el bacteriófago T4 de E. coli
ss DNA (ADN de
cadena simple): p. ej. el ÖX174
ds RNA (ARN de doble
cadena): p. ej. los reovirus
ss RNA (ARN de
cadena simple): p. ej. el TMV
Las estructuras de los virus son muy diversas.
El ácido nucleico está localizado en el centro, rodeado
por una cubierta de naturaleza proteica llamada cápsida. Las proteínas
individuales que forman la cápsida de denominan subunidades proteicas o capsómeros.
Muchos virus presentan una estructura icosaédrica (20
caras triangulares y 12 vértices).
El TMV está formado por un largo cilindro en el que
el ARN forma una espiral central rodeada de los capsómeros.
Algunos virus tienen estructuras más complejas, con
envolturas membranosas que rodean el cuerpo central de proteína-ácido nucleico.
Es el caso del virus de la gripe.
Los virus más complicados estructuralmente son algunos de
los virus bacterianos que además de una cabeza icosaédrica que contiene el
ácido nucleico, tienen una cola que carece de este material. En el caso del
virus T4 de E. coli la misma cola es una estructura muy complicada.
b) Multiplicación de los virus
Los virus presentan un problema para su multiplicación:
al no tratarse de seres vivos son incapaces de reproducirse por sí mismos.
Deben de alguna manera inducir a una célula viva a fabricar los componentes
esenciales de la partícula vírica; esos componentes deben reunirse en el orden
adecuado; y las nuevas partículas víricas deben escapar de la célula para
infectar otras células.
Las diversas fases de este proceso de multiplicación
pueden resumirse en 6 etapas:
1)1) Fijación (adsorción) de la partícula
vírica a la célula sensible.
2) Penetración del virus o de su ácido
nucleico en la célula.
3) Replicación del ácido nucleico del virus.
4) Producción de los capsómeros de proteína y
de otros constituyentes víricos esenciales.
5) Reunión del ácido nucleico y los
capsómeros: formación de nuevas partículas de virus.
6) Liberación de las partículas víricas
maduras de la célula.
Los virus con ADN monocatenario (ss DNA), como el
ÖX174 (virus icosaédrico que infecta a E. coli), cuando introducen su
ADN en la célula (llamado ADN+), inducen la síntesis de una cadena
complementaria (ADN-) que será utilizada para obtener nuevas copias de ADN+.
Los virus con ARN monocatenario tienen información
para la síntesis -haciendo uso de los ribosomas de la célula huésped- de una
enzima "replicasa" que se asocia al ARN y sintetiza una cadena
complementaria ("menos") que será utilizada para obtener nuevas
copias de ARN. En el caso de los virus con ARN bicatenario el proceso
será similar inicialmente (es decir, se precisará la síntesis de una
"replicasa"), pero todavía no se conoce bien su modo de replicación.
El conocimiento mayor de un proceso multiplicativo de los
virus se ha alcanzado con los bacteriófagos (virus con ADN bicatenario).
El virus bacteriano T4 que infecta E. coli tiene una cabeza (en
cuyo interior está enrollado el ADN vírico), y una larga cola muy
compleja, al final de la cual hay una serie de fibras.
Hay que tener en cuenta que el ADN del T4 tiene al
estirarse una longitud de unos 50 ìm, mientras que las dimensiones de su cabeza
son de 0'095 ìm por 0'065 ìm. Esto significa que el ADN debe estar
extraordinariamente plegado y empaquetado muy estrechamente dentro de la
cabeza. Es probable que este estrecho empaquetamiento haga que el ADN se
encuentre a considerable presión, y que cuando se produce una abertura en la
cola, el ADN sea empujado rápidamente hacia el interior de la célula
bacteriana. La fijación del bacteriófago T4 a la pared celular de E. coli
y la inyección del ADN aparece representada en la figura (para la formación del
orificio correspondiente que permita la entrada del ADN en el interior de la
bacteria, se producen unos cambios en la superficie de ésta por acción
enzimática; simultáneamente se desarrolla una abertura en la punta de la cola
del virus).
El ADN vírico contiene información genética para cierto
número de enzimas que el huésped sin infectar no fabrica.
La formación de esas enzimas del virus lleva a la síntesis de nuevas moléculas
de ARN-m tomando el ADN vírico como modelo. A partir de esas moléculas de ARN-m
(y utilizando la maquinaria sintetizadora de proteínas del huésped) se
producirán proteínas del virus y enzimas que promueven la síntesis de ADN
vírico.
Durante la multiplicación vírica, la maquinaria
metabólica del huésped sigue funcionando, suministrando la energía y las
moléculas necesarias para la síntesis de las enzimas y el ácido nucleico del
virus. La maquinaria de síntesis proteica está virtualmente ocupada por el
virus, probablemente debido a que éste inhiba la síntesis de ARN-m del huésped.
La cubierta proteica de la partícula vírica se forma
espontáneamente a partir de los capsómeros proteicos por un proceso de autoensamblaje,
en el cual el ácido nucleico sirve como núcleo central alrededor del cual se
ensamblan los capsómeros. En el caso del T4 se forma primero la cabeza
alrededor del ADN, y a continuación se añaden el tubo, la vaina y las fibras de
la cola.
La liberación de los viriones se produce después de la
ruptura de la pared celular por acción de proteínas parecidas a la lisozima y
cuya síntesis es dirigida también por el ADN del virus.
Sólo queda añadir que existen virus virulentos
(que matan a la célula que infectan) y virus atenuados que pueden
producir: