Sesión 2: Visión general de la vida y de los fenómenos biológicos. Organización general de las células

Todos los seres vivos tenemos características en común, algunas de ellas son: que somos sistemas abiertos que intercambian materia y energía con el ambiente; tenemos alta proporción de carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y otros; estamos formados por células; presentamos homeostasis qué es la capacidad de mantener un medio interno constante y estable a pesar de los cambios del entorno; realizamos metabolismo que permite el aprovechamiento y transformación de materia y energía; presentamos irritabilidad que es la capacidad de reaccionar ante estímulos, reproducción, crecimiento y desarrollo; provenimos de un mismo ancestro común con un material genético llamado ADN; somos sistemas autopoiéticos con la capacidad de auto organizarse generarse y autorregularse, finalmente, también somos sistemas complejos construidos por componentes que están interconectados, pero a la vez son independientes y sus límites son difusos o permeables.

Niveles de organización:
La vida no se reduce a ser una sumatoria de propiedades de sus componentes sino que es una propiedad emergente, producto de las relaciones dinámicas entre sus componentes.


- Subatómico: electrones, protones, neutrones.
- Atómico: átomos de elementos como hierro y calcio.
- Macromolecular: uniones de moléculas como polisacáridos y proteínas.
- Molecular: uniones estables de átomos como agua y aminoácidos.
-Subcelular: organelas o virus.
- La célula: unidad básica de vida.
- Tejidos: células especializadas y coordinadas.
- Órganos: grupos de tejidos funcionales.
- Organismos pluricelulares complejos: conjuntos de sistemas de órganos.
- Población: grupo de la misma especie en un área específica.
- Comunidad: poblaciones de diferentes especies en un hábitat.
- Ecosistema: comunidad de organismos junto a un entorno no vivo.
- Biosfera: todos los seres vivos en la Tierra y sus relaciones.

Clasificación de seres vivos:
Todos los organismos presentes en la tierra derivan de un grupo de células originarias, al que muchas veces se denomina LUCA.
Nos podemos organizar y clasificar de acuerdo con nuestras características morfológicas, metabólicas, por origen evolutivo, o según el parecido genético. Más allá de cómo se clasifique, podemos diferenciar dos grandes grupos de organismos: los eucariontes (en cuyas células el ADN se rodea por una membrana) y los procariontes (sin una membrana rodeando al material genético). La clasificación por dominios separa los procariontes en dos grupos(dominios) distintos, Bacteria y Archaea y a los eucariontes en uno solo, Eukarya, el cual se subdivide a su vez en 5 reinos.




De acuerdo con el tipo de nutrición, los organismos se dividen en autótrofos o heterótrofos. Los primeros tienen la capacidad de sintetizar sus propias biomoléculas a partir de sustancias inorgánicas como el agua o el dióxido de carbono del aire. La fotosíntesis sería un ejemplo de un proceso autótrofo. Por otro lado, los heterótrofos necesitan incorporar biomoléculas ya sintetizadas, es decir alimentarse de otros organismos.

Redes alimentarias:
Las redes tróficas son complejas transferencias de nutrientes y energía entre los seres vivos. En ellas, los productores como plantas, algas y bacterias fotosintéticas son la base energética de los ecosistemas terrestres, ya que pueden sintetizar sus propias biomoléculas a partir de sustancias inorgánicas.
Por otro lado, los consumidores son organismos heterótrofos que se alimentan de otros organismos. Los consumidores primarios son herbívoros que se nutren de plantas, algas o cianobacterias, mientras que los consumidores secundarios y terciarios (carnívoros) se alimentan de los primarios y/o secundarios respectivamente.
Los descomponedores, como hongos y ciertas bacterias, descomponen los restos orgánicos de los seres vivos y los transforman en moléculas más pequeñas, que luego son reutilizadas por productores y otros consumidores. Su función es clave en el reciclado de la materia.
Algunos organismos pueden alimentarse tanto de productores como de consumidores primarios, secundarios, terciarios o descomponedores, lo que muestra la complejidad de las interacciones en las redes tróficas.


Célula como unidad de los seres vivos

La vida surgió en la Tierra hace alrededor de 4000 millones de años. Probablemente la formación de unas vesículas rudimentarias delimitadas por membranas posibilitó generar un medio intracelular estable, diferenciado del entorno y un metabolismo propio. Esto llevó a la formación de las primeras células primitivas, emparentadas con algunos procariontes actuales. En el caso de estos organismos unicelulares, una célula YA ES un individuo, en cambio en organismos pluricelulares, las células serán parte de un organismo. Según la teoría celular:
● Todos los seres vivos están formados por al menos una célula. Por ello se dice que es la unidad morfológica (de estructura) de los seres vivos. Es el elemento más pequeño que puede ser considerado como algo vivo.
● Las funciones vitales de los seres vivos ocurren dentro de las células. Por ello la célula es la unidad funcional de los seres vivos.
● Toda célula proviene de otra preexistente.
● Las células contienen el material hereditario.

Ciertas estructuras celulares son comunes a todas:
● una membrana plasmática, que delimita la célula y permite generar un medio interno diferenciado del exterior gracias a ser selectivamente permeable a determinadas sustancias. Esta membrana se conforma por lípidos (una bicapa lipídica), proteínas e hidratos de carbono asociadas a los mismos.
● una o varias moléculas de ADN, dependiendo del tipo de organismo, que porta la información genética de la célula.
● El citoplasma, que es el lugar físico donde ocurre gran parte de las reacciones metabólicas de la célula. Se conforma por el citosol, una matriz acuosa, y por el conjunto de las distintas estructuras subcelulares contenidos en él.
● los ribosomas, las estructuras donde se lleva a cabo la síntesis de las proteínas.

Podemos diferenciar a las células, de acuerdo con su organización interna, en dos grandes grupos:
1. Células Procariotas o procariontes (presentes en bacterias y arqueas)
2. Células Eucariotas o eucariontes (presentes en hongos, chromistas y protozoos -protistas-, animales y plantas).

A diferencia de los procariontes, los eucariontes presentan compartimentos subcelulares rodeados por membranas, lo que permite la separación física de procesos específicos y, en consecuencia, alcanzan un mayor nivel de complejidad celular. El compartimiento más característico y solo presente en eucariontes, es el núcleo celular que contiene el material genético, el ADN.


Célula procariota:
Se encuentran en nuestros tractos gastrointestinales, sobre nuestra piel, en la boca y en la vagina. Muchos actúan como “barreras” naturales y ayudan a frenar el ingreso de otros patógenos, otros nos aportan nutrientes que ellos sintetizan. Tampoco debemos olvidarnos de los procariontes usados en procesos alimenticios, como los lactobacilos que producen el yogur. Los procariotas carecen de un núcleo celular, es decir de una membrana que rodea el material genético. Suelen tener un tamaño mucho más reducido que los eucariontes y una velocidad de reproducción mucho mayor:pueden dividirse cada 20 minutos. Algunas procariotas poseen estructuras características llamadas pilis o fimbrias, ellas le otorgan la capacidad de adherirse y acercarse a estructuras como epitelios humanos, dientes u incluso a otras bacterias. Gracias a los pilis pueden enlazar otras bacterias y transferir plásmidos, material genético “extracromosómico”, a otras células.
Desde un aspecto nutricional algunos procariontes como las arqueas presentan una gran variabilidad dado que pueden aprovechar como fuente alimenticia desde el petróleo, los plásticos o incluso sustancias como el azufre, el metano, entre otros.

Célula eucariota:
Surgieron a lo largo del proceso evolutivo, mucho más tardíamente que las procariotas. Probablemente se generaron por fusión de dos o más organismos procariotas. Presentan una gran variedad en cuanto a su tamaño y forma, incluso en un mismo organismo como el nuestro. Una célula eucarionte promedio mide entre 10 y 30 µm. Las células eucariotas cuentan, con una membrana plasmática, un citoplasma, ribosomas y ADN como material genético. Pero, a diferencia de las procariotas, presentan estructuras internas características que varían de un organismo e incluso de una célula a otra. Varias de estas estructuras se delimitan por membranas, lo que permite separar funcionalmente zonas celulares entre sí. La más notoria es la membrana nuclear, que rodea al material genético. Entre ellos podemos nombrar organelas membranosas como mitocondrias, cloroplastos y peroxisomas.





Comparación de células procariotas y eucariotas
A diferencia de las células eucariotas, las procariotas carecen de compartimentos membranosos, por ejemplo de un núcleo celular. Su ADN es circular, presentan un citoesqueleto rudimentario y la división celular es por fisión binaria. Éstas, y otras diferencias se detallan en la Tabla.


¿Cómo podemos estudiar las células y sus componentes?
Contamos con dos tipos básicos de microscopios: los microscopios ópticos (M.O.) y los microscopios electrónicos (M.E.). Mientras que los ópticos usan una fuente de luz, los electrónicos utilizan una de electrones. Esto último les brinda una mayor capacidad de resolución, gracias a lo cual se pueden visualizar con mayor detalle distintas estructuras.
El microscopio óptico (M.O) tiene la ventaja de poder estudiar células vivas y, en consecuencia, poder observar, por ejemplo, el movimiento de espermatozoides (células sexuales) en estudios de fertilidad. A su vez nos permite detectar la presencia, cantidad o proporción de ciertas células: por ejemplo, la infección por bacterias de un líquido como la orina. Respecto de los microscopios electrónicos, mientras que el MET (microscopio electrónico de transmisión) nos facilita la observación de detalles intracelulares, incluso en algunos casos a escala macromolecular, el MEB (microscopio electrónico de barrido) brinda imágenes tridimensionales de la superficie celular.

Estudios a un nivel molecular:
Las células y los tejidos suelen estudiarse analizando la presencia de moléculas químicas. Cada organismo presenta un ADN y proteínas característicos y cada tipo celular de un mismo organismo diferirá a su vez respecto de sus proteínas. De este modo se puede detectar la presencia de ciertas células, diferenciar un organismo o una célula de otra o simplemente estudiar alteraciones de estas células.
- de proteínas celulares específicas (por ejemplo, los receptores): permiten determinar la presencia o la cantidad de ciertas células o diferenciar células entre sí. Por ejemplo, por medio de esta técnica podemos estudiar la presencia de microorganismos patógenos como bacterias, virus o incluso determinar la presencia de células tumorales.
- de ADN o ARN: permite diagnosticar enfermedades genéticas, realizar estudios de paternidad o, en criminología, diferenciar por medio del ADN a qué persona pertenece una determinada célula de un tejido. También, en el caso de infecciones virales o bacterianas, se puede detectar por medio de estudios moleculares de ADN, la presencia de microorganismos patógenos.


Virus y agentes infecciosos
Diversos factores, como los desplazamientos de personas en poco tiempo, la deforestación y el cambio climático, pueden favorecer la emergencia de nuevos virus y/o acelerar la propagación de los ya existentes. Entre los agentes infecciosos no formados por células, además de los virus, podemos nombrar a los viroides y a los priones, que infectan a organismos vegetales y al sistema nervioso de algunos animales, respectivamente.

Virus
No todos los virus son necesariamente dañinos. Existe una gran variedad de virus no patógenos que se hospedan en nuestros tractos gastrointestinales y epitelios y de los cuales hasta ahora se sabe muy poco. Dado que se trata de partículas extremadamente pequeñas, no visibles al microscopio óptico, recién en el año 1935 se pudo aislar y estudiar por primera vez a un virus: el del mosaico del tabaco. Sus diámetros oscilan entre 20 y 1000 nanómetros y, si bien existen virus que pueden alcanzar el tamaño de una célula procarionte, se trata de excepciones. Aquí consideraremos, hasta que no haya un mayor consenso en la comunidad científica, considerarlos como “partículas subcelulares, o estructuras biológicas no vivas”.

Características:
1. No están formados por células, por lo que no cuentan con una membrana plasmática ni citoplasma ni ribosomas. Por ello no presentan un metabolismo propio y tampoco pueden regular su medio interno (homeostasis).
2. Necesitan de una célula viva para multiplicarse dado que requieren de su maquinaria metabólica y de estructuras subcelulares como los ribosomas y mitocondrias, entre otros elementos celulares. Por esta razón se los considera parásitos intracelulares obligados.
3. Contienen un genoma (material genético) que puede ser ADN (ácido desoxirribonucleico) o ARN (ácido ribonucleico).
4. Presentan proteínas de fijación que les permiten infectar a las células.
5. De acuerdo con el tipo de virus, pueden transportarse de una célula a otra por distintas vías.

Tienen en común:
● El material genético o genoma (ADN o ARN) que porta los genes.
● Una cápside de naturaleza proteica, que protege y rodea al material genético y que puede adoptar distintas formas.

● Las proteínas de fijación están presentes en las superficies virales y permiten al virus unirse e ingresar a las células que van a infectar. Si un virus carece de estas proteínas, no podrá ingresar y, por ende, tampoco infectar a la célula. Estas proteínas actúan como antígenos, estructuras que el cuerpo reconoce como extrañas y contra las cuales genera anticuerpos.
● Una envoltura lipídica que rodea la cápside, pero que no siempre está presente. Cabe aclarar que no se trata de una membrana plasmática, dado que no presenta una permeabilidad selectiva ni rodea un citoplasma celular. Se trata de un fragmento de membrana que perteneció a la última célula que infectó este agente. Los virus que cuentan con una envoltura membranosa de naturaleza lipídica son más fáciles de eliminar con detergentes ya que estos la desintegran y, junto a ella, se pierden los antígenos virales.
Se denomina partícula viral o “virión” a una unidad viral completa y con capacidad de infectar a otros organismos. Por otro lado, el concepto de virus se suele referir generalmente al conjunto de estas partículas o a una familia viral determinada.
¿Cómo se multiplican los virus?
El ácido nucleico viral (ADN o ARN) es clave para la multiplicación del virus ya que aporta toda la información necesaria para la formación de nuevas partículas virales. Sin embargo, será la célula infectada la que interpretará, es decir, decodificará, la información contenida en el ADN o ARN viral para la formación de nuevas partículas virales. Los virus no se multiplican por un proceso de división similar a las células, sino que sus componentes se “ensamblan” dentro de las células y luego se liberan. Al infectar una célula, a partir de una única partícula viral, se pueden originar miles de partículas. Esta infección puede llevar incluso a la muerte de la célula infectada.
El ciclo viral o ciclo de multiplicación viral es el conjunto de pasos o etapas desde que el virus es reconocido por la célula hasta la formación de nuevas partículas virales en el interior celular y su liberación al espacio extracelular. Cabe aclarar que tanto el modo de ingreso a la célula como el proceso de multiplicación pueden variar de un virus a otro.

a- Ciclos virales en células procariontes
El primer paso de una multiplicación viral consiste en introducir el ADN o el ARN dentro de la célula. En el caso de los bacteriófagos o fagos, deberán perforar la pared celular procariota e introducir a través del orificio su material genético. La cápside quedará fuera de la célula y será descartada.
Los fagos pueden multiplicarse gracias a dos mecanismos alternativos
-El ciclo lítico, que lleva a la ruptura (lisis) y muerte de la célula procariota.
-El ciclo lisogénico, donde la bacteria no muere, pero el material genético del virus (ADN) queda integrado al ADN celular. En este caso, cada vez que la bacteria se divida, las células hijas portarán el mismo ADN viral que la bacteria progenitora.
-Pasos de un CICLO LÍTICO VIRAL
1-Fijación o adsorción: el fago se une a los receptores de la célula por medio de sus proteínas de fijación.
2-Penetración: el fago inyecta el ADN dentro de la célula bacteriana.
3- Síntesis y replicación: la célula bacteriana sintetiza a partir de la información genética virallas distintas biomoléculas necesarias para formar las partículas virales.
4- Ensamblado: los componentes virales se ensamblan formando partículas virales.
5- Lisis de la célula y liberación de las partículas virales: por acción de los nuevos viriones se induce la ruptura, es decir, la lisis de la célula hospedadora y se liberan las partículas virales infectantes.

-Pasos de un CICLO LISOGÉNICO VIRAL
En este caso se repiten los pasos 1 y 2 pero la diferencia reside en que el ADN del fago se integra en el ADN bacteriano. Este ADN viral integrado en el ADN de la bacteria se denomina profago y cada vez que la bacteria se divide se replicará junto al ADN viral. Determinados cambios en el entorno de la bacteria pueden revertir este proceso y transformar el profago en un un virus activo. En este caso se desencadenará un ciclo lítico (con sus fases de replicación, ensamblaje y liberación) que llevará a la ruptura de la célula hospedadora.
Cabe aclarar que en diversas infecciones causadas por bacterias (como la escarlatina, la difteria y el síndrome urémico hemolítico), la capacidad de generar el daño se debe a la presencia de fagos integrados en el ADN bacteriano y no a la bacteria en sí. Estos profagos portan la información genética para generar toxinas que vuelven más patógena a la bacteria

B-Ciclos virales en células eucariontes

1- Fijación o adsorción: Los virus se unen de manera específica a ciertos receptores de la célula por medio de sus antígenos virales. Y si bien estos receptores son específicos para moléculas propias del cuerpo, los virus han “copiado” la zona de la molécula que se une al receptor y de esta manera ingresan. Es decir, han copiado la “llave” de ingreso a la célula.
2- Penetración (a) y decapsidación (b): Las partículas virales ingresan a la célula mediante la invaginación de la membrana plasmática de la célula. A continuación, pierde la cápside.
3- Síntesis: la célula sintetiza (fabrica) a partir de la información genética viral las distintas biomoléculas del virus (proteínas y ARN viral). Para ello aporta sus propias biomoléculas, estructuras celulares como ribosomas y mitocondrias y la energía celular.
4- Ensamblaje: Los componentes virales se ensamblan formando los nuevos viriones.
5- Liberación: la célula hospedadora libera a las partículas virales. En este proceso, porciones de la membrana plasmática rodea a las cápsides virales y se forma así la envoltura viral. De esta manera, los nuevos viriones abandonan la célula rodeados de una envoltura que proviene de la 8 membrana plasmática de la célula hospedadora. A partir de ahora los virus están en condiciones de infectar células vecinas. De esta manera prosigue el ciclo de infección.



¿Evolucionan los virus?
El material genético de los virus puede modificarse, es decir, puede mutar, al igual que el de los organismos formados por células. Al modificar su material genético, se modifica también la estructura de sus proteínas, entre ellas, las de fijación. En su mayoría, estos cambios no suponen ventajas o incluso no favorecen a los virus. Pero en algunas pocas situaciones como las antes nombradas pueden ser ventajosos ya que les permiten “adaptarse” a nuevos entornos y a la larga, evolucionar. Si bien los términos adaptación y evolución se aplican a los organismos vivos (conformados por células), también ocurren en virus.
Viroides y priones
Ambos son agentes infecciosos conformados solamente por un tipo de biomolécula. Se diferencian principalmente por las moléculas que los constituyen, sus mecanismos de patogenicidad y los organismos a los que infectan.
Los viroides están conformados exclusivamente por una molécula de ARN que no porta información genética, pero que interfiere con la interpretación de la información genética de las células que ellos infectan. Son agentes infecciosos causales de enfermedades de importancia económica en plantaciones.
Por otra parte, los priones están constituidos exclusivamente por proteínas. Infectan a células del sistema nervioso central y son responsables de patologías neurodegenerativas letales características de mamíferos. Una problemática importante es que son resistentes a los procesos de esterilización que se utilizan habitualmente para eliminar los distintos tipos de agentes infecciosos.