martes, 14 de julio de 2009

Pared Celular

Por M en C Rafael Govea Villaseñor
Versión 1.6
Última actualización: 2018-04-14


La Pared celular es una especie de malla que rodea completamente a la membrana plasmática. Es gruesa en las eubacterias gram-positivas y delgada en las gram-negativas.


Las funciones de la pared celular son:
  1. Proteger a las células contra daños mecánicos (exactamente como lo hace una malla de cota de un caballero medieval). Vean la figura 1.
  2. Proteger contra daños osmóticos (análogamente a como lo hace la bolsa de gajos cosidos que envuelve los globos del parque; impidiendo que la presión del aire haga estallar el globo). Si no saben que es la ósmosis, píquenle al enlace de hipertexto anterior donde se explica dicho fenómeno.Vean también la figura 2. 
  3. Dar forma a la célula (precisamente cómo la ropa acentúa o esconde la forma del cuerpo femenino). Vean la figura 3.


Figura 1. La cota de malla medieval impedía que las armas hiriesen al soldado, más o menos como lo hace la pared celular con las células.



Figura 2. Globos de hule dentro de bolsas de gajos cosido. Esta bolsa, igual que la pared celular, refuerza la membrana de hule e impide que estalle por la alta presión al entrar el agua por ósmosis, cuando la célula se enfrenta a un medio hipotónico (un medio con un líquido menos concentrado que el citoplasma).


Figura 3. La ropa le da forma a la figura. Ya sea resaltando curvas o ocultándolas.
Vean el vestido de novia entallado y la holgada túnica árabe.






Las paredes celulares de las eubacterias están constituidas por un polímero llamado péptidoglucano hecho de monosacáridos y aminoácidos unidos formando una trama. 
En las arqueobacterias la pared está hecha de proteínas, mientras que en los eucariotes la pared está hecha de polisacáridos o minerales: de celulosa en las plantas, de quitina en los hongos y de diversos minerales en los protistas. Nota que los animales no tenemos pared rodeando nuestras células




Ahora vean  varias imágenes de Paredes Celulares:


Comparación de las paredes células de eubacterias gram-positivas vs gram-negativas







Esquema de Pared celular en eubacterias gram-positivas. Una capa gruesa de péptido-glucano rodeando totalmente a la membrana plasmática (la doble capa de moléculas lipídicas).











Esquema de Pared celular en eubacterias gram-negativas. Una pared delgada de péptido-glucano entre dos membranas: la plasmática al interior y la externa.







En este video se muestran las paredes celulares de las bacterias gram-positivas
(1 sola membrana) y de las gram-negativas (2 membranas: la plasmática + pared + membrana externa)











Vean la micro-fotografía de la pared celular de péptido-glucano de una eubacteria y la pared (capa S) hecha de proteínas de una arqueobacteria.











Vean la micro-fotografía de la pared de péptido-glucano vacía y la capa S igualmente vacía. De donde resulta obvio su papel de dar forma a la célula.










Las células durante su división celular necesitan romper la integridad de la pared celular y luego de terminar la fisión binaria volver a cerrarla. Antes de hacerlo son susceptibles a daños osmóticos. Los antibióticos beta-lactámicos evitan la síntesis del péptidoglucano lo cuál provoca que mueran las bacterias por choque osmótico.


No es la penicilina la que mata a las bacterias, sino la carencia de una pared celular íntegra.


Vean, ahora, este esquema sobre la pared de celulosa en las células de plantas:

Noten que muestra que la pared rodea a la membrana plasmática de las células, que la pared está formada por fibras entrecruzadas de celulosa, que cada fibra de celulosa está conformada de haces de macromoléculas de celulosa y que cada una de éstas está formada por una cadena de beta D-glucosas unidas por enlaces glucosídicos beta1-->4.








Esta micrografía muestra la estructura de la pared de celulosa entre dos células adyacentes:
La flecha negra señala la pared; la flecha ciano, el núcleo celular y la verde a la vacuola. Noten que ésta ocupa casi todo el volumen de la célula arrinconando al citoplasma contra la membrana plasmática.




Las células de los hongos también poseen una pared celular que además de celulosa contiene quitina otro polisacárido, pero hecho de la unión de N-acetilglucosamina por enlaces glucosídicos beta-1-->4. Lo que aumenta los enlaces puente de hidrógeno entre las moléculas de quitina y refuerza su estructura. De ahí que la quitina sea más dura.


Vean esta micrografía de una pequeña rebanada longitudinal de una hifa. Se muestran dos células de una hifa septada. La flecha azul señala la pared celular:





lunes, 13 de julio de 2009

Flagelo (procariótico)

M en C Rafael Govea Villaseñor
Versión preliminar 1.1


El flagelo es la estructura motriz de muchos moneras, es decir, de los organismos procarióticos.


Vean la ilustración que sigue:
En ella, se muestra la estructura del flagelo en las bacterias gram-negativas; que cómo ustedes saben o debieran saber, poseen una membrana externa a la membrana plasmática y una delgada pared de péptidoglucano entre ambas.









Observen el funcionamiento del flagelo en el siguiente video. Noten cómo el flagelo contiene un motor que usa la diferencia de concentraciones del ion hidrógeno (H+). Muchos biólogos se refieren a esto como un motor que usa Fuerza Protón-motriz:











Vean ahora el ensamblaje del flagelo. Noten cómo el flagelo es un derivado evolutivo de uno de los complejos multimoleculares responsables de la secreción de sustancias al exterior celular:













Si les asombra la existencia de una estructura tan maravillosa como la del flagelo, vean el siguiente viddeo sobre la evolución del mismo. (usen su lectura de comprensión en inglés):













Si quieren conocer cómo funciona el flagelo con más detalle vean este otro video:





Por supuesto, espero su participación haciendo las preguntas pertinentes y reportando cualquier error que descubran.

miércoles, 1 de julio de 2009

Divisiones Celulares

M en C Rafael Govea Villaseñor
Versión 2.92
Última modificación el 2020/04/15
Desde el inicio de la vida hace más de 3 mil 800 millones de años los organismos unicelulares se han reproducido mediante procesos de división que reparten los componentes celulares entre dos células hijas. 




Cada una de ellas con una copia completa de toda la información genética necesaria para dirigir la producción de todas las macromoléculas celulares (ARN, ADN y Proteínas).


La replicación del ADN genera las copias que han de repartirse en la división celular.



Mientras los organismos siguieron siendo unicelulares, la división celular siempre implicó la reproducción de los mismos. Pero, al evolucionar la multicelularidad, entonces la equivalencia división celular = reproducción desapareció. 


En los organismos cuyo cuerpo está hecho de muchas células (multicelulares o pluricelulares), la división celular es el proceso que permite al organismo: desarrollarse, crecer y reparar. La reproducción tuvo que llevarse a cabo por procedimientos más complejos.


En los organismos pluricelulares la mayoría de las células no se dividen, excepto un tipo especial de células llamadas "madre" o "troncales". Estas células al dividirse generan una célula hija cuyo destino es diferenciarse en una célula especializada (muscular, grasa, epitelial, neurona, etc.) que trabaja para mantener al organismo entero hasta su muerte, mientras la otra célula hija se mantiene como célula troncal. Esto es necesario para que las células colaboren en beneficio del cuerpo entero. Pues los genes se transmitirán a la siguiente generación del cuerpo multicelular a través de los gametos.


Por lo anterior es inadecuado hablar de Reproducción celular. Ya que aunque hay células en nuestros cuerpos que a veces se reproducen (las células "Madre"), la mayoría no lo hace, a menos que enfermemos de cáncer.





Cuando en una célula especializada de nuestro cuerpo, el mecanismo que controla la división celular se descompone y esa célula se divide dando lugar a otras dos iguales y por tanto empieza su reproducción, entonces, se ha iniciado la cancerización.





Así, después de generaciones de células descendientes que no obedecen a las señales que les ordenan no dividirse, evolucionan por años, linajes de células cancerosas -hábiles para tomar los recursos del cuerpo y reproducirse sin colaborar para mantener vivo a nuestro cuerpo.


Algunos de esos linajes de células egoístas conformarán los tumores primario y secundarios que nos llevarán a la muerte.


Después de lo anterior, regresemos a lo básico: Hay varios tipos de divisiones celulares, a saber:
  1. Amitosis (también llamada Fisión Binaria)
  2. Mitosis (mito- = filamentos, -sis = proceso)
  3. Meiosis (meio- = disminuir)


En los organismos procarióticos la división usada es la Amitosis (a- = no, sin ; mit- = filamento o hilo). Se llama así puesto que las bacterias observadas durante su división celular con el microscopio óptico de Campo Claro NO vemos los filamentos llamados cromosomas. Los que si son visibles, en cambio, durante la mitosis.  La amitosis genera dos células genéticamente idénticas.





La amitosis o fisión binaria consiste en los siguientes eventos:
  • Replicación del ADN (1 nucleoide --> 2 nucleoides)
  • Elongación celular (que separa ambos nuceloides)
  • Formación de un tabique en la parte media de la célula
... como se muestra en la siguiente figura:




Vean es te gif animado de la fisión binaria:





Y los primeros 2' 30'' de este video tutorial de la amitosis en un cultivo de bacterias. CG4d "Se comunica en una segunda lengua en situaciones cotidianas."


 




La mitosis evolucionó hace más de 1,500 millones de años como un proceso de los organismos eucarióticos, los cuales poseen sus información genética en juegos de varios cromosomas que según la especie contienen desde dos cromosomas hasta cientos de ellos. Por ello, el mecanismo para repartir a cada célula hija una copia de cada cromosoma del juego de la especie (en nuestro caso, 23 diferentes) es más complejo. Pero también da origen a dos células hijas genéticamente idénticas.





Sólo hablaremos de la variante abierta de la mitosis y no de la cerrada y la parcialmente abierta.


Así, para su estudio, la Mitosis suele divide en las siguientes fases:
  1. Profase (pro- = inicio)
  2. Metafase (meta- = en medio)
  3. Anafase (ana- = separar)
  4. Telofase (telo- = fin)



En la profase inicia la mitosis con los siguientes eventos. A veces los últimos dos eventos se distinguen como una fase distinta de la mitosis, la Prometafase. Lo cual sólo es una cuestión de palabras, una convención:
  • La cromatina se condensa (enrolla) y conforma a los cromosomas que empiezan a verse como hilos largos que se engruesan y acortan.
  • Cada par de centriolos se desplaza hacia un polo de la célula.
  • Los elementos del citoesqueleto se ensamblan como Huso Acromático, bajo la influencia de los centriolos.
  • La Envoltura Nuclear se disgrega mezclándose el nucleoplasma con el citosol.


La metafase se alcanza cuando ocurre lo siguiente:
  • El huso acromático queda completamente armado y con los centriolos en los polos.
  • Los cromosomas a través de sus cinetocoros son colocados por los microtúbulos en la parte media de la célula.


Luego durante la anafase: 
  • Se rompe la región centromérica (centr- = centro y mer- = parte) de los cromosomas metafásicos (que están duplicados)
  • Así, cada cinetocoro (cinet- = movimiento t cor- del inglés core = centro), jala a su cromátida hacia polos opuestos.


Una vez que las cromátidas de cada cromosoma llegan a polos opuestos, ocurre la telofase que consiste en los eventos opuestos de la profase:
  • Los cromosomas (en realidad las cromátidas) se descondensan (desenrollan) y empiezan a verse como hilos largos que se adelgazan y alargan.
  • Los centriolos permanecen en los polos.
  • Los elementos del Huso Acromático se desarman y conforman el citoesqueleto normal de la célula.
  • La Envoltura Nuclear vuelve a formarse alrededor de los cromosomas de cada polo mientras se convierten en cromatina. 

 
Finalmente se inicia en la mayoría de las células la citocinesis (cito- = célula, cine- = movimiento y -sis = proceso) . En la citocinesis un anillo de proteínas motoras debajo de la membrana plasmática colocado por el huso forma una "cintura" como si se apretase un cinturón y termina por repartir el citoplasma entre dos células hijas.


La mitosis es un proceso continuo lo dividimos en fases para describirla mejor.


Células en Mitosis bajo el microscopio. Verde = microtúbulos del huso. blanco = ADN


La Meiosis, en cambio, coevolucionó junto con la singamia (la unión de gametos) cuando algunos linajes de protistas unicelulares desarrollaron ciclos de vida con alternancia de generaciones. 


De modo que una generación haploide (con 1 juego de genes) daba origen a una generación diploide (con 2 juegos) por medio de la fusión de sendas células. 

Luego, el organismo unicelular diploide (en nosotros sería nuestra primera célula, el cigoto) da origen a 4 organismos unicelulares haploides ( hapl- = simple = 1, plo- = multiplicación y -oide = parecido a...) mediante una división celular consistente en dos mitosis modificadas en serie sin la duplicación del ADN entre ellas. 

Esas dos divisiones disminuyen el número de juegos de cromosomas de nuevo a uno sólo. De ahí deriva el  nombre de la meiosis, dado que es el proceso que disminuye el número de juegos de cromosomas de 2 a 1, del estado diploide 2n al haploide n, (di- = 2, plo- = multiplicado por...  y -oide = apariencia)

La importancia biológica de la meiosis deriva del intercambio de cromátidas que ocurre durante la profase 1. Al aparearse los cromosomas homólogos se entrecruzan segmentos equivalentes entre las cromátidas provenientes de ambos progenitores. Lo cual forma cromosomas con nuevas combinaciones de genes a partir de las variantes de los genes del padre y de la madre. Así las cuatro células hijas generadas por la meiosis son genéticamente distintas. (aprendan esto muy bien, lo usaremos en biología 2, en genética y evolución)







La Meiosis, en consecuencia, se divide para su estudio en dos divisiones meióticas (mitosis modificadas) separadas por una interfase meiótica que duplica centriolos, pero no ADN. A saber:
  • Primera División Meiótica
    • Profase 1
    • Metafase 1
    • Anafase 1
    • Telofase 1
  • Interfase Meiótica
  • Segunda División Meiótica
    • Profase 2
    • Metafase 2
    • Anafase 2
    • Telofase 2





Ahora vean este gif de la meiosis completa:








CG2. La ciencia no excluye al arte. Espero puedan apreciar la belleza de esta obra que representa una porción de sendas células en contacto. Los componentes se muestran a escala.






Flujo de Información


Por M en C Rafael Govea Villaseñor
Versión 3.22
Última modificación: 19/04/2019




Las células son sistemas abiertos que intercambian masa y energía con su entorno. Los sistemas abiertos en estado estacionario tienen la propiedad intrínseca de alejarse del equilibrio termodinámico desplazando hacia su periferia al desorden (entropía) que se genera en cada proceso que ocurre en su interior.




Las células a lo largo de su evolución han adquirido la información que les permite aumentar su orden interno a costa de desordenar su medio. La Vida es la expresión de dicha información que se almacena y se transfiere de unas moléculas a otras.


La información genética se almacena a largo plazo en el Ácido Desoxirribonucleico (ADN) y consiste en las instrucciones para construir las macromoléculas que participan en casi todos los procesos celulares, los diversos tipos de ARN y las Proteínas.






La secuencia de pares de bases del ADN almacena también la información de cuándo, cuánto, dónde y en respuesta a qué circunstancias del entorno se deben producir las decenas de miles de especies diferentes de proteínas que cada célula requiere para vivir.



Las proteínas se asocian por complementaridad de superficies determinando los procesos celulares. Formando complejas redes de interacciones que terminan construyendo a los organismos y su fenotipo.

Vean por ejemplo el primer mapa de interacciones entre las proteínas humanas (http://www.mdc-berlin.de/en/news/2008/20080910-erwin_schr_dinger_prize_2008_goes_to_resea/).

Cada punto es una proteína y cada línea es una asociación. El estudio encontró 3200 asociaciones entre 1700 proteínas, sólo una pequeña fracción de las proteínas humanas:



El fluir normal de la información sigue el siguiente esquema:





El ADN almacena información usando 4 "letras químicas" que son las bases nitogenadas G (guanina), A (adenina), C (citosina) y T (timina) de sus nucleótidos.  El ADN es una doble hélice hecha de pares de bases de nucleótidos A=T y G=C que unen sendas cadenas de nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster:






El ADN tiene dos cadenas complementarias de nucleótidos que son moldes recíprocos: La cadena sentido en dirección 5' ---> 3' y la cadena antisentido en dirección opuesta 3' ---> 5'.





La síntesis de una cadena de ADN requiere una cadena molde y los 4 nucleótidos activados, es decir en forma de: dGTP, dATP, dCTP y dTTP. La adición de cada nucléotido sólo ocurre en el extremo 3' de cada cadena.



 

Toda célula procede de otra célula progenitora y recibe de ella su información genética. Así pues, antes de cada división celular ocurre la Replicación del ADN. Las dos cadenas del ADN se separan y sirven de molde para rehacer las cadenas complementarias:

La G empareja a la C, la A a la T y viceversa:



                                                 5'TATgCgTAAAgCTTC3'
                                                 __________3'TTCgAAg5'

                                     --->
5'TATgCgTAAAgCTTC3'
3'ATACgCATTTCgAAg5'
                                    --->
                                                5'TATgC3'____________
                                                3'ATACgCATTTCgAAg5'



Así se forman dos moléculas idénticas a la original aunque cada una de ellas tiene una cadena vieja y otra nueva (replicación es semiconservativa). De ese modo cada célula hija tendrá la información para fabricar las macromoléculas necesarias para funcionar.

Cuando la célula requiere de una proteína o de un ARN funcional, entonces copia el gen correspondiente, pero usando un "alfabeto" distinto. En vez de GACT del ADN usa GACU del ARN. 

El proceso se llama transcripción del ADN porque se escribe la misma información, pero usando un conjunto de "signos" un poco distinto. En vez de T se usa U.






Como puedes ver en la imagen de arriba, la cadena antisentido es el molde para elaborar el ARN que crece por su extremo 3'. 

Copia a un procesador de textos la siguiente molécula de ADN y debajo de la cadena antisentido escribe la secuencia de ribonucleótidos de unidos durante la transcripción del ADN. Luego envíame tu ejercicio a mi correo electrónico. 

Escribo 4 nucleótidos de ejemplo y el símbolo de la guanina con "ge minúscula" para no confundir con la C de la citosina.

Muestro la cadena sentido en naranja, la cadena antisentido en verde y el ARN en azul.

5'TATgCgTAAAgCTTCgCTACgATCCgTAgCUCgACCATCgA3'
3'ATACgCATTTCgAAgCgATgCTAggCATCGAgCTggTAGCT5'
5'UAUg...



En las células, muchas de las moléculas de ARN fabricadas son de ARNr que se ensamblan con decenas de proteínas para constituir los ribosomas (las "máquinas" que fabrican proteínas) catalizando la formación del enlace peptídico, otras son de ARNt (de transferencia) cuya función es transportar cada uno de los 20 tipos de aminoácidos proteícos al ribosoma.

Las moléculas ARN mencionadas antes se llaman no codificantes (nc) porque no dirigen la síntesis de proteinas como el ARNm (m = mensajero. Recientemente se han descubierto muchas moléculas de ARNnc distintas que participan en la regulación de distintas fases del flujo de información y también en la defensa antiviral de las células.

La mayoría de las moléculas de ARN parecen pertenecer a la clase codificante, el ARNm. Estos, son una especie de "planos" de las proteínas que contienen el nombre (o codón) de cada uno de los aminoácidos que deben de ser unidos para fabricar los miles de proteínas que requiere una célula para funcionar.


En el ARNm se encuentra codificada la secuencia de aminoácidos que debe unir el ribosoma como una serie de tripletes de nucleótidos llamados codones. Hay 64 codones posibles y sólo 20 aminoácidos proteicos. Así que hay codones sinónimos para casi todos los aminoácidos. 

Por ejemplo: el codón GGG = glicina, GGU = glicina y UUU = fenilalanina o UUC = fenilalanina. 


El esquema que contiene todos los codones y su equivalencia se llama código genético que es prácticamente Universal. En el esquema se especifican en círculos concéntricos la primera "letra": G, A, C o U; la segunda: G, A, C o U, la tercera "letra" de cada codón (también G, A, C o U) y el aminoácido que codifica. 

En el esquema circular mostrado abajo, los codones se muestran radialmente desde el centro hacia afuera. Los aminoácidos se escriben con su  símbolo de 3 letras. Los colores muestran el tipo de aminoácido:






Por ejemplo:



Ahora, traduce el pequeño trozo de ARN que simula ser un ARNm. Cópialo al procesador. Usa el código genético. Busca el codón de inicio y a partir de ese triplete coloca el símbolo de tres letras del aminoácido correspondiente. Precisamente como se muestra en la figura de arriba. Luego envía el ejercicio junto con el anterior a mi correo.



5'UAACGAUgUUAgCggUgAUgUggCUAUggggCUAUUAAG3'
Proteína:


Ahora, vean los videos siguientes. Fíjense en las imágenes. No importa si no entienden inglés:




Enrollamiento del ADN en carretes de histonas y en los demás niveles hasta formar un cromosoma condensado de la mitosis. La segunda parte se refiere a la replicación del ADN.





Replicación: ADN --> 2ADN









Transcripción: ADN ---> ARN



Este otro video con subtítulos sobre transcripción:



Un tercer video sobre transcripción:







Otro video sobre la traducción o síntesis de proteína:

Vías Metabólicas

Por Redactar.
Versión 0.3
Última actualización 29/05/2016


Vean por mientras:

La Presentación "Introducción al Metabolismo"




Y los videos

La Respiración Celular Aerobia y la Fotosíntesis Oxigénica







Noten que tanto la mitocondria como el cloroplasto fabrican ATP. La mitocondria lo exporta para impulsar los procesos celulares y el Cloroplasto sólo lo produce para sí mismo e impulsar la elaboración de carbohidratos.

Vean el siguiente video que explica el modo en que ocurre la fosforilación del ADP.





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