EL DESCOBRIMENT DE LA CÈL·LULA

Els primers coneixements sobre la cèl·lula daten de l’any 1665, quan Robert Hooke va publicar els resultats de les seves observacions sobre els teixits vegetals, fetes amb un microscopi constituït per ell mateix que arribava a uns cinquanta augments. En la seva obra Micrographia va descriure amb detall que el teixit suberitzat (suro) i els altres teixits observats estaven constituïts per una sèrie de cel·les petites, semblants a les d’un rusc d’abelles, i va establir el terme cèl·lules (del llatí cellulae).

Robert Hooke (1635-1703)

Un contemporani de R. Hooke, l’holandès Van Leeuwenhoek, un comerciant ric tractant en fils i naturalista afeccionat, es va dedicar a perfeccionar les lents d’augment i va construir microscopis senzills, que arribaven a tenir fins a 200 augments, amb els quals, en observar l’aigua de les basses i els fluids interns dels animals, va fer descobriments interessants. Així doncs, va poder veure per primera vegada protozous i rotífers, que va anomenar animàlculs, llevats, espermatozoides, glòbuls vermells de la sang i, fins i tot, bacteris. Amb això va obtenir una gran popularitat entre els científics de la seva època.

Van Leeuwenhoek (1632-1723)

                                                              

 

Esquema d'un microscopi de Leeuwenhoek

Durant el segle XIX, gràcies a la correcció de les aberracions cromàtiques i òptiques i a la millora de les tècniques de preparació microscòpica (fixació, inclusió i tenyiment), es van poder estudiar les cèl·lules amb més detall i observar-hi diverses estructures a l’interior. Així doncs, el 1831, Robert Brown va descobrir en les cèl·lules vegetals un corpuscle que va anomenar nucli. Li va atribuir funcions importants, tot i que desconeixia quines podien ser.

Robert Brown (1773-1858)

El 1839, el fisiòleg txec Jan Evangelist Purkinje va descriure el medi intern de la cèl·lula vegetal, que va anomenar protoplasma, com una substància mucilaginosa en la qual es podien observar uns moviments. Des d’aquell moment ja es va començar a donar menys importància a la membrana cel·lular i més al seu interior.

Jan Evangelist Purkinje (1787 – 1869)

Inventor del microtom

A partir dels postulats del botànic alemany Schleiden (1838) i el zoòleg Schwann (1839), van afirmar respectivament que tots els vegetals i animals estan format per cèl·lules, i van donar peu a la TEORIA CEL·LULAR.

•.Tots els éssers vius estan constituïts per una o més cèl·lules, o dit d’una altra manera: la cèl·lula és la unitat estructural de tots els éssers vius.

•.La cèl·lula és capaç de dur a terme tots els processos metabòlics necessaris per mantenir-se amb vida, és a dir, la cèl·lula és la unitat funcional dels organismes.

•.Les cèl·lules tan sols poden sorgir a partir d’unes altres d’existents, idea que en llatí es va expressar amb la frase famosa: Omnis cellula ex cellula ( tota cèl·lula prové d’una altra cèl·lula ).

•.La cèl·lula conté tota la informació sobre la síntesi de la seva estructura i el control del seu funcionament, i és capaç de transmetre-la als seus descendents, és a dir, la cèl·lula és la unitat genètica autònoma dels éssers vius.

EN RESUM, LA TEORIA CEL·LULAR ENUNCIA QUE LA CÈL·LULA ÉS LA UNITAT MORFOLÒGICA, FISIOLÒGICA I GENÈTICA DE TOTS ELS ÉSSERS VIUS.

La Teoria Cel·lular

ELS NIVELLS D’ORGANITZACIÓ

NIVELLS BIÒTICS

NIVELLS ABIÒTICS

L'enunciat de la teoria cel·lular i el desenvolupament de les tècniques de microscòpia que van permetre veure la ultraestructura cel·lular van canviar per sempre la concepció de la vida. Les cèl·lules ja no eren simples estructures diferenciades, i es va assumir que hi havia una organització en un nivell inferior. La matèria té diferents nivells d'organització, i cadascun és estructuralment i funcionalment més complex que l'anterior.Els nivells d'organització es poden agrupar en abiòtics i biòtics.

ELS BIOELEMENTS

Les cèl·lules són un producte de la Terra i, per tant, estan constituïdes pels mateixos elements químics del món mineral. Hi ha uns 70 elements químics que intervenen en la constitució de les cèl·lules, anomenats bioelements. Entre aquests podem distingir:

• El carboni, l’oxigen, l’hidrogen i el nitrogen, que constitueixen el 99% de la massa de la cèl·lula.

• El fòsfor i el sofre, que trobem en quantitats menors, però que són imprescindibles per al desenvolupament de les funcions vitals.

• El ferro, el coure, el zinc, el iode, el sodi, el potassi, el fluor i tota la resta de bioelements, que es troben en quantitats molt petites, però que també són imprescindibles (oligoelements)

Els bioelements: primaris i secundaris. Els oligoelements

Oxigen

Carboni

Hidrogen

Nitrogen

Fòsfor

Sofre

95-99%

Matèria viva

LES BIOMOLÈCULES

Els elements químics es combinen entre si i poden formar milers de molècules diferents. En la constitució de les cèl·lules intervenen:

• Biomolècules minerals o inorgàniques: aigua, sals minerals, el diòxid de carboni, l’oxigen, el nitrogen...

• Biomolècules orgàniques: glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics. Només es troben en els éssers vius.

L’AIGUA

Des d’un punt de vista quantitatiu, la més important és l’aigua, ja que en general més del 90% del pes de les cèl·lules és aigua. Es pot imaginar la cèl·lula com una gota d’aigua envoltada d’una capa fina de lípids que impedeix que l’aigua interior i l’aigua exterior es barregin. Aquesta imatge dóna una idea de la importància que té l’aigua en la cèl·lula i, per tant, a tots els éssers vius. Totes les reaccions químiques es desenvolupen en el medi aquós, i per això, sense aigua, no és possible la vida de la cèl·lula. Quan el percentatge d’aigua interior disminueix molt, com succeeix en les llavors, la vida queda paralitzada (vida latent), fins que es recupera la quantitat mínima imprescindible per reiniciar el metabolisme.

L’aigua intracel·lular també conté disperses moltes substàncies d’elevat pes molecular, com ara proteïnes, polisacàrids... És per això que el medi intern és una dispersió col·loidal i esdevé gelatinós, semisòlid, un espai òptim per a les reaccions químiques i que facilita l’estructura interna de la cèl·lula.

La propietat més important de l’aigua és que és un gran dissolvent de les sals minerals, dels aminoàcids, i dels compostos polars. La gran capacitat de dissoldre aquestes compostos és perquè l’aigua és una molecula polar.

Les sals minerals es poden trobar en forma de precipitats poc solubles, de manera que constitueixen estructures esquelètiques cel·lulars, i dissoltes en l’aigua, en forma d’ions, en què mantenen un determinat grau de salinitat, un determinat grau de potencial elèctric i internen com a catalitzadors en reaccions químiques molt diverses. Les sals minerals més importants amb funció esquelètica són el carbonat càlcic i el fosfat càlcic. Els ions més abundants són els cations de sodi, potassi, calci i magnesi, i els anions de clor, bicarbonat, fosfat, sulfat i nitrat.

La sílice es troba constituint estructures esquelètiques en alguns organismes unicel·lulars, com és l’exosquelet d’algunes algues i d’esponges.

El diòxid de carboni, l’oxigen i el nitrogen són els tres gasos més abundants que formen l’atmosfera i, per tant, també els tres gasos més abundants que hi ha difosos entre les molècules del líquid que banya les cèl·lules, i del líquid que hi ha a l’interior. L’oxigen és necessari perquè es pugui fer la respiració mitocondrial, i el diòxid de carboni és el gas que es desprèn d’aquesta respiració, i també el gas que es pren com a font inorgànica de carboni per constituir, per mitjà de la fotosíntesi, biomolècules orgàniques. El nitrogen, malgrat que és el gas més abundant a l’atmosfera (79%) atès que hi ha molts pocs organismes capaços d’incorporar-lo al seu metabolisme, és molt poc aprofitat pels éssers vius.

Els glúcids són biomolècules formades bàsicament per carboni, hidrogen i oxigen. Poden formar una sola cadena, els anomenats monosacàrids; per dues cadenes, els anomenats disacàrids, o estar formats per moltes cadenes unides, és a dir, són polímers, els anomenats polisacàrids. Els monosacàrids i els disacàrids gràcies al seu baix pes molecular són solubles en aigua, en canvi els polisacàrids, de pesos moleculars enormes, són molt poc solubles o insolubles.

Els monosacàrids i els disacàrids tenen una funció energètica. Això és degut a la solubilitat i al fet que, com que es metabolitzen per respiració mitocondrial, es transformen completament en aigua i diòxid de carboni. A l’interior de la cèl·lula el monosacàrid glucosa és el més abundant; a la sang dels animals també ho és la glucosa, i a la saba dels vegetals és el disacàrid sacarosa.

Els polisacàrids poden tenir la funció de reserva energètica o una funció estructural. Amb funció de reserva energètica hi ha els dos components del midó, l’amilosa i l’amilopectina, totes dues a les cèl·lules vegetals, i el glicogen, a les cèl·lules animals. Amb funció estructural hi ha la cel·lulosa de la paret cel·lular e les cèl·lules vegetals i la quitina que constitueix l’exosquelet de molts invertebrats.

Els lípids són biomolècules orgàniques insolubles en aigua i solubles en dissolvents apolars (benzè, èter etílic...).

Els lípids estan constituïts bàsicament per carboni i hidrogen. La majoria també presenten oxigen, però en quantitats tan petites que no els treu el caràcter de molècula apolar. Si els oxígens queden a l’interior de la molècula, aquesta serà totalment apolar, i si queden a l’exterior de la molècula, aquesta hi tindrà un pol hidròfil (lipòfob), és a dir, una zona amb tendència a connectar amb l’aigua, i la resta constituirà un pol hidròfob (lipòfil), és a dir, una zona que refusarà el contacte amb l’aigua. Els lípids que tenen aquests dos pols s’anomenen amfipàtics.

Els lípids es classifiquen en lípids amb àcids grassos o saponificables i lípids sense àcids grassos o insaponificables. Els àcids grassos són substàncies constituïdes per una llarga cadena hidrocarbonada. Dins dels lípids saponificables destaquen els fosfoglicèrids, els fosfoesfingolípids i els glicolípids, també anomenats lípids de membrana atès que són els constituents més importants de les membranes cel·lulars.

Els fosfoglicèrids són molècules amfipàtiques, gràcies a això es disposen formant dues capes, l’anomenada doble capa lipídica, amb el pols hidròfobs enfrontats, i amb els pols hidròfils dirigits cap a l’aigua. Això permet separar els dos medis aquosos, el medi intracel·lular del medi extracel·lular. La resta de lípids tenen funcions estructurals en la membrana i en cas de necessitat també poden ser font d’energia.

Els lípids insaponificables són els isoprenoides (carotens, vitamines A i K...) i els esteroides (colesterol, la vitamina D, hormones sexuals, àcids biliars...). Aquests lípids fan funcions energètiques, estructurals, biocatalitzadores, fotosintètiques i emulsionants.

Les proteïnes són polímers d’unes petites molècules anomenades aminoàcids, unides entre si per mitjà dels anomenats enllaços peptídics. Les proteïnes presenten cinc tipus d’àtoms: carboni, hidrogen, oxigen, nitrogen i sofre.

Atès que a la natura existeixen un total de vint aminoàcids diferents, i que el nombre d’aminoàcids units no té límit, es poden formar infinites seqüències diferents d’aminoàcids, a diferència del que succeeix en els polisacàrids, en els quals tan sols es repeteix un o dos tipus de monosacàrids.

D’altra banda, segons quina sigui la seqüència d’aminoàcids, l’anomenada estructura primària, es poden establir o no enllaços entre aminoàcids allunyats. Si succeeix així, la cadena s’enrotlla sobre si mateixa, i adopta una forma helicoïdal, que rep el nom d’estructura secundària. Aquesta, al seu torn, segons l’atracció entre els aminoàcids, es pot doblegar sobre si mateixa i adoptar una forma globular, que rep el nom d’estructura terciària. Si s’uneixen dues o més d’aquestes cadenes polipeptídiques, es parla d’estructura quaternària.

Tot això ha permès que, després de milions d’anys d’evolució, s’hagin elaborat proteïnes específiques per fer determinades reaccions. Hi ha proteïnes disposades a la doble capa lipídica que seleccionen les substàncies que entren i surten de la cèl·lula. Altres proteïnes tenen funcions biocatalitzadores, els anomenats enzims, on la cèl·lula pot determinar quines reaccions s’han de produir en un determinat moment i quines no. Altres proteïnes tenen una funció esquelètica, com ara els proteïnes que formen el citosquelet intern de la cèl·lula, el col·lagen i l’elastina del teixit connectiu... Altres tenen una funció de reserva energètica, com per exemple les albúmines.

A més, les proteïnes fan altres funcions, com ara la funció de transport, per exemple l’hemoglobina que transporta l’oxigen; la funció de defensa immunològica, els anomenats anticossos; la funció contràctil, com ara la miosina i l’actina de les cèl·lules musculars; la funció hormonal, per exemple la insulina i l’hormona del creixement, i la funció homeostàtica, com ara les proteïnes que mantenen constants el nivells de PH del medi.

Els àcids nucleics són polímers d’unes petites molècules anomenades nucleòtids. Cada nucleòtid està constituït per un monosacàrid de cinc carbonis (pentosa), que pot ser la ribosa o la desoxiribosa; un àcid fosfòric, i una base nitrogenada. Es coneixen cinc tipus de bases nitrogenades, anomenades adenina, guanina, timina, citosina i uracil.

Segons si el monosacàrid és la desoxiribosa o la ribosa, es distingeixen dos tipus d’àcids nucleics: l’àcid desoxiribonucleic (ADN) i l’àcid ribonucleic (ARN).

ELS TIPUS D’ORGANITZACIÓ CEL·LULAR

Cèl·lules Procariotes - BACTERIS DEL REGNE MONERA

Cèl·lules procariotes. No tenen nucli visible. El material genètic està dispers pel citoplasma. Els bacteris són organismes unicel·lulars que presenten aquest tipus de cèl·lules.

El regne de les moneres presenta com a principal característica que els individus unicel·lulars no presenten un nucli veritable, i el material genètic està distribuït pel citoplasma.

3800 MA

Al regne monera pertanyen els bacteris (heteròtrofs) i les cianofícies (autòtrofs).

quatre formes externes: cocs, bacils, espirils i vibrions

Cèl·lules Eucariotes – REGNES DELS: PROTISTS, FONGS, VEGETALS I ANIMALS

Aquests regnes presenten un nucli que inclou el material genètic i molts orgànuls cel·lulars. Els protozous, les algues, els fongs, els vegetals i els animals tenen aquest tipus d’organització.

La Cèl·lulaeucariota

ESTRUCTURA DE LA CÈL·LULA PROCARIOTA

Evolutivament, les cèl·lules procariotes són anteriors a les eucariotes. Es caracteritzen per una estructura interna senzilla, no tenen nucli, i per això el material genètic està dispers pel citoplasma. L'estructura superficial és complexa i la majoria tenen una mida que oscil·la entre 1 i 5 μm.

PARTS DE LA CÈL·LULA PROCARIOTA

Cromosoma bacterià

Fímbries / Pili

Aquestes cèl·lules presenten:

•Paret cel·lular. És un embolcall rígid i fort format per polisacàrids i proteïnes que donen forma al bacteri.

•Membrana plasmàtica. Està situada dins la paret cel·lular i controla l'entrada i la sortida de substàncies. En algunes regions es plega cap endins, formant els mesosomes, unes estructures on tenen lloc processos metabòlics importants, com la respiració.

•Cromosoma bacterià. Està format per un únic filament circular d'ADN i conté tota la informació genètica de la cèl·lula. Està situat en la regió nuclear o nucleoide, i no està envoltat de membrana.

•Ribosomes. Són petits orgànuls en què té lloc la síntesi de proteïnes.

•Flagels. Molts bacteris tenen flagels, que són prolongacions del citoplasma que intervenen en el desplaçament.

•Fímbries. Es tracta d'unes estructures curtes i nombroses que fixen el bacteri al substrat.

Estructures Víriques

FORMES ACEL·LULARS

Replicació del virus de

la SIDA

Els prions són únicament molècules de proteïna, o sigui, una seqüència d’aminoàcids amb mides 100 vegades més petites que un virus. Els prions, tot i que no tenen àcids nucleics, són capaços d’autoreplicar-se dins de les cèl·lules, de manera que es postula la possibilitat que activin un gen de l’ADN de la cèl·lula hoste perquè codifiqui proteïnes del prió. La síndrome de Creutzfeld-Jakob és una malaltia provocada per prions, on la persona afectada pateix una ràpida degradació del seu sistema nerviós. El mal de les vaques boges és un cas de prió similar a la síndrome que pateixen els humans.

ELS PRIONS

Estructura general de la cèl·lula eucariotamembrana, citoplasma i nucli

Evolutivament, les cèl·lules eucariotes deriven de les procariotes. Tenen una estructura interna més complexa, presenten diversos orgànuls delimitats per una membrana i són de mida més gran. Totes les cèl·lules eucariotes tenen:

Membrana plasmàtica. És una capa que envolta la cèl·lula, l'aïlla i en regula l'intercanvi de substàncies amb l'exterior.

Nucli. Conté el material genètic a l'interior i està separat de la resta de la cèl·lula per una doble membrana porosa, la membrana nuclear, que permet l'intercanvi de substàncies amb la resta de la cèl·lula.

Citoplasma. És la part de la cèl·lula compresa entre la membrana plasmàtica i la nuclear. Està format per un medi aquós i una xarxa de fibres proteiques que intervenen en els moviments i la divisió de la cèl·lula, i constitueixen el citosquelet. A l'interior hi ha els orgànuls cel·lulars.

Centrosoma. És la regió propera al nucli que controla el moviment de les fibres del citosquelet i intervé en la divisió cel·lular.

Orgànuls cel·lulars. Són elements cel·lulars que s'encarreguen de diferents funcions.

La Membrana Plasmàtica

Fosfolípids i l’Aigua

Les primeres membranes: les protocèl·lules

Una membrana que podia aïllar la protocèl·lula de l’exterior. Al mateix temps aquesta capa permetria l’entrada de certes substàncies.

Glicocàlix

Permeabilitat Selectiva

Difusió dels Gasos

Òsmosi

Tipus de Transport

Relació Cel·lular - Citosquelet

Endocitosi

Fagocitosi

pseudòpodes

L’Estructura de les cèl·lules - citoplasma i orgànuls

http://aimediaserver.com/studiodaily/harvard/harvard.swf

El Citoplasma

Citosol - Hialoplasma

Utilitzant mètodes de tenyiment i microscòpia òptica, i sobretot gràcies a la microscòpia electrònica, s’han pogut observar en la matriu citoplasmàtica tres tipus d’estructures:

El sistema endomembranós és el conjunt d’estructures intercomunicades i de vesícules aïllades que en deriven, que poden ocupar gairebé la totalitat del citoplasma. Cada tipus d’estructures membranoses desenvolupa una funció diferent. S’hi distingeixen el Reticle Endoplasmàtic, que és la continuació de la coberta nuclear, l’Aparell de Golgi, al seu torn també relacionat amb les membranes del Reticle Endoplasmàtic, els Vacúols i els Lisosomes.

Els Orgànuls cel·lulars

Els orgànuls transductors d’energia són els Mitocondris i els Cloroplasts. Són orgànuls que tenen una doble membrana. La seva funció és la producció d’energia, tant si és a partir de l’oxidació de la matèria orgànica, tal com passa en els mitocondris, com a partir de l’energia lluminosa, tal com succeeix en els cloroplasts. Les estructures mancades de membrana que hi ha en el citoplasma són els Ribosomes, els Centríols, i els microtúbuls i microfilaments que formen l’anomenat Endosquelet o Citosquelet.

Els Ribosomes

65S40S

80S200Å

ARNr (ribosòmic) i Proteïnes

Són partícules de mida petita formades per ARN i proteïnes. S'hi fa la síntesi de proteïnes.

Biosíntesi de Proteïnes

El Reticles Endoplasmàtic Xarxa de distribució

Format per un conjunt de sacs aplanats i de conductes tubulars. Si duu ribosomes adossats, s'anomena rugós, i si no en té, llis. En el rugós se sintetitzen proteïnes, mentre que el llis intervé en la síntesi dels lípids.

La Síntesi Proteica: les proteïnes fabricades pels ribosomes penetren dins el RE rugós

Fabricació de Greixos : transport pels tubs o amb vesícules.

L’Aparell de Golgi

Complex de Golgi. Format per conjunts de cisternes aplanades i apilades. S'hi acumulen substàncies procedents del reticle endoplasmàtic i se secreten a l'exterior per mitjà de petites vesícules que es formen a la perifèria.

V. secreció

V. intercisternes

V. transició

Els Lisosomes Digestió dins dels Vacúols

Lisosomes. Són vesícules membranoses, procedents del complex de Golgi, que contenen enzims digestius que, per hidròlisi, transformen molècules complexes en altres de més senzilles.

Activitat del Sistema Endomembranós

• transport, maduració i acumulació de

substàncies (glúcids)

Els Peroxisomes Desinfecció

Els Mitocondris

Respiració Cel·lular (oxidació de la

matèria orgànica)

Tenen una forma esfèrica o allargada amb una doble membrana. Hi té lloc la respiració cel·lular, procés a partir del qual la cèl·lula obté energia.

Hipòtesi de l’Endosimbiosi

DOS MODELS DE CÈL·LULES EUCARIOTES

DIFERÈNCIES

Les cèl·lules animals presenten al centrosoma dos petits cilindres anomenats centríols, formats per túbuls proteics.

Centrosoma - organitzador de microtúbuls

Centríols en diferents funcions

Centre organitzador de microtúbuls

Els Centríols i els Microtúbuls - Divisió cel·lular

triplets

Microfotografía electrònica

Citocinesi

Citocinesi en la cèl·lula Vegetal

Les cèl·lules vegetals tenen una paret cel·lular, de cel·lulosa, que envolta externament la membrana plasmàtica. Té la funció de protegir la cèl·lula i mantenir-ne la forma regular. Presenta uns canals anomenats plasmodesmes que connecten unes cèl·lules amb unes altres.A més, tenen uns vacúols grans i cloroplasts, uns orgànuls de forma ovalada delimitats per una doble membrana on es fa la fotosíntesi.

Composició de la Paret Cel·lular

Els Cloroplasts

Fotosíntesi - magatzem del midó

Els Vacúols Magatzem de substànciesSón vesícules membranoses a l'interior de les quals s'acumulen diferents productes, com aigua, substàncies de reserva o pigments.

Cilis i Flagels Mobilitat Cel·lular

Flagels dels espermatozoides

Cilis d’un microbi

Cèl·lules Caliciformes (G), Cèl·lules Ciliades (C), Elastina (E) i Cèl·lules Defensives (M)