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Tema 1
1.Concepto general de célula
1.1Teoría celular:
La teoría celular constituye uno de los principios básicos de la biología, cuyo crédito le pertenece a los grandes científicos alemanes Theodor Schwann, Matthias Schleiden y Rudolph Virchow, aunque por supuesto, no hubiese sido posible sin las previas investigaciones del gran Robert Hooke. Postulados de la teoría celular: 1.Absolutamente todos los seres vivos están compuestos por células o por segregaciones de las mismas. Los organismos pueden ser de una sola célula (unicelulares) o de varias (pluricelulares). La célula es la unidad estructural de la materia viva y una célula puede ser suficiente para constituir un organismo. 2.Todos los seres vivos se originan a través de las células. Las células no surgen de manera espontánea, sino que proceden de otras anteriores. 3.Absolutamente todas las funciones vitales giran en torno a las células o su contacto inmediato. La célula es la unidad fisiológica de la vida. Cada célula es un sistema abierto, que intercambia materia y energía con su medio. 4.Las células contienen el material hereditario y también son una unidad genética. Esto permite la transmisión hereditaria de generación a generación. Para llegar a obtener todo este conocimiento sobre la célula fue necesario el desarrollo de instrumentos ópticos que nos permitieran observar dichas células, algunas de estos instrumentos ópticos son: -La conocida como “Lente de Nimrud” es el instrumento óptico más antiguo del que se tiene de noticia. Es un trozo pulido de cristal de roca que los astrónomos asirios utilizaban para observar el cielo. -A finales del siglo XIII en Venecia se desarrollan las primeras lentes simples: Las gafas.
-En el siglo XVI aparece el primer microscopio, un microscopio compuesto muy rudimentario, realizado Hans y Zacharias Jansen en 1590, en Midelburg, HOLANDA. (25 cm de lardo y 6 cm de diámetro). -Robert Hooke, a el se debe el nombre de célula, fue el creador de un microscopio compuesto más complejo en el siglo XVII, gracias al cual pudo observar las primeras células aunque estas estaban ya muertas, al tratar se de células del corcho, puesto que estaban rellenas de suberina. -Anton van Leeuwenhoek (1632-1723), en 1683 observó pequeños animales y bacterias utilizando una lente simple. A las bacterias las denominó animáculos La lente está instalada entre dos placas de bronce. Lo que se quiere observar se coloca en la punta de un tornillo, de manera que se puede regular de forma precisa la distancia entre el objeto y la lente; el observador tiene que acercar el ojo al instrumento y mirar a través de la lente.
1.3Tipos de célula
Células procariotas: Normalmente se utiliza el nombre de célula procariotas para referirse a bacteria( El nombre de bacteria fue introducido por Ehrenberg en 1828, derivado del griego βακτηριον que significa bastón pequeño ) cuya características principales son: -ADN circular no protegido por ninguna membrana. -No poseen orgánulos solo ribosomas. -Membrana plasmática a veces protegida por una pared celular cuya composición varía de una bacteria a otra. -Plasmidos: pequeños fragmentos de ADN repartidos por su citoplasma que es lo que le proporciona a las bacterias su gran resistencia a antibióticos y su gran capacidad para mutar. Louis Pasteur (1822-1895) y Robert Koch (1843-1910) descubrieron que las bacterias eran la causa de ciertas enfermedades. Células eucariotas: Son células que poseen un verdadero núcleo y presentan orgánulos con distintas funciones y muy variados, algunos de ellos son:
- Pared Celular
- Membrana plasmática
- Citoplasma:
- Citoesqueleto:
- Microtúbulos
- Filamentos de actina
- Filamentos intermedios
- Orgánulos no membranosos:
- Ribosomas
- Centríolos (Solo las células animales)
- Orgánulos con doble membrana
- Núcleo
- Mitocondrias
- Plastos (Solo las células vegetales)
- Orgánulos con una membrana
- Retículo Endoplasmático
- Aparato de Golgi
- Lisosomas
- Peroxisomas
- Vacuolas
especialización en ciertas funciones trae como consecuencias la diferenciación celular. Al mismo tiempo la células tienden a adoptar las características estructurales que las capacitan por el desempeño de su función especifica.
Diversidad y diferenciación de los tejidos
Un vegetal o un animal esta formado por órganos, diferentes por su forma y funciones, pero dispuestos y coordinados de tal manera que constituye un individuo capas de realizar las funciones propias de cada ser vivo. Cada órgano a su vez esta formado por tejidos diferentes que desempeñan determinadas funciones.
Tejidos vegetales
Los principales tejidos vegetales son los siguientes: los tejidos de crecimiento, los tejidos parenquimáticos, los tejidos protectores, los tejidos conductores, los tejidos se sostén y los tejidos excretores.
- Los tejidos de crecimiento o meristemos están constituidos por células jóvenes cuya única actividad es la de dividirse continuamente por mitosis. De las células de los meristemos derivan todas las células que forman el vegetal. Existen meristemos primarios, cuyas células permiten el crecimiento de la planta en longitud, y medistemos secundarios, el cámbium y el felógeno, cuyas células permiten el crecimiento de la planta en grosor.
- Los tejidos parenquimáticos están constituidos por células especializadas en la nutrición. Los principales parénquimas son: el parénquima clorofílico, con células capaces de realizar la fotosíntesis; el parénquima de reserva, con células que almacenan sustancias alimenticias; el parénquima aerífero, que contiene aire, etc.
- Los tejidos protectores, también llamados tegumentos, están formados por células que recubren el vegetal y lo aíslan del exterior. Hay dos clases de tegumentos: la epidermis, formada por células transparentes e impermeabilizadas, y el súber o corcho, formado por células muertas de paredes gruesas.
- Los tejidos conductores están formados por células cilíndricas que se asocian formando tubos, por los que circulan las sustancias nutritivas. Se distinguen los vasos leñosos, o xilema, por los que circula la savia bruta formada por agua y sales minerales, y los vasos liberianos, o floema, por los que circula la savia elaborada formada por agua y materia orgánica, que ha pasado por el proceso de la fotosíntesis y es el verdadero alimento de la planta.
- Los tejidos de sostén están constituidos por células alargadas de paredes muy gruesas formadas por celulosa. Estos tejidos dan forma y confieren rigidez a los vegetales.
- Los tejidos excretores están formados por células especializadas en producir y excretar diversos tipos de sustancias, como la resina de las coníferas o pinos y abetos, el látex de las plantas lechosas, las bolsas secretoras de la corteza de la naranja, etc.
Tejidos animales
Tejidos epiteliales. Conjunto de células estrechamente unidas que tapizan las superficies corporales, tanto internas como externas, y que además forman glándulas. Los epitelios constituyen uno de los cuatro tejidos fundamentales de los animales. Están formados por células dispuestas de manera contigua, sin que exista prácticamente matriz extracelular, con lo que presentan una gran superficie de contacto entre ellas. En estas zonas adyacentes existen estructuras moleculares especializadas denominadas complejos de unión, como las uniones estrechas y desmosomas, además de uniones focales, que forman puentes intercelulares para fortalecer la cohesión entre las células epiteliales. Esto hace difícil o imposibilita el paso de determinadas moléculas por el espacio intercelular. Los epitelios no poseen red de capilares sanguíneos por lo que la nutrición se realiza por difusión desde el tejido conectivo subyacente. Las células epiteliales se organizan formando uno o varios estratos que descansan sobre una capa de matriz extracelular especializada denominada lámina basal. Bajo la lámina basal siempre aparece tejido conectivo. La lámina basal tiene un componente producido por las células epiteliales y otro por el tejido conectivo subyacente. Es característico también de los epitelios su polaridad, entendiendo por ello las diferencias morfofuncionales que presentan entre su dominio apical
fibras musculares que tienen la capacidad de contraerse. Los miocitos se disponen en paralelo formando haces. La capacidad contráctil de estas células depende de la asociación entre microfilamentos y proteínas motoras miosina II presentes en su citoesqueleto. El tejido muscular se divide en dos tipos: estriado y liso. Las células del músculo estriado presentan unas bandas perpendiculares al eje longitudinal celular cuando se observan al microscopio, de ahí su nombre. El tipo estriado se subdivide en músculo esquelético y en músculo cardiaco. Estas bandas transversales no aparecen en el músculo liso. Tejido nervioso. Está constituido por células especializadas en procesar información. La reciben del medio interno o externo, la integran y producen una respuesta que envían a otras células. El tejido nervioso se desarrolla a partir del ectodermo embrionario. Es un tejido formado por dos tipos celulares: neuronas y glía, y cuya misión es recibir información del medio externo e interno, procesarla y desencadenar una respuesta. Es también el responsable de controlar numerosas funciones vitales como la respiración, digestión, bombeo sanguíneo del corazón, regular el flujo sanguíneo, control del sistema endocrino, etc. Las células del sistema nervioso se agrupan para formar dos partes: el sistema nervioso central que incluye el encéfalo y la médula espinal, y el sistema nervioso periférico formado por ganglios, nervios y neuronas diseminados por el organismo. Las neuronas están especializadas en la conducción de información eléctrica por sus membranas gracias a variaciones en el potencial eléctrico de la membrana plasmática. Mofológicamente, estas células se pueden dividir en tres compartimentos: el soma o cuerpo celular (donde se localiza el núcleo de la célula), las prolongaciones dendríticas y el axón. El árbol dendrítico es el principal receptor de la información que proviene de multitud de otras neuronas, la integra y la dirige al cuerpo celular. Del cuerpo celular parte el axón por donde viaja la información hacia otras neuronas o a fibras musculares.
1.5Medidas utilizables en biología celular.
Unidades de Longitud :
- Micrómetro (μm)= 0,001 mm; 10-3 mm
- Nanómetro (nm)= 0,001 μm; 10-6 mm
- Ångstrom (Å)= 0,1 nm; 10-7 mm Equivalencias: Relaciones entre las diferentes unidades de medida empleadas en microscopía: 1 mm = 1000 μm ,1 μm = 1000 nm, 1 nm = 10 Å, 1 Å = 0.1 nm, 1 Å = 0.0001μm.
Unidades de Peso:
- Miligramo (mg) = 10-3 g
- Microgramo (μg) = 10-6 g
- Nanogramo (ng) = 10-9 g
- Picogramo (pg) = 10-12 g
- Dalton (d) = peso átomo de hidrógeno
- Kilodalton (kd) = 10 3 d
- Ejemplo: H 2 O 18d; Hemoglobina 64,5 Kd 2.Instrumentos y técnicas de estudio de la célula
2.1Microscopios ópticos:
Lentes convergentes: aumentan la imagen del objeto y permiten hacer visibles al ojo humano detalles nítidos que de otra manera sería imposible observar. Resolución: Es la capacidad que tiene un sistema óptico de aislar dos puntos que se encuentran muy próximos entre sí, de manera que se puedan ver individualizados uno del otro. La distancia entre esos dos puntos se conoce como Límite de Resolución. Límites de Resolución aproximados de algunos sistemas ópticos:
- Ojo humano: 0,2 mm.
- Microscopio óptico: 0,2 μm.
- Microscopio electrónico: 0,2 nm. El poder de resolución de un sistema óptico, depende de:
Microscopio de campo claro: -Sistema mecánico: Conjunto de piezas que sirven de soporte a las lentes y demás elementos (pie o base, columna, mecanismo de enfoque, platina, revolver, tubo). -Sistema óptico: Conjunto de lentes responsables del poder de aumento y resolución (objetivos y ocular). -Sistema de Iluminación : Elementos que producen las radiaciones (luz visible o no) y transmiten, reflejan y regulan tanto la intensidad como la cantidad de rayos que van a incidir sobre el espécimen (lámpara o fuente de iluminación, espejo, condensador y diafragma). -Accesorios : que permiten extender las capacidades del instrumento (cámaras fotográficas, de video, computadoras, accesorios para dibujar, entre otros). El microscopio óptico es un elemento esencial para los estudios generales de histología puesto que es el que nos permite observar las diferentes características morfológicas de las células y los tejidos. Se basa en el uso de lentes para aumentar los rayos de luz que atraviesan una muestra de tejido. Su invención se remonta al siglo XVII. Desde entonces se ha ido perfeccionando hasta llegar a los moderno microscopios. Durante estos siglos, el mayor avance en cuanto a perfección y calidad se ha producido en su principal elemento, las lentes, las cuales aumentan la imagen de las secciones de tejido y permiten hacer visibles al ojo humano detalles nítidos que de otra manera sería imposible observar. Los microscopios ópticos tienen un límite máximo de resolución de 0,2 μm. El poder de resolución es la distancia mínima a la que se pueden discriminar dos puntos. Este límite viene determinado por la longitud de onda de la fuente de iluminación, en este caso la luz visible. Contiene normalmente dos lentes: el objetivo y el ocular. El primero recoge la luz que atraviesa la sección de tejido, mientras que el ocular es el que forma la imagen que observamos. El aumento total que permite un microscopio óptico se calcula multiplicando la magnificación que producen el objetivo por la que producen los oculares. Por ejemplo, si estamos usando un objetivo de 40x (aumenta 40 veces) y un ocular de 10x (aumenta 10 veces), el resultado final sera de 400x, es decir, vemos la muestra aumentada 400 veces. Usando microscopios ópticos avanzados se consiguen unos 1000-1500 aumentos (objetivo de 100x más oculares de 10x o 15x). Algunos microscopios ópticos tienen lentes internas que producen aumentos adicionales que tendremos que tener en cuenta para calcular la magnificación de la imagen que se observa. No debemos confundir los aumentos con el
poder de resolución. Por más que consigamos aumentar una imagen tomada de un microscopio, incluso con metodología digital, no se puede aumentar la resolución de la imagen. PARTES del MICROSCOPIO Un microscopio óptico básico está formado por las siguientes partes: Oculares. Son las lentes que forman la imagen que observaremos con nuestros ojos. Todos los microscopios actuales poseen dos oculares, uno para cada ojo. Por eso a los microscopios actuales se les llama binoculares. Los primeros microscopios eran monoculares, es decir, poseían una sola lente. Hay que tener en cuenta que en los microscopios más avanzados tanto el objetivo como el ocular suelen estar compuestos por varias lentes. En los microscopios más básicos al menos uno de los oculares puede regularse, alejarse o acercarse al objetivo. Esto permite ajustar el enfoque a las condiciones de visión, dioptrías, de cada observador. Objetivos. Los objetivos son las lentes que reciben la imagen directamente de la sección histológica y quizá sean los elementos más importantes del microscopio. Hoy en día los microscopios ópticos poseen un tambor o revólver donde se encuentran varios objetivos. Cada uno de ellos posee lentes que permiten diferentes aumentos. Las magnificaciones de los objetivos más usados suelen ser de 10x, 20x, 40x y 100x. Rotando el revólver se puede seleccionar el objetivo y por tanto el aumento al que queremos observar la preparación. Aparte de los aumentos, los objetivos tienen una serie de características para mejorar la imagen. Así, pueden ser acromáticos, de fluorita o apocromáticos, los cuales corrigen alteraciones cromáticas, de campo plano que eliminan la curvatura del campo de observación, etcétera. Cuando se usan objetivos de 100 aumentos (100x) es necesario emplear un líquido denominado aceite de inmersión entre el objetivo y la muestra. Esto es debido a que la refracción de la luz es alta en el aire y provoca alteraciones en la imagen que se ponen de manifiesto con objetivos con esta capacidad de aumento. El aceite de inmersión reduce enormente esta refracción permitiendo imágenes mucho más nítidas. Partes de un microscopio simple.
función de la densidad. De esta manera se consiguen diferentes luminosidades para distintas estructuras tisulares. Se emplea para ver muestras sin teñir o acuosas, así como células vivas, por ejemplo en tejidos celulares. Campo oscuro. La observación en campo oscuro es un buen sustituto del contraste de fase para observar especímenes sin teñir o medios acuosos. Consiste en la incorporación de un objeto opaco bajo el condensador, entre la fuente luminosa y la sección de tejido. Este objeto sólo deja pasar la luz más lateral que incidirá sobre la muestra de forma oblicua y sólo aquella luz que sea reflejada por la muestra llegará a los objetivos. Allí donde no haya tejido aparecerá obscuro y distintas densidades o propiedades del tejido reflejarán diferente cantidad de luz. Contraste de interferencia y Nomarsky. Se basa en un ligero retraso que sufre la luz cuando pasa por unas estructuras tisulares en función de la densidad. Así, se consiguen diferentes luminosidades para distintas estructuras tisulares. Este tipo de microscopía se basa en el hecho siguiente: crear interferencias en la luz empleada para iluminar el espécimen crean condiciones que producen un incremento del contraste. Este tipo de microscopía aparece sólo en los microscopios más avanzados y suponen tener objetivos especiales. Estos métodos dan a los tejidos un aspecto tridimensional, es decir, aumentan la profundidad de campo (espesor de tejido que está simultánemente enfocado, es decir, que se ve nítidamente). Se basa en el uso de filtros que polarizan la luz, lo cual consiste en dejar pasar sólo a las que vibran en un determinado plano. Posteriormente pasan por un prisma que reagrupa esta luz en elementos separados por una distancia que es similar al poder de resolución del objetivo que se está usando. Existe un prisma para cada objetivo. Entonces la luz pasa por el muestra y las diferencias de densidad del tejido, como los bordes de las células o densidades del interior celular o matriz extracelular, provocarán alteraciones en la luz que se dirige hacia los objetivos, los cuales transformarán esas diferencias en cambios en la luminosidad. Todavía existe una lente adicional entre el objetivo y los oculares que permiten modular la luminosidad aún más. En contraste con la técnica de contraste de fases convencional, la cual esta basada en cambios en la longitud del camino óptico, el DIC esta basado en el gradiente de la longitud del camino óptico (promedio de cambio en la longitud de onda del filo óptico). Los gradientes repentinos producen el alto contraste y el efecto de relieve 3-D que es característico del DIC. Fluorescencia El microscopio de fluorescencia se usa para observar sustancias fluorescentes denominadas fluoróforos. Una molécula fluorescente es aquella que es capaz de captar radiación electromagnética con una longitud de onda determinada y emitir otra radiación electromagnética con otra longitud de onda diferente,normalemente dentro del espectro de la luz visible. Los fluoróforos se utilizan como marcadores para la detección de otras moléculas tisulares, normalmente mediante la técnica de inmunofluorescencia. Los usados en microscopía absorven en el rango de la luz ultravioleta, normalmente producida por una lámpara de mercurio, y emiten en el rango de la luz visible. Para seleccionar el rango de longitud de onda con que serán iluminados se utilizan filtros específicos localizados entre la fuente y la muestra que sólo dejan pasar un determinado rango de frecuencias. Con un tambor de filtros se consigue iluminar la muestra con diferentes rangos de ondas electromagnéticas y por tanto activar selectivamente a diferentes fluoróforos. La microscopía de fluorescencia nos permite usar más de un fluoróforo para detectar varias moléculas tisulares de forma simultánea siempre que el espectro de emisión de estos fluoróforos no se solape, puesto que entonces sería imposible discriminarlos.
Imágenes de fluorescencia. A la izquierda, inmunocitoquímica para el neuropépido Y en cerebro de rata, utilizando el fluoróforo Texas-Red. A la derecha, motoneuronas en cerebro de lamprea marcadas con el trazador neuronal fluoresceína que es en sí mismo un fluoróforo. Cada uno de los fluoróforos se ha estimulado con frecuencias diferentes y lo que se observa es la emisión en el espectro de la luz visible de cada uno de ellos, rojo y verde, respectivamente. Una aplicación más avanzada de la fluorescencia se da en los microscopios confocales, los cuales permiten eliminar la luz difusa procedente de fluoróforos que están en el tejido fuera del plano de enfoque. Esta luz difusa, que aparece en los microscopios de fluorescencia convencionales, provoca una difuminación y pérdida de nitidez de la imagen. Por tanto, con el microscopio confocal se consiguen imágenes mucho más nítidas y mediante la digitalización y solapamiento de planos de foco sucesivos se pueden conseguir imágenes tridimensionales. 3.Procesamiento de las muestras para microscopía óptica La correcta observación del material biológico con el microscopio óptico requiere una serie de procesos previos : -Fijación -Inclusión -Microtomía
saturados. A temperatura ambiente es sólida y su punto de fusión puede variar entre 40 °C y 70 °C según la composición de la mezcla de hidrocarburos. Así, parafinas más duras a temperatura ambiente tienen un punto de fusión mayor, mientras que las más blandas uno menor. Es recomendable una dureza mayor para incluir muestras más duras. Las parafinas más usadas tienen un punto de fusión en torno a los 60 °C. Podemos también modificar las características de las parafinas añadiendo sustancias para variar su dureza, viscosidad, fragilidad, etcétera. La parafina no es miscible con agua, mientras que todos los tejidos están formados principalmente por agua. Además, la mayoría de los fijadores son soluciones acuosas. Esto implica que para que la parafina líquida pueda penetrar completamente en el tejido ha de sustituirse el agua por un solvente orgánico. Esto se consigue mediante la deshidratación del tejido en alcoholes, normalmente etanol, de gradación creciente hasta alcohol de 100°. Posteriormente se transfiere el tejido a un líquido que es miscible tanto con el alcohol de 100° como con la parafina, denominado sustancia intermediaria, como es el benceno, xileno, tolueno o el óxido de propileno, entre otros. Estas sustancias son normalmente aclarantes por lo que comprobando la translucidez de la pieza podemos cerciorarnos de la penetración de la sustancia intermediaria en el tejido. El tiempo de incubación de la pieza en algunos de estos líquidos intermediarios como el tolueno o xileno no debe ser excesivo puesto que estas sustancias endurecen la pieza y crean problemas al hacer las secciones. Por último se pasa el tejido a parafina previamente licuada en una estufa regulada a la temperatura apropiada para dicho tipo de parafina. Se dan tres pasos por parafina líquida para favorecer una completa sustitución del líquido intermediario por la parafina. El tiempo que dura dichos pasos depende de lo volátil que sea el líquido intermediario y lo grande que sea nuestra pieza. Será mayor cuanto menos volátil es el líquido intermediario o mayor sea la muestra de tejido. Hay que tener en cuenta que un tiempo excesivo en parafina puede endurecer el tejido. Tras el embebimiento completo de la muestra se vierte parafina líquida en un molde, se introduce la muestra y se coloca según la orientación deseada de corte y se deja solidificar a temperatura ambiente. Un protocolo común de inclusión en parafina es el siguiente:
Microtomía: Los microtomos para cortar material incluido en parafina son probablemente los más usados en los laboratorios de histología. Todos poseen varias partes comunes: una cuchilla, un portabloques y un sistema mecánico que permite acercar el bloque de parafina a la cuchilla, a una distancia que se corresponde con el grosor de la sección que pretendemos obtener, y realizar el corte. Hay dos tipos de microtomo para parafina: el de rotación y el de deslizamiento. El microtomo de rotación provoca el corte gracias a la transformación de un movimiento de rotación en otro de ascenso y descenso del portamuestras. En el movimiento de bajada sobre la cuchilla se produce un acercamiento del portamuestras hacia la cuchilla según el grosor de corte seleccinado. En el portamuestras existe un sistema mecánico que permite orientar la superficie de corte de la muestra respecto a la cuchilla. En estos microtomos la cuchilla se mantiene fija durante el proceso de corte, pero puede regularse el ángulo de ataque, es decir, el ángulo de la hoja de la cuchilla respecto a la superficie de la muestra. Con el microtomo de deslizamiento se obtienen cortes mediante un movimiento de deslizamiento del bloque sobre la cuchilla, o viceversa. En estos microtomos el movimiento lo proporciona directamente la mano y es de ida y vuelta, siendo en la vuelta cuando se eleva la posición del bloque, o de la cuchilla, una distancia que nos dará el grosor del corte. Tanto el microtomo de rotación como el de deslizamiento tienen ventajas e inconvenientes. La principal ventaja del de rotación es su presición, la posibilidad de obtener secciones seriadas con facilidad y la automatización del proceso de corte mediante motores eléctricos. Los microtomos de deslizamiento son más sencillos mecánicamente y su disposición permite cortar bloques más grandes o bloques de celoidina, aunque están cayendo en deshuso. Hay que llevar a cabo una serie de procesos sobre el bloque de parafina antes de hacer el Microtomo para parafina con mecanismo de rotación. Microtomo para parafina con mecanismo de deslizamiento.
