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4.3: Procariotas y eucariotas - Biología

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Qué aprenderá a hacer: comparar procariotas y eucariotas

En Introducción a la biología, discutimos la diversidad de la vida en la tierra y mencionamos cómo hay más de 1.9 millones de especies de organismos vivos en la tierra hoy. En esta sección, compararemos los dos tipos de células: procariotas y eucariotas.

Dentro de estas dos amplias categorías de células, hay muchas formas de vida diversas. Por ejemplo, tanto las células animales como las vegetales se clasifican como células eucariotas, mientras que todas las muchas células bacterianas se clasifican como procariotas.

Objetivos de aprendizaje

  • Identificar características comunes a todas las celdas.
  • Comparar y contrastar células procariotas y células eucariotas
  • Enumere las características unificadoras de los eucariotas.
  • Discutir los orígenes de la vida eucariota.

Comparación de células procariotas y eucariotas

Las células se clasifican en una de dos categorías amplias: procariotas y eucariotas. Los organismos predominantemente unicelulares de los dominios Bacteria y Archaea se clasifican como procariotas (Pro- = antes; -karyon- = núcleo). Las células animales, las células vegetales, los hongos y los protistas son eucariotas (UE- = verdadero).

Componentes de las células procariotas

Todas las células comparten cuatro componentes comunes: 1) una membrana plasmática, una cubierta exterior que separa el interior de la célula del entorno circundante; 2) citoplasma, que consiste en una región gelatinosa dentro de la célula en la que se encuentran otros componentes celulares; 3) ADN, el material genético de la célula; y 4) ribosomas, partículas que sintetizan proteínas. Sin embargo, los procariotas se diferencian de las células eucariotas de varias formas.

Una célula procariota es un organismo simple, unicelular (unicelular) que carece de núcleo o de cualquier otro orgánulo unido a la membrana. En breve veremos que esto es significativamente diferente en eucariotas. El ADN procariótico se encuentra en la parte central de la célula: una región oscura llamada nucleoide (Figura 1).

A diferencia de Archaea y eucariotas, las bacterias tienen una pared celular hecha de peptidoglicano, compuesta de azúcares y aminoácidos, y muchas tienen una cápsula de polisacárido (Figura 1). La pared celular actúa como una capa adicional de protección, ayuda a la célula a mantener su forma y previene la deshidratación. La cápsula permite que la célula se adhiera a superficies en su entorno. Algunos procariotas tienen flagelos, pili o fimbrias. Los flagelos se utilizan para la locomoción. Los pili se utilizan para intercambiar material genético durante un tipo de reproducción llamado conjugación. Las fimbrias son apéndices de proteínas que utilizan las bacterias para unirse a otras células.

Células eucariotas

En la naturaleza, la relación entre forma y función es evidente en todos los niveles, incluido el nivel de la célula, y esto se aclarará a medida que exploremos las células eucariotas. El principio "la forma sigue a la función" se encuentra en muchos contextos. Por ejemplo, las aves y los peces tienen cuerpos aerodinámicos que les permiten moverse rápidamente a través del medio en el que viven, ya sea aire o agua. Significa que, en general, se puede deducir la función de una estructura mirando su forma, porque las dos están emparejadas.

Una célula eucariota es una célula que tiene un núcleo unido a la membrana y otros compartimentos o sacos unidos a la membrana, llamados orgánulos, que tienen funciones especializadas. La palabra eucariota significa "núcleo verdadero" o "núcleo verdadero", aludiendo a la presencia del núcleo unido a la membrana en estas células. La palabra "orgánulo" significa "órgano pequeño" y, como ya se mencionó, los orgánulos tienen funciones celulares especializadas, al igual que los órganos de su cuerpo tienen funciones especializadas.

Tamaño de celda

Con un diámetro de 0,1 a 5,0 µm, las células procariotas son significativamente más pequeñas que las células eucariotas, que tienen diámetros que oscilan entre 10 y 100 µm (Figura 2). El pequeño tamaño de los procariotas permite que los iones y moléculas orgánicas que entran en ellos se propaguen rápidamente a otras partes de la célula. De manera similar, los desechos producidos dentro de una célula procariota pueden moverse rápidamente. Sin embargo, las células eucariotas más grandes han desarrollado diferentes adaptaciones estructurales para mejorar el transporte celular. De hecho, el gran tamaño de estas células no sería posible sin estas adaptaciones. En general, el tamaño de la celda es limitado porque el volumen aumenta mucho más rápidamente que el área de superficie de la celda. A medida que una celda se hace más grande, se vuelve cada vez más difícil para la celda adquirir suficientes materiales para soportar los procesos dentro de la celda, porque el tamaño relativo del área de superficie a través de la cual los materiales deben transportarse disminuye.

Objetivos de aprendizaje

Los procariotas son organismos predominantemente unicelulares de los dominios Bacteria y Archaea. Todos los procariotas tienen membranas plasmáticas, citoplasma, ribosomas, pared celular, ADN y carecen de orgánulos unidos a la membrana. Muchos también tienen cápsulas de polisacáridos. Las células procariotas tienen un diámetro de 0,1 a 5,0 µm.

Como una célula procariota, una célula eucariota tiene una membrana plasmática, citoplasma y ribosomas, pero una célula eucariota es típicamente más grande que una célula procariota, tiene un núcleo verdadero (lo que significa que su ADN está rodeado por una membrana) y tiene otra membrana. orgánulos unidos que permiten la compartimentación de funciones. Las células eucariotas tienden a tener de 10 a 100 veces el tamaño de las células procariotas.

Orígenes eucariotas

Los seres vivos se dividen en tres grandes grupos: Archaea, Bacteria y Eukarya. Los dos primeros tienen células procariotas y el tercero contiene todos los eucariotas. Se dispone de un registro fósil relativamente escaso para ayudar a discernir cómo eran los primeros miembros de cada uno de estos linajes, por lo que es posible que todos los eventos que llevaron al último ancestro común de los eucariotas existentes sigan siendo desconocidos. Sin embargo, la biología comparativa de los organismos existentes y el registro fósil limitado proporcionan una idea de la historia de Eukarya.

Los primeros fósiles encontrados parecen ser bacterias, muy probablemente cianobacterias. Tienen alrededor de 3.500 millones de años y son reconocibles debido a su estructura relativamente compleja y, para los procariotas, células relativamente grandes. La mayoría de los otros procariotas tienen células pequeñas, de 1 o 2 µm de tamaño, y serían difíciles de identificar como fósiles. La mayoría de los eucariotas vivos tienen células que miden 10 µm o más. Las estructuras de este tamaño, que podrían ser fósiles, aparecen en el registro geológico hace unos 2.100 millones de años.

Características de los eucariotas

Los datos de estos fósiles han llevado a los biólogos comparativos a la conclusión de que los eucariotas vivos son todos descendientes de un único antepasado común. El mapeo de las características encontradas en todos los grupos principales de eucariotas revela que las siguientes características deben haber estado presentes en el último ancestro común, porque estas características están presentes en al menos algunos de los miembros de cada linaje principal.

  1. Células con núcleos rodeados por una envoltura nuclear con poros nucleares. Esta es la única característica que es necesaria y suficiente para definir un organismo como eucariota. Todos los eucariotas existentes tienen células con núcleo.
  2. Mitocondrias Algunos eucariotas existentes tienen restos muy reducidos de mitocondrias en sus células, mientras que otros miembros de sus linajes tienen mitocondrias "típicas".
  3. Un citoesqueleto que contiene los componentes estructurales y de motilidad llamados microfilamentos y microtúbulos de actina. Todos los eucariotas existentes tienen estos elementos citoesqueléticos.
  4. Flagelos y cilios, orgánulos asociados con la motilidad celular. Algunos eucariotas existentes carecen de flagelos y / o cilios, pero descienden de antepasados ​​que los poseían.
  5. Cromosomas, cada uno formado por una molécula de ADN lineal enrollada alrededor de proteínas básicas (alcalinas) llamadas histonas. Los pocos eucariotas con cromosomas que carecen de histonas evolucionaron claramente a partir de antepasados ​​que las tenían.
  6. Mitosis, un proceso de división nuclear en el que los cromosomas replicados se dividen y separan utilizando elementos del citoesqueleto. La mitosis está presente universalmente en eucariotas.
  7. El sexo, un proceso de recombinación genética exclusivo de los eucariotas en el que los núcleos diploides en una etapa del ciclo de vida se someten a meiosis para producir núcleos haploides y cariogamia posterior, una etapa en la que dos núcleos haploides se fusionan para crear un núcleo cigoto diploide.
  8. Algunos tienen paredes celulares. Podría ser razonable concluir que el último ancestro común podría formar paredes celulares durante alguna etapa de su ciclo de vida. Sin embargo, no se sabe lo suficiente sobre las paredes celulares de los eucariotas y su desarrollo para saber cuánta homología existe entre ellas. La homología es la existencia de un ancestro compartido entre un par de estructuras en diferentes organismos (una similitud que se deriva de la evolución). Si el último antepasado común pudo hacer paredes celulares, está claro que esta capacidad debe haberse perdido en muchos grupos (más obviamente células animales).

Endosimbiosis y evolución de eucariotas

Para comprender plenamente los organismos eucariotas, es necesario comprender que todos los eucariotas vivos son descendientes de un organismo quimérico que era un compuesto de una célula huésped y la (s) célula (s) de una alfa-proteobacteria que "se instaló" en su interior. . Este tema principal en el origen de los eucariotas se conoce como endosimbiosis, una célula que engulle a otra, de modo que la célula engullida sobrevive y ambas células se benefician. A lo largo de muchas generaciones, una relación simbiótica puede dar como resultado dos organismos que dependen el uno del otro de manera tan completa que ninguno podría sobrevivir por sí solo. Los eventos endosimbióticos probablemente contribuyeron al origen del último ancestro común de los eucariotas de hoy y a la diversificación posterior en ciertos linajes de eucariotas.

Teoría endosimbiótica

A medida que se desarrolló la biología celular en el siglo XX, quedó claro que las mitocondrias eran los orgánulos responsables de producir ATP mediante la respiración aeróbica. En la década de 1960, la bióloga estadounidense Lynn Margulis desarrolló la teoría endosimbiótica, que establece que los eucariotas pueden haber sido producto de una célula que engulle a otra, una que vive dentro de otra y que evoluciona con el tiempo hasta que las células separadas ya no eran reconocibles como tales. En 1967, Margulis presentó un nuevo trabajo sobre la teoría y corroboró sus hallazgos a través de evidencia microbiológica. Aunque el trabajo de Margulis inicialmente encontró resistencia, esta hipótesis que alguna vez fue revolucionaria ahora es ampliamente (pero no completamente) aceptada, y el trabajo avanza para descubrir los pasos involucrados en este proceso evolutivo y los actores clave involucrados. Aún queda mucho por descubrir sobre el origen de las células que ahora componen las células de todos los eucariotas vivos.

En términos generales, ha quedado claro que muchos de nuestros genes nucleares y la maquinaria molecular responsable de la replicación y expresión parecen estar estrechamente relacionados con los de Archaea. Por otro lado, los organelos metabólicos y los genes responsables de muchos procesos de recolección de energía tienen su origen en bacterias. Queda mucho por aclarar sobre cómo ocurrió esta relación; este sigue siendo un apasionante campo de descubrimiento en biología. Por ejemplo, no se sabe si el evento endosimbiótico que dio lugar a las mitocondrias ocurrió antes o después de que la célula huésped tuviera un núcleo. Tales organismos estarían entre los precursores extintos del último ancestro común de los eucariotas.

Mitocondrias

Una de las principales características que distinguen a los procariotas de los eucariotas es la presencia de mitocondrias. Las células eucariotas pueden contener entre uno y varios miles de mitocondrias, según el nivel de consumo de energía de la célula. Cada mitocondria mide de 1 a 10 o más micrómetros de longitud y existe en la célula como un orgánulo que puede ser de forma ovoide a de gusano o intrincadamente ramificado (Figura 3).

Las mitocondrias surgen de la división de las mitocondrias existentes; pueden fusionarse; y pueden moverse dentro de la célula mediante interacciones con el citoesqueleto. Sin embargo, las mitocondrias no pueden sobrevivir fuera de la célula. A medida que la atmósfera se oxigenaba mediante la fotosíntesis, y a medida que evolucionaban procariotas aeróbicos exitosos, la evidencia sugiere que una célula ancestral con cierta compartimentación de la membrana envolvió a un procariota aeróbico de vida libre, específicamente una alfa-proteobacteria, lo que le dio a la célula huésped la capacidad de usar oxígeno para liberar la energía almacenada en los nutrientes.

Las mitocondrias se dividen de forma independiente mediante un proceso que se asemeja a la fisión binaria en los procariotas. Específicamente, las mitocondrias no se forman desde cero (de novo) por la célula eucariota; se reproducen dentro de él y se distribuyen con el citoplasma cuando una célula se divide o dos células se fusionan. Por lo tanto, aunque estos orgánulos están altamente integrados en la célula eucariota, todavía se reproducen como si fueran organismos independientes dentro de la célula. Sin embargo, su reproducción está sincronizada con la actividad y división de la célula. Las mitocondrias tienen su propio cromosoma de ADN (generalmente) circular que se estabiliza mediante uniones a la membrana interna y lleva genes similares a los genes expresados ​​por alfa-proteobacterias. Las mitocondrias también tienen ribosomas especiales y ARN de transferencia que se asemejan a estos componentes en los procariotas. Todas estas características apoyan que las mitocondrias alguna vez fueron procariotas de vida libre.

Las mitocondrias que realizan la respiración aeróbica tienen sus propios genomas, con genes similares a los de las alfa-proteobacterias. Sin embargo, muchos de los genes de las proteínas respiratorias se encuentran en el núcleo. Cuando estos genes se comparan con los de otros organismos, parecen ser de origen alfa-proteobacteriano. Además, en algunos grupos eucariotas, dichos genes se encuentran en las mitocondrias, mientras que en otros grupos, se encuentran en el núcleo. Esto se ha interpretado como evidencia de que los genes se han transferido del cromosoma endosimbionte al genoma del hospedador. Esta pérdida de genes por parte del endosimbionte es probablemente una explicación de por qué las mitocondrias no pueden vivir sin un huésped.

Plastidios

Algunos grupos de eucariotas son fotosintéticos. Sus células contienen, además de los orgánulos eucariotas estándar, otro tipo de orgánulo llamado plástido. Cuando estas células realizan la fotosíntesis, sus plástidos son ricos en el pigmento clorofila. a y una gama de otros pigmentos, llamados pigmentos accesorios, que participan en la recolección de energía de la luz. Los plástidos fotosintéticos se denominan cloroplastos (Figura 4).

Al igual que las mitocondrias, los plastidios parecen tener un origen endosimbiótico. Esta hipótesis también fue defendida por Lynn Margulis. Los plástidos se derivan de cianobacterias que vivían dentro de las células de un eucariota ancestral, aeróbico y heterotrófico. Esto se llama endosimbiosis primaria y los plastidios de origen primario están rodeados por dos membranas. La mejor evidencia es que esto ha sucedido dos veces en la historia de los eucariotas. En un caso, el ancestro común del linaje principal / supergrupo Archaeplastida adoptó un endosimbionte cianobacteriano; en el otro, el antepasado del pequeño taxón rizariano ameboide, Paulinella, adquirió un endosimbionte cianobacteriano diferente. Casi todos los eucariotas fotosintéticos descienden del primer evento y solo un par de especies se derivan del otro.

Las cianobacterias son un grupo de bacterias con todas las estructuras convencionales del grupo. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los procariotas, tienen extensos sacos internos unidos a la membrana llamados tilacoides. La clorofila es un componente de estas membranas, al igual que muchas de las proteínas de las reacciones lumínicas de la fotosíntesis. Las cianobacterias también tienen la pared de peptidoglicano y la capa de lipopolisacárido asociada con las bacterias.

Los cloroplastos de origen primario tienen tilacoides, un cromosoma de ADN circular y ribosomas similares a los de las cianobacterias. Cada cloroplasto está rodeado por dos membranas. En el grupo de Archaeplastida llamado glaucophytes y en Paulinella, hay una fina capa de peptidoglicano entre las membranas plástidas externa e interna. Todos los demás plastidios carecen de esta pared de cianobacterias relictual. Se cree que la membrana externa que rodea al plástido se deriva de la vacuola en el huésped, y se cree que la membrana interna se deriva de la membrana plasmática del simbionte.

También existe, como en el caso de las mitocondrias, una fuerte evidencia de que muchos de los genes del endosimbionte se transfirieron al núcleo. Los plástidos, como las mitocondrias, no pueden vivir de forma independiente fuera del anfitrión. Además, como las mitocondrias, los plástidos se derivan de la división de otros plástidos y nunca se construyen desde cero. Los investigadores han sugerido que el evento endosimbiótico que condujo a Archaeplastida ocurrió hace 1 a 1,5 mil millones de años, al menos 500 millones de años después de que el registro fósil sugiere que los eucariotas estaban presentes.

Pregunta de práctica

¿Qué evidencia hay de que las mitocondrias se incorporaron a la célula eucariota ancestral antes que los cloroplastos?

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[revel-answer q = ”444404 ″] Mostrar respuesta [/ revel-answer]
[hidden-answer a = ”444404 ″] Todas las células eucariotas tienen mitocondrias, pero no todas las células eucariotas tienen cloroplastos. [/ hidden-answer]

Intentalo

La endosimbiosis implica que una célula envuelve a otra para producir, con el tiempo, una relación coevolucionada en la que ninguna célula podría sobrevivir sola. Los cloroplastos de las algas rojas y verdes, por ejemplo, se derivan de la absorción de una cianobacteria fotosintética por un procariota temprano.

Esto lleva a la cuestión de la posibilidad de que una célula que contenga un endosimbionte sea engullida por sí misma, lo que resultará en una endosimbiosis secundaria. La evidencia molecular y morfológica sugiere que los protistas de cloraracniófitos se derivan de un evento endosimbiótico secundario. Las cloraracniófitas son algas raras autóctonas de los mares tropicales y la arena que pueden clasificarse en el supergrupo de rizarios. Las cloraracniófitas extienden delgadas hebras citoplasmáticas, interconectándose con otras cloraracniófitas, en una red citoplasmática. Se cree que estos protistas se originaron cuando un eucariota engulló un alga verde, el último de los cuales ya había establecido una relación endosimbiótica con una cianobacteria fotosintética (Figura 6).

Varias líneas de evidencia apoyan que las cloraracniófitas evolucionaron a partir de una endosimbiosis secundaria. Los cloroplastos contenidos dentro de los endosimbiontes de algas verdes todavía son capaces de realizar la fotosíntesis, lo que hace que las cloraquinofitas sean fotosintéticas. El endosimbionte de algas verdes también exhibe un núcleo vestigial atrofiado. De hecho, parece que las cloraracniófitas son el producto de un evento endosimbiótico secundario evolutivamente reciente.

Los plástidos de las cloraracniófitas están rodeados por cuatro membranas: las dos primeras corresponden a las membranas interna y externa de la cianobacteria fotosintética, la tercera corresponde al alga verde y la cuarta corresponde a la vacuola que rodeaba al alga verde cuando fue engullida por el antepasado cloraracniófito. En otros linajes que involucraron endosimbiosis secundaria, solo se pueden identificar tres membranas alrededor de los plástidos. Esto actualmente se rectifica como una pérdida secuencial de una membrana durante el curso de la evolución.

El proceso de endosimbiosis secundaria no es exclusivo de las cloraracniófitas. De hecho, la endosimbiosis secundaria de algas verdes también condujo a protistas euglénidos, mientras que la endosimbiosis secundaria de algas rojas condujo a la evolución de dinoflagelados, apicomplejos y estramenopilas.

Objetivos de aprendizaje

La evidencia fósil más antigua de eucariotas tiene aproximadamente 2 mil millones de años. Todos los fósiles más antiguos parecen ser procariotas. Es probable que los eucariotas actuales desciendan de un antepasado que tenía una organización procariota. El último ancestro común de la actual Eukarya tenía varias características, incluidas células con núcleos que se dividían mitóticamente y contenían cromosomas lineales donde el ADN estaba asociado con histonas, un sistema de citoesqueleto y endomembrana, y la capacidad de producir cilios / flagelos durante al menos parte de su proceso. ciclo vital. Era aeróbico porque tenía mitocondrias que eran el resultado de una alfa-proteobacteria aeróbica que vivía dentro de una célula huésped. Se desconoce si este anfitrión tenía un núcleo en el momento de la simbiosis inicial. El último ancestro común pudo haber tenido una pared celular durante al menos parte de su ciclo de vida, pero se necesitan más datos para confirmar esta hipótesis. Los eucariotas de hoy son muy diversos en sus formas, organización, ciclos de vida y número de células por individuo.

Preguntas de práctica

Consulte la Figura 3. ¿Qué evidencia hay de que las mitocondrias se incorporaron a la célula eucariota ancestral antes que los cloroplastos?

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[hidden-answer a = ”773915 ″] Todas las células eucariotas tienen mitocondrias, pero no todas las células eucariotas tienen cloroplastos. [/ hidden-answer]

Describe los pasos hipotéticos en el origen de las células eucariotas.

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[revel-answer q = ”351826 ″] Mostrar respuesta [/ revel-answer]
[hidden-answer a = ”351826 ″] Las células eucariotas surgieron a través de eventos endosimbióticos que dieron lugar a los orgánulos productores de energía dentro de las células eucariotas, como las mitocondrias y los cloroplastos. El genoma nuclear de los eucariotas está más estrechamente relacionado con las Archaea, por lo que puede haber sido una arquea temprana que engulló una célula bacteriana que evolucionó hacia una mitocondria. Las mitocondrias parecen haberse originado a partir de una alfa-proteobacteria, mientras que los cloroplastos se originaron como una cianobacteria. También hay evidencia de eventos endosimbióticos secundarios. Otros componentes celulares también pueden ser el resultado de eventos endosimbióticos. [/ Hidden-answer]

Verifica tu entendimiento

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