3. La vida pren forma de cèl·lula

CONTINGUTS DE LA UNITAT DIDÀCTICA

1. Teories sobre l’origen de la vida

1.1. El creacionisme

1.2. La teoria de la generació espontània

1.3. Teoria de la panspèrmia

1. 4. La hipòtesi d’Oparin i Haldane

1.5. Els experiments de Stanley Miller

2. El descobriment de la cèl·lula: la Teoria cel·lular

3. Estructura cel·lular: membranes i orgànuls

3.1 Transport a través de membrana

1. Teories sobre l’origen de la vida

El problema de l’origen de la vida s’ha plantejat des de diverses perspectives, que, òbviament, en els seus inicis, van ser especialment de tipus mític i religiós, però que, ja des de l’aparició de la filosofia, van intentar evitar recórrer al mite, la qual cosa va preparar el terreny per a explicacions d’ordre científic.

1.1. El creacionisme

Dins el context místic religiós, es concebia el problema de la biogènesi com una extrapolació de l’experiència de l’origen de la vida individual: naixement, desenvolupament i mort i, per això, es buscava, com en la vida de l’individu, un progenitor, identificat generalment amb Déu.

En la tradició més estesa a occident -la concepció dominant durant segles, lligada a les creences religioses de matriu judeocristiana-, es concebia l’origen de la vida com un acte de creació divina, creació que podia entendre’s com feta d’una vegada per sempre, o com una creació més o menys contínua, la qual cosa explicava la generació espontània.

1.2. La teoria de la generació espontània

La majoria dels científics des d’Aristòtil (384-322 a. C.) fins ben entrat el segle XIX tenien el convenciment que alguns éssers vius sorgien de manera espontània de determinats substrats gràcies a una mena de força vegetativa que emanava de la mateixa matèria: la teoria de la generació espontània.

Pel que fa als organismes petits, la idea d’una generació espontània o abiogènesi era fàcilment contrastable amb les observacions que qualsevol podia fer —era, per tant, una teoria científica— i amb el sentit comú. Del blat sortien ratolins; de la carn putrefacta, cucs i mosques; del fang, gripaus. Inclòs es van arribar a proposar fórmules per obtenir nous éssers vius.

Un dels primers en demostrar la falsedat de la teoria de la generació espontània va ser el metge italià Francesco Redi (1626-1697). Tot i així, els investigadors més crítics havien d’enfrontar-se a les creences que durant segles s’havien observat com veritables, amb la qual cosa sovint es posava en dubte la seva credibilitat.

Des d’un punt de vista experimental, gràcies principalment als experiments de Francesco Redi (s. XVII), Lazzaro Spallanzani (s. XVIII) i Louis Pasteur (s. XIX) van rebatre la teoria de la generació espontània.

Tornar a l’índex

1.3. Teoria de la panspèrmia

El filòsof grec Anaxàgores propugnava en el segle V aC la idea de la panspèrmia, segons la qual hi havia un nombre infinit de gèrmens o spermata distribuïts per tot l’Univers que haurien donat lloc a qualsevol forma de vida. Va ser durant els segles XIX i XX quan aquesta teoria ressorgeix de la mà de científics com Hermann Von Helmholtz (1879) i Svante Arrhenius (1903).

El 1906, el físic suec Svante August Arrhenius va usar aquest terme per postular que la vida hauria pogut arribar a la Terra procedent de l’espai. La idea de cèl·lules o espores que viatjaven pel cosmos era sustentada per altres científics de l’època, però calia explicar com era possible que una estructura orgànica pogués resistir la radiació còsmica i després entrar a l’atmosfera terrestre sense desintegrar-se a conseqüència de les altes temperatures.

Analitzant la composició dels meteorits, podem determinar que contenen substàncies orgàniques relacionades amb la vida. Com que els meteorits van ser freqüents a l’inici de la formació del planeta, alguns científics consideren que les molècules bàsiques de la vida van arribar de l’espai.

Posteriorment, en alguns meteorits s’han trobat aminoàcids d’origen indubtablement extraterrestre, i els radiotelescopis han revelat la presència de petites concentracions de molècules orgàniques en la matèria interestel·lar. Inclòs el 1996, la NASA va anunciar la troballa del que semblaven bacteris fòssils en un meteorit marcià, però avui en dia encara no ha estat científicament confirmat.

Tornar a l’índex

1. 4. La hipòtesi d’Oparin i Haldane

Una vegada refusada la generació espontània, la qüestió de l’origen de la vida es va centrar en intentar explicar l’origen de la primera cèl·lula. Els coneixements en astronomia i de l’origen del sistema solar permetien especular sobre les condicions en què va sorgir aquesta cèl·lula.

Simultàniament i de forma separada, dos científics, Oparin  i Haldane van elaborar una sèrie d’hipòtesis establint, a partir d’aquestes possibles condicions, la seqüència probable d’esdeveniments que originarien la vida.

Per separat , el bioquímic rus Aleksandr I. Oparin (1894-1980), el 1922, i el biòleg anglès J. B. S. Haldane (1892-1964), el 1928, van imaginar un mateix escenari químic: una atmosfera primitiva de caràcter reductor. En comptes d’oxigen (que hauria destruït immediatament qualsevol estructura viva), aquesta atmosfera contindria compostos reduïts com el metà (CH4), el vapor d’aigua (H2O) i l’amoníac (NH3).

El bioquímic Oparin va plantejar l’existència d’una sèrie de processos evolutius que en l’origen de la vida es van anar superposant i desenvolupant alhora. Aquests processos es van iniciar amb la formació de la Terra primitiva i l’atmosfera. A partir de substància inorgàniques i sota l’acció de diverses fonts d’energia, es van sintetitzar abiogénicamente els primers compostos orgànics, i la concentració i agregació d’aquests va donar lloc a la formació d’altres compostos de major complexitat; aquest procés va continuar fins al sorgiment de les primeres cèl·lules al fons dels oceans.

El 1929 John Haldane va formular una teoria de l’origen de la vida que partia d’una atmosfera semblant a la proposada per Oparin, i hi introduïa la noció de sopa primitiva: aigües oceàniques enriquides amb matèria orgànica on s’haurien format les primeres estructures (no cel·lulars) amb capacitat per auto-replicar-se.

Oparin va obtenir coacervats en el laboratori que creixien i es dividien. El 1924 va arribar a la conclusió que els coacervats eren els precursors dels éssers vius. El 1929 Haldane arribava a unes conclusions molt similars a les d’Oparin.

És per això que parlem de la teoria d’Oparin-Haldane o teoria de la Síntesis abiogènica segons la qual gasos de l’atmosfera primitiva van reaccionar entre si a conseqüència de radiacions UV i descàrregues elèctriques dels llampecs donant lloc a molècules i macromolècules orgàniques que després haurien evolucionat, per donar lloc a polímers. Aquests polímers van formar una espècie de complexos prebiòtics anomenats coacervats (estructures tancades formades per una capa de polímers envoltant un medi intern que podria contenir enzims, arribant a presentar un metabolisme molt senzill que els permetria créixer i replicar-se), fins a constituir les primeres cèl·lules vives.

Els coacervats són sistemes col·loïdals constituïts per macromolècules diverses que s’haurien format en certes condicions en medi aquós i haurien anat evolucionant fins a donar lloc a cèl·lules amb veritables membranes i altres característiques dels organismes vius.

Tornar a l’índex

1.5. Els experiments de Miller i Urey

El 1953, els bioquímics S. L. Miller (1930-2007) i H. C. Urey de la Universitat de Chicago van construir un aparell que tractava de reproduir les condicions d’atmosfera primitiva postulades per Oparin i Haldane, dissenyant un dels experiments més importants de la història de la biologia.

Font: http://www.coolhunting.com/culture/miller-urey-bon

Van sotmetre mescles gasoses (hidrogen, metà, amoníac i vapor d’aigua) a descàrregues elèctriques en un recipient a una temperatura de 80ºC (simulaven l’atmosfera primitiva, la temperatura de la terra i les descàrregues dels llamps). Passades unes setmanes, el resultat obtingut van ser 13 dels 20 aminoàcids, les molècules a partir de les quals es formen les proteïnes.

L’experiment mostrava que era possible que la Terra primitiva hagués evolucionat de condicions abiòtiques (sense vida) a condicions prebiòtiques (prèvies a la vida), la possibilitat de la síntesi de molècules orgàniques a partir de compostos inorgànics en un ambient aquós.

2. El descobriment de la cèl·lula: la Teoria cel·lular

Des de quan sabem que tots som cèl·lules? Com es va descobrir aquest fet tan fascinant? Com són les cèl·lules?

Les cèl·lules són estructures normalment molt petites i, per tant, invisibles a l’ull humà. Per aquesta raó el món cel·lular va romandre ignorat fins el segle XVII en què es van construir els primers microscopis.

La teoria cel·lular és la part fonamental i més rellevant de la Biologia que explica la constitució de la matèria viva a força de cèl·lules i el paper que tenen aquestes cèl·lules en la constitució de la matèria viva. A la teoria cel·lular es va arribar gràcies a una sèrie d’avenços científics que van ser lligats a la millora de la qualitat dels microscopis.
Els conceptes de matèria viva i cèl·lula estan estretament lligats. La matèria viva es distingeix de la no viva per la seva capacitat per metabolitzar i automantenir-se, a més de comptar amb les estructures que fan possible l’ocurrència d’aquestes dues funcions; si la matèria metabolitza i s’automanté per si mateixa, es diu que està viva.

La cèl·lula és el nivell d’organització de la matèria més petit que té la capacitat per metabolitzar i autoperpetuar, per tant, té vida i és la responsable de les característiques vitals dels organismes.

En la cèl·lula tenen lloc totes les reaccions químiques que ens ajuden a mantenir-nos com a individus i com a espècie. Aquestes reaccions fan possible la fabricació de nous materials per créixer, reproduir-se, reparar-se i autoregular-se; així mateix, produeix l’energia necessària perquè això passi. Tots els éssers vius estan formats per cèl·lules, els organismes unicel·lulars són els que posseeixen una sola cèl·lula, mentre que els pluricel·lulars tenen un nombre més gran d’elles.

Considerant tot això, podem dir que la cèl·lula és la nostra unitat estructural, és la unitat de funció i és la unitat d’origen; això, finalment és el que postula la Teoria cel·lular moderna.

Arribar a aquestes conclusions no va ser feina fàcil, es va requerir de poc més de dos-cents anys i l’esforç de molts investigadors per aconseguir-ho:

 

Tornar a l’índex

3. Estructura cel·lular: membranes i orgànuls

La cèl·lula és la unitat anatòmica i funcional dels éssers vius. Les cèl·lules poden aparèixer aïllades o agrupades formant organismes pluricel·lulars. En els dos casos la cèl·lula és l’estructura més simple a la qual considerem viva.

Avui es reconeixen tres llinatges cel·lulars presents a la Terra: els arqueobacteris i els bacteris, que són procariotes unicel·lulars, i les cèl·lules eucariotes, que poden ser unicel·lulars o formar organismes pluricel·lulars. Les procariotes (anterior al nucli) no posseeixen compartiments interns envoltats per membranes, llevat d’excepcions, mentre que les eucariotes (nucli veritable) contenen orgànuls membranosos interns.

La cèl·lula a l’Atlas d’histologia animal i vegetal. Apunts molt complets.

Apunts de l’IES Guillem Cifré:

T6   La cèl·lula, unitat d’estructura i funció
T8   Orgànuls no membranosos
T9   Orgànuls membranosos
T10  El nucli

Excel·lent web amb moltes pàgines (menú lateral de la dreta): Atlas de histologia vegetal y animal

Models de cèl·lula: animal, vegetal

Anatomia de una célula: animació interactiva de John Kyrk

Eucaryotic Cell Interactive Animation

Explore a Cell

Cells alive!

Com és de gran una cèl·lula

Tornar a l’índex

La membrana plasmàtica

Apunts: Les membranes cel·lulars

La membrana plasmàtica és un mosaic fluid: un vídeo per veure-ho.

Animació: transport a través de membrana

3.1 Transport a través de membrana

Per la supervivència i el correcte funcionament de la cèl·lula és vital que la membrana plasmàtica permeti el pas de substàncies a través d’ella. Les membranes suposen una barrera a la lliure difusió d’ions i molècules carregades elèctricament. No obstant això, La majoria de les molècules amb activitat biològica, com ara ions, glúcids, pèptids, i fins i tot lípids, han de creuar la membrana de manera selectiva per exercir les seves funcions.

La membrana plasmàtica constitueix doncs una barrera selectiva que per una banda manté el medi intern , impedint la sortida d’ions, metabòlits i macromolècules que són necessaris per al metabolisme cel·lular, però per una altra banda permet o promou activament l’entrada de nutrients i la sortida dels productes de rebuig o de certes molècules excretades. Per això diem que la membrana plasmàtica té una permeabilitat selectiva.

Atès la importància del transport a través de la membrana, la cèl·lula utilitza un gran nombre de mecanismes de transport. Aquests mecanismes es poden classificar dins d’una d’aquestes tres categories: difusió simple, difusió facilitada, i transport actiu.

Difusió simple

En el cas de la difusió simple la molècula pot passar directament a través de la membrana i ho fa sempre a favor d’un gradient de concentració* . Amb aquest sistema de transport, la cèl·lula no té despesa energètica, és a dir és un sistema de transport passiu. Això limita la màxima concentració possible a l’interior de la cèl·lula (o a l’exterior si es tracta d’un producte de rebuig).

* Un gradient de concentració és només una regió d’l’espai a través de la qual canvia la concentració de substàncies: una regió té més concentració i una altra menys. Les substàncies tendeixen a repartir-se pel volum de manera que les concentracions s’igualin. Això vol dir que es mouran de manera natural d’una àrea de major concentració a una altra de menor concentració.

Les molècules travessen la membrana des del medi on es troben en major concentració, cap al medi on es troben en menor concentració.

La dfusió simple només pot tenir lloc si existeix una diferència de concentracions entre el medi intern i el medi extern. L’efectivitat de la difusió està limitada per la velocitat de difusió de la molècula.

Per tant si la difusió és un mecanisme de transport prou efectiu per a alguna molècules (és el cas de l’aigua, O2, CO2, NH3 i altres petites substàncies polars no ionitzades), la cèl·lula ha d’utilitzar altres mecanisme de transport per a les seves necessitats.

Difusió facilitada

La difusió facilitada és també un mecanisme de transport passiu, és a dir, sense despesa energètica (la cèl·lula no gasta energia), però en aquest cas el transport de les molècules es fa a través d’unes proteïnes transportadores que faciliten el pas. Algunes molècules són massa grans (com els aminoàcids, la glucosa i la sacarosa) o són polars i no poden traspassar la membrana. En aquest cas poden atravessar-la gràcies a unes proteïnes que o bé tenen porus per on passa la molècula, o bé canvien la seva forma per introduir la molècula.

La difusió facilitada també es fa a favor de gradient i és per tant una altra forma de transport passiu (sense gastar energia).

L’osmosi és un tipus especial de transport passiu en el qual només les molècules d’aigua són transportades a través de la membrana. El moviment d’aigua es realitza des d’un punt en què hi ha major concentració a un menor per igualar concentracions.

Osmosi en una cèl·lula animal

  • En un medi isotònic, hi ha un equilibri dinàmic, és a dir, el pas constant d’aigua.
  • En un medi hipotònic, la cèl·lula absorbeix aigua inflant i fins al punt en què pot esclatar donant origen a la citólisis.
  • En un medi hipertònic, la cèl·lula elimina aigua i s’arruga arribant a deshidratar i es mor, això es diu crenación.

En l’osmosi és l’aigua qui es mou per igualar les concentracions.

Osmosi en una cèl·lula vegetal

  • En un medi isotònic, hi ha un equilibri dinàmic.
  • En un medi hipotònic, la cèl·lula absorbeix aigua i les seves vacúols s’omplen augmentant la pressió de turgència.
  • En un medi hipertònic, la cèl·lula elimina aigua i el volum del vacúol disminueix, produint que la membrana plasmàtica es desenganxi de la paret cel·lular, ocorrent la plasmòlisi

Pots veure aquest vídeo per aclarir conceptes.

Transport actiu

Consisteix en el transport de substàncies en contra d’un gradient de concentració, per a això es requereix una despesa energètica. En la major part dels casos aquest transport actiu es realitza a costa d’un gradient de H + (potencial electroquímic de protons) prèviament creat a banda i banda de la membrana.

El transport actiu de molècules a través de la membrana cel·lular es realitza en direcció ascendent o en contra d’un gradient de concentració (gradient químic) o en contra un gradient elèctric de pressió (gradient electroquímic), és a dir, és el pas de substàncies des unmedi poc concentrat a un medi molt concentrat. Per desplaçar aquestes substàncies contra corrent és necessari l’aportació d’energia procedent de l’ATP.

Un exemple de transport actiu és la bomba de sodi i potassi. La bomba de sodi i de potassi (Na/K) és una proteïna transmembranal que bomba Na+ cap a l’exterior de la cèl·lula i K+ cap a l’interior. Pot actuar contra el gradient gràcies a la seva activitat com a ATP-asa. Per cada
molècula d’ATP que trenca obté l’energia per bombar tres Na cap a l’exterior de
la cèl·lula i dos K cap a l’interior. A causa d’això, l’exterior de la membrana plasmàtica
sempre resulta positiu respecte del costat intern. La diferència de potencial
generada s’anomena potencial de membrana.

El potencial de membrana permet regular l’entrada i la sortida de diferents substàncies per cotransport. Així, substàncies que normalment no poden travessar la
membrana plasmàtica, com ara la sacarosa, passen impulsades pel gradient originat
pel transport actiu.
A més de la bomba de sodi i potassi, hi ha altres casos de transport actiu a través
de la membrana, com ara la bomba de calci (Ca2) i la bomba de protons (H+).

Una classe en forma de vídeo que et pot ajudar

Tornar a l’índex