Niveles de organización de la vida. En orden creciente se encuentran a continuación los principales niveles de organización: Teoría Celular

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1 FUNDACIÓN EDUCACIONAL COLEGIO DE LOS SS.CC. MANQUEHUE DEPTO. DE CIENCIAS Guía de apoyo: Estructura celular y sus componentes Departamento de Ciencias Profesora: Pilar Rabanales Trinidad Urzúa CCNN Biología Curso: Octavos Básicos 2015 Objetivo: Comprender que las células son las unidades estructurales de todos los seres vivos y que su actividad es la base de todas las funciones biológicas. Introducción: En la naturaleza existe una sorprendente diversidad de tipos celulares que, a la vez, tienen una notable similitud. Cada célula es capaz de llevar a cabo esencialmente los mismos procesos: obtener y asimilar nutrientes, eliminar los residuos, sintetizar nuevos materiales para la célula y, en muchos casos, moverse y reproducirse. Las células son las unidades básicas de la estructura y función biológicas pero pueden diferir grandemente en su tamaño y forma, tienen una compleja arquitectura interna que les permite realizar todas sus funciones, están separadas del medio circundante por una membrana celular. El núcleo de las células eucarióticas está separado del citoplasma por la envoltura nuclear, formada por dos bicapas lipídicas. Los poros de la envoltura nuclear suministran los canales a través de los cuales pasan las moléculas desde y hacia el citoplasma. El núcleo contiene el material genético Niveles de organización de la vida La biología se ocupa de analizar jerarquías o niveles de organización que van desde la célula a los ecosistemas. Este concepto implica que en el universo existen diversos niveles de complejidad. Por lo tanto es posible estudiar biología a muchos niveles, desde un conjunto de organismos (comunidades) hasta la manera en que funciona una célula o la función de las moléculas de la misma. En orden creciente se encuentran a continuación los principales niveles de organización: Célula Tejido Órgano Sistema Organismo Ecosistema Comunidad Población Teoría Celular 1. Robert Hooke se menciona porque fue el primero en utilizar la palabra "célula", cuando en 1665 hacía observaciones microscópicas de un trozo de corcho. Hooke no vio células tal y como las conocemos actualmente, él observó que el corcho estaba formado por una serie de celdillas, ordenadas de manera semejante a las celdas de una colmena; para referirse a cada una de estas celdas, él utiliza la palabra célula. 1

2 Fig 1: Imagen observada por Robert Hooke 2. Anton van Leeuwenhoek: Mientras desarrollaba su trabajo como comerciante de telas, construyó para la observación de la calidad de las telas lupas de mejor calidad que las que se podían conseguir en ese momento, tras aprender por su cuenta soplado y pulido de vidrio. Desarrolló tanto fijaciones para pequeñas lentes biconvexas montadas sobre platinas de latón, que se sostenían muy cerca del ojo, al modo de los anteojos actuales, como estructuras tipo microscopio en la que se podían fijar tanto la lente como el objeto a observar. A través de ellos podía observar objetos, que montaba sobre la cabeza de un alfiler, ampliándolos hasta trescientas veces (potencia que excedía con mucho la de los primeros microscopios de lentes múltiples). 3. En 1824, René Dutrochet fue el primero en establecer que la célula era la unidad básica de la estructura, es decir, que todos los organismos están formados por células. 4. Para 1838 Mathias Schleiden, un botánico de origen alemán, llegaba a la conclusión de que todos los tejidos vegetales estaban formados por células. Al año siguiente, otro alemán, el zoólogo Theodor Schwann extendió las conclusiones de Schleiden hacia los animales y propuso una base celular para toda forma de vida. 5. Finalmente, en 1858, Rudolf Virchow al hacer estudios sobre citogénesis de los procesos cancerosos llega a la siguiente conclusión: "las células surgen de células preexistentes" o como lo decía en su axioma "ommni cellula e cellula". La Teoría Celular, tal como se la considera hoy, puede resumirse en cuatro proposiciones: a. En principio, todos los organismos están compuestos de células. b. En las células tienen lugar las reacciones metabólicas de organismo. c. Las células provienen tan solo de otras células preexistentes. d. Las células contienen el material hereditario. Si consideramos lo anterior, podemos decir que la célula es nuestra unidad estructural, ya que todos los seres vivos están formados por células; es la unidad de función, porque de ella depende nuestro funcionamiento como organismo y es la unidad de origen porque no se puede concebir a un organismo vivo si no está presente al menos una célula. 2

3 Tamaño y forma celular La forma de la célula es variada alguna y el tamaño de la célula está en relacionado con su función. Fig. 2: Diferentes tamaños celulares Las células pueden ser organismos únicos, como los protozoos, las bacterias, etc., pero también suelen organizarse en organismos pluricelulares, especializándose en diferentes funciones: respiración, transporte, estructura, digestión, etc. Las células se reúnen para formar tejidos, los tejidos para formar órganos especializados y los órganos para formar sistemas. El funcionamiento de la célula, de los tejidos, de los órganos y, finalmente, del organismo como un todo, necesita de una serie de reacciones químicas que reciben el nombre de metabolismo, cuya molécula energética por excelencia es el ATP. La observación microscópica de las diferentes formas de microorganismos revela la existencia en ellos de ciertos rasgos estructurales comunes. En todos ellos se observa una organización que los biólogos llaman célula. La que se encuentra en todos los organismos vivientes, desde los más simples a los más complejos. Gracias al avance de la microscopía se pudo observar la verdadera estructura y función de la célula, pero este estudio data de muchos años atrás para constituir lo que ahora conocemos como teoría celular. Al analizar las distintas formas vivientes a nivel celular es posible clasificar las células en dos categorías reconocibles: procariontes y eucariontes. 3

4 Fig. 3: Célula Procarionte idealizada Fig. 4: Esquema tridimensional de una célula eucarionte idealizada. Organización celular en procariontes y eucariontes Parámetro Procariontes Eucariontes Envoltura nuclear Ausente Presente ADN Desnudo y disperso en el Unido a proteínas citoplasma Cromosomas Único Múltiples Nucleolos Ausentes Presentes División Fisión binaria Mitosis o meiosis Ribosomas Presentes Presentes Endomembranas Ausentes Presentes Mitocondrias Ausentes Presentes Cloroplastos Ausentes Presentes en células vegetales Citoesqueleto Ausente Presente Tipos de organismos Bacterias, algas azules Protistas, hongos, vegetales, animales 4

5 Las células eucariontes se clasifican en dos tipos, células animales y vegetales las que presentan características en común y otras que las diferencian. Fig. 6: Comparación entre célula eucarionte animal y célula eucarionte vegetal Actividad: Observa las células eucariontes animal y vegetal, establece la diferencia presente en ellas, completando el siguiente cuadro comparativo entre la célula animal y vegetal. Parámetro a comparar Célula vegetal Célula animal Las células tienen distintas formas, tamaños y funciones, pero comparten algunas características comunes Tras la difusión de la teoría celular, fueron muchos los hallazgos en torno a la diversidad de células que era posible encontrar en los seres vivos. Sin embargo, existen algunas condiciones compartidas por todas las células independientes del origen que esta tenga: Membrana celular: todas las células están rodeadas por una membrana celular. Esta actúa como una barrera entre el interior de la célula y su medio ambiente. También controla el paso de materiales dentro y fuera de la célula. Material hereditario: en coherencia con el postulado de la teoría celular, cuando se forman nuevas células, reciben una copia del material hereditario de las células originales. Este material es el ADN, que controla las actividades de una célula. Citoplasma y organelos: Las células tienen sustancias químicas y estructuras que le permiten comer, crecer y reproducirse, las cuales se llaman organelos. Los organelos están rodeados por un fluido llamado citoplasma. De tamaño pequeño: la mayoría de las células son invisibles a simple vista. Tú mismo estás formado por cerca de 100 billones de células y para cubrir el punto de la letra i se necesitarían cerca de 50! 5

6 ORGANELOS CELULARES EUCARIÓTICOS CITOPLASMA: Constituye el medio celular en el que ocurren procesos de biosíntesis (fabricación) de materiales celulares y de obtención de energía. Procesos mecánicos como el movimiento del citoplasma o ciclosis en células vegetales y la emisión de seudópodos en las células animales dependen de las propiedades de semilíquido del citosol. El citosol está compuesto por agua, enzimas, ARN, proteínas estructurales, inclusiones, etc. y constituye cerca del 54% del volumen total de una célula. Síntesis de moléculas orgánicas por los organelos y estructuras que posee, por ej., proteínas mediante ribosomas Transporte, almacenamiento y degradación de moléculas orgánicas, como grasas y glucógeno Tipo de célula: Todas, en general CITOESQUELETO: Es una red de filamentos proteicos que surca el citosol, participando en la determinación y conservación de la forma celular, en la distribución de los organelos en el citosol y en variados tipos de movimientos celulares. En general, todas las células eucariontes poseen los tres tipos de componentes citoesqueléticos. El uso de uno u otro dependerá de la tarea específica de la célula. Sólo las células animales poseen centríolos para coordinar la división celular. Las células ciliadas pueden ser independientes como muchas especies de organismos unicelulares o formando tejidos, como es el caso de la superficie interna de la tráquea o la trompa de Falopio. Los flagelos se pueden encontrar en protozoos y espermatozoides. Fig. 7: Organización del citoesqueleto NÚCLEO: Comúnmente existe un núcleo por célula, si bien algunas células carecen de éste (como el glóbulo rojo) y otras son bi o plurinucleadas (como las células del músculo esquelético). La forma nuclear es variable dependiendo en gran parte de la forma celular, en tanto su tamaño guarda relación con el volumen citoplasmático. Presenta Membrana nuclear o carioteca y nucleolo Separa el material genético del citosol. Controla la síntesis de proteínas. Tipo de células: Células eucariontes en general. RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO: Es un organelo constituido por un sistema de túbulos y vesículas interconectados que comunica intermitentemente con las membranas plasmáticas y nuclear y que funciona como un sistema de transporte intracelular de materiales. Hay dos tipos de retículo endoplásmico: Retículo endoplásmico rugoso (RER) y Retículo endoplásmico liso (REL) Organización: Rugoso (RER): posee membranas dispuestas en sacos aplanados que se extienden por todo el citoplasma. Están cubiertas en su superficie externa por ribosomas. 6

7 Liso (REL): posee membranas dispuestas como una red más bien tubular. No posee ribosomas Rugoso (RER): Almacenamiento y transporte de las proteínas fabricadas en los ribosomas que posee adosados Liso (REL): Síntesis de lípidos, como esteroides, fosfolípidos y triglicéridos. Detoxificación de materiales nocivos y medicamentos que penetran en las células, especialmente en el hígado. Tipo de célula: En general, en todo tipo de células eucariontes. Fig. 8: Retículo Endoplasmático Rugoso (RER) Fig. 9: Retículo Endoplasmático Liso (REL) APARATO DE Golgi: Es un organelo único del sistema de membranas internas constituido por sacos aplanados o cisternas apiladas y vesículas. Procesa, clasifica y capacita las moléculas sintetizadas en el RER (proteinas) para convertirlos en moléculas funcionales Sintetiza moléculas llamadas carbohidratos que forman parte de paredes (celulosa) o de membranas celulares (glicolípidos y glicoproteínas). Produce vesículas de secreción, llenas de materiales originados en el RER y REL Participa en la formación de lisosomas, así como del acrosoma, estructura del espermio que posibilita su penetración al ovocito. Tipo de célula: Está especialmente desarrollado en células que participan activamente en el proceso de secreción en las cuáles distribuye intracelularmente y exterioriza diversos tipos de sustancias sintetizadas en el RER y REL. Fig. 10: Morfología aparato del Golgi 7

8 LISOSOMA: Son organelos provistos de una membrana limitante que encierra gran cantidad de enzimas digestivas, que degradan materiales provenientes del exterior o de la misma célula. Son heterogéneos, aunque la mayoría se puede definir como redondeado u ovoide. Su membrana es resistente a las enzimas que contiene y protege a la célula de la autodestrucción. Su número oscila entre unos pocos y varios cientos por célula. Digestión de material extracelular mediante la exocitosis de enzimas. Digestión de restos de membranas celulares mediante autofagia. Esto permite la renovación y el recambio de organelos en células dañadas o que envejecen. Digestión de alimentos y otros materiales incorporados a la célula; esto permite alimentarse de gérmenes a ciertas células de funciones defensivas Mediante el rompimiento de la membrana lisosomal en forma programada, la célula puede determinar su autodestrucción, fenómeno que es crucial en varias etapas de la vida y se denomina apoptosis Tipo de célula: Son organelos presentes en células eucariontes en general. Son especialmente importantes en células de órganos digestivos, en el tejido óseo (huesos), en el espermio, los glóbulos blancos, entre muchos otros. Fig. 11: Estructura de un lisosoma PEROXISOMAS: Se parecen a los lisosomas en que también son organelos redondeados, que poseen una serie de enzimas en su interior. Sus enzimas utilizan O 2 para eliminar átomos de hidrógeno a varios tipos de moléculas orgánicas, a través de una reacción química que produce peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ). A su vez, toma el H 2 O 2, junto a diversas sustancias que pueden resultar tóxicas (por ej. el alcohol), y transformarlas en agua. Tipo de célula: Presentes en todas las células eucariontes. Especialmente numerosos en células del hígado y los riñones. RIBOSOMAS: Son organelos no membranosos. Básicamente son gránulos pequeños, consistentes en ARN y proteínas. Algunos son libres y se encuentran suspendidos en el citosol, mientras que otros están asociados a membranas internas de la célula. Cada ribosoma está constituido por dos subunidades: una mayor y otra menor. Cada una de ellas, posee un tipo de ARN llamado ARN ribosomal y proteínas ribosomales. 8

9 Pueden asociarse varios ribosomas entre si, formando unas estructuras con forma de collar de perlas, llamadas polirribosomas. Síntesis de proteínas Tipo de célula: Todos los tipos de células, pues todas requieren elaborar sus propias proteínas Fig. 12: Estructura de un ribosoma MITOCONDRIAS: Son organelos de forma esférica, tubular u ovoide, dotados de una doble membrana, que limita un compartimiento en el que se encuentran diversas enzimas que controlan el proceso de la respiración celular. Cada mitocondria consta de una membrana externa bastante permeable y otra interna y plegada, muy impermeable. El plegamiento de la membrana interna forma las crestas mitocondriales, cuyo fin es disponer de una mayor superficie para realizar reacciones químicas Síntesis de moléculas de ATP, mediante la degradación de carbohidratos, proceso conocido como respiración celular. Las moléculas de ATP son indispensables en la ejecución de tareas que requieren energía, por ejemplo, la síntesis de proteínas. Tipo de célula: Se encuentran en todo tipo de células eucariontes, y su número varía de acuerdo a la actividad celular, siendo más elevado en aquellas células que tienen mucho gasto de energía. Por ejemplo, en células musculares. Fig. 13: Morfología de la mitocondria 9

10 Las células vegetales poseen algunas características estructurales que les son propias Todas las estructuras y componentes antes descritos están presentes en la inmensa mayoría de las células eucariontes. No obstante, existen algunas estructuras especiales que son exclusivas de las células vegetales y que, por tanto, las células animales no las poseen. PARED CELULAR: está compuesta de celulosa y otros polisacáridos y es producida por la misma célula que rodea. Posee un espesor de 0,1 a 10μm Soporte mecánico de las plantas y hongos, frente a la gravedad y el viento Soporte mecánico frente a los desajustes del ingreso o salida de agua desde las células Presenta permeabilidad frente a sustancias nutritivas y desechos, pero no es una membrana selectiva Tipo de célula: Reino Monera: todas las bacterias poseen pared celular de peptidoglicán. Reino Protista: algunos tipos de protozoos, como las diatomeas poseen pared celular de sílice. Reino Hongos: todos los hongos poseen células con pared celular de quitina. Reino Planta: todas las plantas poseen células con pared celular de celulosa. Reino Animal: ningún animal posee células con pared celular Fig. 13: Pared celular CLOROPLASTOS: Son organelos ovoides o fusiformes que poseen dos membranas. La membrana interna encierra un fluido llamado estroma, el cual contiene pilas interconectadas de bolsas membranosas huecas. Las bolsas individuales se llaman tilacoides y sus superficies poseen el pigmento clorofila, molécula clave en la fotosíntesis. La membrana externa está en contacto con el citosol. Poseen ADN y ribosomas en su estroma. El cloroplasto absorbe luz solar para transformarla en energía química y posee los componentes necesarios para retener tal energía en moléculas de azúcar Tipo de célula: Protistas fotosintetizadores y plantas 10

11 Fig. 14: Morfología interna de un cloroplasto VACUOLA CENTRAL: La vacuola central es un tipo especial de vacuola, presente en algunos protistas y plantas Organización: Básicamente es un organelo ovoide, cuya forma dependerá de la forma de la pared celular y de la cantidad de agua que contenga. Como la mayoría de los organelos citoplasmáticos, está rodeado de una sola membrana. Ocupa cerca del 90% del volumen celular Almacenamiento de agua y otros nutrientes Soporte mecánico de los tejidos (turgencia) Regulación del ingreso y salida de agua de la célula Digestión intracelular, similar a la de los lisosomas Tipo de célula: Algunos protistas y todas las plantas Fig. 15: Vacuola central 11

12 Para Resumir Analiza la siguiente tabla que resume las estructuras y organelos que presentan las células y complétala con todo lo aprendido en esta sesión COMPONENTE ESTRUCTURA FUNCIÓN Membrana celular Pared celular Citoesqueleto Centríolos Ribosomas RER REL Aparato de Golgi Lisosomas Peroxisomas Vacuolas Mitocondrias Cloroplastos 12

13 COMPONENTE ESTRUCTURA FUNCIÓN Membrana nuclear o carioteca Nucleolo ADN Actividades: 1. A qué tipo de célula corresponde la siguiente ilustración 2. Indique el nombre de cada organelo Nº Organelo Nº Organelo

14 3. Términos pareados a. Peroxisomas Huso mitótico b. Lisosomas Citoesqueleto c. Centríolos Digestión Celular d. Aparato de Golgi Proteínas de exportación e. Microtúbulos 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 f. RER Formación de glucoproteínas 4. Completación: a) Al RER se encuentran asociados b) Una célula secretora tendrá un muy desarrollado. c) Los microtúbulos están constituidos por. d) La forma celular esta determinada por y. e) Las vacuolas de secreción se forman en. 5. Complete el siguiente cuadro comparativo entre Fotosíntesis y Respiración celular. Característica Fotosíntesis Respiración Celular Tipo de célula donde ocurre Organelo conde ocurre Reactantes Productos Tipo de energía de la reacción Tipo de reacción metabólica 14