La célula (del latín cellulae: pequeño compartimiento o celda) es la unidad estructural y funcional principal de los seres vivos.

Transcripción

1 LA CÉLULA La célula (del latín cellulae: pequeño compartimiento o celda) es la unidad estructural y funcional principal de los seres vivos. Características estructurales: Todas las células están rodeadas de una membrana celular que las separa y comunica con el exterior, Contienen un medio hidrosalino, el citoplasma, que forma la mayor parte del volumen celular y en el que están inmersos los orgánulos celulares. ADN, el material hereditario de los genes y que contiene las instrucciones para el funcionamiento celular. ARN, que expresa la información contenida en el ADN. Enzimas y otras proteínas que ponen en funcionamiento la maquinaria celular. Una gran variedad de otras biomoléculas. Características diferenciales y funcionales de las células Las células vivas son un sistema bioquímico complejo. Las características que permiten diferenciar las células de los sistemas químicos no vivos son: 1. Autoalimentación o nutrición. Las células toman sustancias del medio, las transforman de una forma a otra, liberan energía y eliminan productos de desecho. 2. Autorreplicación o crecimiento. Las células son capaces de dirigir su propia síntesis. A consecuencia de los procesos nutricionales, una célula crece y se divide, formando dos células, en una célula idéntica a la célula original, mediante la división celular. 3. Diferenciación. Muchas células pueden sufrir cambios de forma o función en un proceso llamado diferenciación celular. Cuando una célula se diferencia, se forman algunas sustancias o estructuras que no estaban previamente formadas y otras que lo estaban dejan de formarse. La diferenciación es a menudo parte del ciclo de vida celular en que las células forman estructuras especializadas relacionadas con la reproducción, la dispersión o la supervivencia. 4. Señalización química. Las células responden a estímulos químicos y físicos tanto del medio externo como de su interior y, en el caso de células móviles, hacia determinados estímulos ambientales o en dirección opuesta mediante un proceso que se denomina taxis. Además, con frecuencia las células pueden interaccionar o comunicar con otras células, generalmente por medio de señales o mensajeros químicos, como hormonas, neurotransmisores, factores de crecimiento... en seres pluricelulares en complicados procesos de comunicación celular y transducción de señales. 5. Evolución. A diferencia de las estructuras inanimadas, los organismos unicelulares y pluricelulares evolucionan. Esto significa que hay cambios hereditarios (que ocurren a 1

2 baja frecuencia en todas las células de modo regular) que pueden influir en la adaptación global de la célula o del organismo superior de modo positivo o negativo. El resultado de la evolución es la selección de aquellos organismos mejor adaptados a vivir en un medio particular. Tamaño, forma y función de las células: Tamaño: Las mayoría de las células son microscópicas, es decir, no son observables a simple vista sino al microscopio. Las células humanas son muy variables: hematíes de 7 micras, hepatocitos con 20 micras, espermatozoides de 53 micras y óvulos de 150 micras. Forma y función: Las células presentan una gran variabilidad de formas, e incluso, algunas no ofrecen una forma fija. Pueden ser: fusiformes (forma de huso), estrelladas, prismáticas, aplanadas, elípticas, globosas o redondeadas, etc. Hay células libres que no muestran esas estructuras de desplazamiento pero poseen cilios o flagelos que son estructuras derivadas de un orgánulo celular (centriolo) que dota a estas células de movimiento. La función que realice la célula determina su forma, por lo que encontramos diferentes tipos de células: 1. Células contráctiles que suelen ser alargadas, como las células musculares. 2. Células con finas prolongaciones, como las neuronas que transmiten el impulso nervioso. 3. Células con microvellosidades o con pliegues, como las del intestino para ampliar la superficie de contacto y de intercambio de sustancias. 4. Células cúbicas, prismáticas o aplanadas como las epiteliales que recubren superficies como las losas de un pavimento. Origen de las células: Se cree que todos los organismos que viven sobre la Tierra, proceden de una única célula primitiva nacida hace varios miles de millones de años. Las similitudes entre todos los seres vivos parecen tan acusados que no se puede explicar de otra manera. Las células vivas surgieron probablemente en la Tierra gracias a la agregación espontánea de moléculas, hace aproximadamente 3,5 millones de años. Conociendo los organismos actuales y las moléculas que contienen, parece que debieron producirse por lo menos tres etapas antes de que surgiera la primera célula: 1. Debieron formarse polímeros de ARN capaces de dirigir su propia replicación a través de interacciones de apareamiento de bases complementarias. 2. Debieron desarrollarse mecanismos mediante los cuales una molécula de ARN pudiera dirigir la síntesis de una proteína. 2

3 3. Tuvo que ensamblarse una membrana lipídica para rodear a la mezcla autoreplicante de ARN y moléculas proteicas. En alguna fase posterior del proceso evolutivo, el ADN ocupó el lugar del ARN como material hereditario. Hace unos 1500 millones de años se produjo la transición desde células pequeñas con una estructura interna relativamente sencilla (células procariotas), hasta células más grandes, más complejas como las que componen los animales y las plantas (células eucariotas). Clasificación de los seres vivos según el número de células: Seres vivos unicelulares: Están formados por una sola célula que funciona y sobrevive más o menos independientemente de otras células. Colonias celulares: Son un conjunto de múltiples células similares que se agrupan para vivir juntas, cooperando entre ellas, pero manteniendo la individualidad. Seres vivos pluricelulares: Están formados por miles o millones de células que se especializan para vivir juntas sin capacidad para sobrevivir de forma independiente, de tal manera que todas juntas forman un ser vivo, sin embargo todas ellas proceden, por división, de una única célula inicial. En los organismos multicelulares, las células se especializan o diferencian formando tejidos, órganos, sistemas y aparatos. El ser humano es un organismo pluricelular formado por unos 220 tipos de células diferentes. Clasificación de los seres vivos según la complejidad estructural: Existen dos tipos básicos de células: procariotas y eucariotas. Las células procariotas son estructuralmente simples. Sólo se encuentran formando seres unicelulares o colonias. Las células procariotas poseen el material genético disperso en toda su estructura. Las células eucariotas poseen membrana nuclear y contienen orgánulos rodeados de membranas. Existen organismos eucariotas unicelulares, pero también existen muchos eucariotas formando colonias y seres multicelulares. Los reinos biológicos multicelulares: Animalia, Plantae y Fungi, están formados por células eucariotas. 3

4 LA CELULA EUCARIÓTICA ANIMAL EL NÚCLEO Esta presente en todas las células eucariotas excepto en los glóbulos rojos de los vertebrados superiores y algunas células epidérmicas. Contiene la información hereditaria de la célula en la forma de DNA. Componentes. Envoltura nuclear; nucleoplasma; cromatina; nucleolo. Forma. Variable dependiendo del tipo de célula y el momento. Tamaño. Entre 5 y 25 micras de diámetro. Es constante para un determinado tipo de célula. Suele ser el orgánulo más grande de la célula. Número. Suele ser uno por célula, aunque hay excepciones. Algunos eritrocitos no tienen; los hepatocitos pueden ser binucleados; y los osteoblastos y células musculares estriadas son polinucleadas. Posición. Suele ser central aunque en los adipositos es lateral y en células secretoras puede estar en posición basal. Funciones: Dirigir la actividad celular, ya que contiene el programa genético, que dirige el desarrollo y funcionamiento de la célula y ser el lugar donde tiene lugar la replicación (duplicación del ADN) y la transcripción (síntesis de ARN). La traducción ocurre en el citoplasma. LA ENVOLTURA NUCLEAR Consta de una doble membrana (2 bicapas lipídicas) que en algunos puntos se unen formando los poros nucleares.. A través de los poros nucleares pasan sustancias como proteínas y RNA. Cuanto mayor actividad trancripcional tiene una célula mayor es el número de poros La membrana exterior presenta ribosomas adheridos y es la continuación del retículo endoplasmático rugoso. LA CROMATINA En el carioplasma que no se está dividiendo, el DNA está combinado con proteínas como las histonas, dándole una apariencia fibrilar. Esta combinación de DNA y proteínas se llama cromatina. Durante la división celular la cromatina se condensa en cromosomas. 4

5 NUCLEOPLASMA O CARIOPLASMA Es una matriz semifluida en el interior del núcleo que contiene tanto material cromatínico como no cromatínico. NUCLEOLO Dentro del carioplasma se encuentra el nucleolo, el cual aparece más oscuro con el microscopio electrónico. Alrededor del 5 al 10% del nucleolo es RNA, siendo el resto proteína. Esta estructura es el lugar de síntesis del RNA ribosomal y de los componentes esenciales del ribosoma. Los componentes proteicos de los ribosomas sintetizados en el citoplasma entran en el núcleo a través de los poros nucleares para combinarse con el RNA ribosomal recién sintetizado. Tanto las proteínas como el RNA forman las dos subunidades de los ribosomas que salen del carioplasma a través de los poros y se convierten en funcionales en el citoplasma. El tamaño del nucléolo refleja su actividad. Éste muestra grandes variaciones en diferentes células, y puede cambiar con el tiempo en una misma célula. Puede ocupar más del 25% del volumen nuclear en células que están produciendo grandes cantidades de proteínas. La apariencia del nucléolo cambia dramáticamente durante el ciclo celular. Cuando la célula se aproxima a la mitosis el nucléolo va reduciendo su tamaño, hasta que desaparece cuando los cromosomas se han condensado y ha cesado toda la síntesis de ARN. Cuando se reanuda la síntesis de ARNr al final de la mitosis, un discreto nucléolo reaparece en las zonas cromosomales donde se encuentran los genes que codifican para ARNr. Figura del núcleo y el retículo endoplásmico: (1) Membrana nuclear. (2) Ribosomas. (3) Poros Nucleares. (4) Nucléolo. (5) Cromatina. (6) Núcleo. (7) Reticulo endoplásmico. (8) Nucleoplasma. 5

6 LOS CROMOSOMAS Cromosoma (del griego chroma, color y soma, cuerpo o elemento): Nombre de los pequeños cuerpos en forma de bastoncillos en que se organiza la cromatina del núcleo celular durante la mitosis. Su número es constante para una especie determinada (en el hombre, 46; de ellos 2 sexuales). Están constituidos por ADN e histonas. Cuando la célula comienza su proceso de división la cromatina se condensa y los cromosomas se hacen visibles como entidades independientes. Figura 2: Diferentes estados del ADN. 1. Hebra simple de ADN 2. Hebra de Cromátida (ADN con histonas). 3. Cromátida condensada durante la interfase con centrómero. 4. Cromátida condensada durante la profase. 5. Cromosoma durante la metafase. 6

7 LA MEMBRANA PLASMÁTICA Y OTROS ORGANOS MEMBRANOSOS En las células eucariotas se distinguen dos tipos de compartimentación: Sistemas internos de membrana. formados por el retículo endoplasmatico (liso y rugoso) que es la continuación de la membrana nuclear y el aparato de Golgi. Orgánulos membranosos. Núcleo, mitocondrias, plastos (solo en vegetales), peroxisomas, los lisosomas y las vacuolas. LA MEMBRANA PLASMÁTICA (MP): Es una estructura semipermeable que separa la célula del medio externo. Composición: Lípidos: La membrana citoplasmática de las células eucarióticas esta formada por tres tipos de lípidos: fosfolípidos, glucolípidos y esteroles (colesterol). Proteínas: Son las que confieren especificidad de especie y función Glúcidos: En su mayoría son oligosacaridos unidos a proteínas (glucoproteínas) o lípidos (glucolípidos). Se localizan en la cara externa de la MP. Estructura: La MP posee una estructura dinámica formada por 2 capas de fosfolípidos en las que se hayan embebidas las moléculas de colesterol (que le confieren rigidez a la membrana) y las proteínas que permite el movimiento de agua, ciertos iones y algunas grandes moléculas hidrosolubles, como azúcares y ciertos aminoácidos a través de ella. Los fosfolípidos tienen una cabeza hidrófila y dos colas hidrófobas. Las dos capas de fosfolípidos se sitúan con las cabezas hacia fuera y las colas, enfrentadas, hacia dentro. Es decir, los grupos hidrófilos se dirigen hacia la fase acuosa, los de la capa exterior de la membrana hacia el líquido extracelular y los de la capa interior hacia el citoplasma. Las proteínas embebidas en las capas de fosfolípidos atraviesan enteramente la membrana creando poros por los que transitan grandes moléculas hidrosolubles, como 7

8 azúcares y ciertos aminoácidos. También hay glucoproteínas embebidas en la membrana con funciones de protección, inmunitarías, reconocimiento celular... En los protozoos, la membrana envuelve y absorbe fluidos y material celular nutritivo, y expulsa residuos. RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Es un sistema membranoso intracelular que se extiende entre la membrana nuclear y plasmática. Constituye más de la mitad del componente membranoso de la célula. Al unir la membrana plasmática y la nuclear, divide el contenido líquido del citoplasma en dos compartimentos: El espacio luminar o cisternal contenido en el interior del retículo y el espacio citósico que comprende el exterior del retículo endoplasmático. Existen dos tipos de reticulo endoplasmático: el rugoso y el liso. Retículo endoplasmático rugoso: Estructura: Es una red de canalículos que lleva adheridos ribosomas en la cara citosólica de sus membranas. Es una estructura característica formada por un apilamiento de membranas con pequeños gránulos oscuros llamados ribosomas. Funciones: Síntesis y almacenamiento de proteínas. Las proteínas sintetizadas por los ribosomas adheridos pueden quedarse formando parte de las membranas o pasar al lumen intermembranoso para dirigirse a otros destinos como el aparato de Golgi, lisosomas o incluso al exterior. Glucosilación de proteinas. Esto se realiza en el lumen Retículo endoplasmático liso: Es muy parecido al anterior pero sin llevar adheridos ribosomas. En la mayor parte de las células se presenta escasamente, salvo en las fibras musculares estriadas en las que constituye el retículo sarcoplásmico y en las células ováricas, células de la corteza suprarrenal y hepatocitos. Funciones: Síntesis de lípidos. Contracción muscular. Detoxificación. Eliminación de sustancias que puedan ser nocivas al organismo. 8

9 Liberación de glucosa. Las reservas de glucógeno hepático se hayan en pequeños gránulos adheridos a las membranas del REL. Cuando el organismo lo requiere y tras un proceso bioquímico en el que se transforma el glicógeno en glucosa se libera esta al torrente sanguíneo. APARATO DE GOLGI Es el centro de empaquetamiento de las células eucariotas, responsable del transporte seguro de los compuestos sintetizados al exterior de la célula. El aparato de Golgi está conectado a la membrana citoplasmática donde se fusiona y así poder excretar el contenido fuera de la célula, proceso que se llama exocitosis Estructura: Está compuesto de sacos membranosos que tienen vesículas esféricas en sus extremos. Dichos sáculos se denominan dictiosomas, se presentan en número de 4 a 8 y son aplanados rodeados de membrana y apilados unos encima de otros. En el se distinguen dos caras: Cara externa, proximal o cis: Es la más próxima al retículo. De él recibe las vesículas de transición, que son sáculos con proteínas que han sido sintetizadas en la membrana del retículo endoplasmático rugoso (REr), introducidas dentro de sus cavidades y transportadas por el lúmen hasta la parte más externa del retículo. Estas vesículas de transición son el vehículo de dichas proteínas que serán transportadas a la cara externa del aparato de Golgi. Cara interna, distante o trans: Es la que se encuentra más cerca de la membrana citoplasmática, de hecho sus membranas, ambas unitarias, tienen una composición similar. En el interior de los sáculos del dictiosoma la proteína puede sufrir una serie de modificaciones hasta su composición final. Cuando llega a la zona interna o distante pasa a una vesícula de secreción pudiéndose unir a otras formando un gránulo de secreción para mediante exocitosis salir al exterior celular. Funciones: Empaquetadora de ciertos enzimas sintetizados en el retículo endoplásmico rugoso en unos orgánulos llamados lisosomas. Estos enzimas catalizan reacciones hidrolíticas incluyendo proteasas, nucleasas, glicosidasas, sulfatasas, lipasas y fosfatasas. Transporte de vesículas del retículo endoplasmático rugoso, dirigiendo las proteínas recién sintetizadas hacia los lugares que deben ocupar en la célula. 9

10 Glucosilación de lípidos y prótidos. Ejemplo: en el RER de las células acinosas del páncreas se sintetiza la proinsulina que debido a las transformaciones que sufre en el aparato de Golgi, tomará la forma o conformación definitiva de la insulina. Producción de membrana citoplasmática. Los gránulos de secrección cuando se unen a la membrana en la exocitosis pasan a formar parte de esta. (1) Nucleo. (2) Poro Nuclear. (3) Retículo endoplásmico rugosos(rer). (4) Retículo endoplásmico liso(ser). (5) Ribosoma en el RER. (6) Proteinas que son trasportadas. (7) Vesicula trasportadora. (8) Aparato de Golgi(AG). (9) Cisterna del AG. (10) Transmembrana de AG. (11) Cisterna de AG. (12) Vesicula secretora. (13) Membrana plasmática. (14) Proteina secretada. (15) Citoplasma. (16) Espacio extracelular. LISOSOMA Y PEROXISOMAS Los lisosomas son vesículas relativamente grandes formadas por el complejo de Golgi que contienen enzimas hidrolíticas que sirven para digerir los materiales de origen externo o interno que llegan a ellos. El ph en el interior de los lisosomas es de 4,8; bastante menor que el del citosol (7). La membrana del lisosoma estabiliza el ph bajo asímismo, protege al citosol y al resto de la célula de las enzimas degradantes que hay en el interior del lisosoma. Las enzimas digestivas necesitan un entorno ácido para funcionar correctamente. Las enzimas más importantes en el lisosoma: Lipasa, que digiere lípidos, Proteasas, que digiere proteínas, Nucleasas, que digiere ácidos nucleicos. MITOCONDRIAS Es el orgánulo citoplásmico que contiene los enzimas que ayudan a transformar el material nutritivo (glucosa, ácidos grasos y aminoácidos) en trifosfato de adenosina (ATP), que la célula utilizará como fuente de energía. Las mitocondrias suelen concentrarse cerca de las estructuras celulares que necesitan gran aportación de energía, como el flagelo que dota de movilidad a los 10

11 espermatozoides de los vertebrados. La membrana interna está muy invaginada (crestas mitocondriales) y es donde tiene lugar la conversión de energía. Aunque las mitocondrias son orgánulos de células eucariotas se parecen a las células procariotas; contienen sus propios ribosomas, que son 70 S, su propio DNA el cual es una única molécula circular que contiene la información genética necesaria para la síntesis de un limitado número de proteínas cuya síntesis tiene lugar en los propios ribosomas de las mitocondrias. Finalmente, las mitocondrias se dividen para formar nuevas mitocondrias de forma parecida a como lo hacen los procariotas e independientemente del núcleo celular; sin embargo, no se pueden dividir si se sacan del citoplasma. CITOPLASMA El citoplasma es la parte que en una célula eucariota se encuentra entre el núcleo celular y la membrana plasmática. Consiste en una emulsión coloidal muy fina de aspecto granuloso, el citosol o hialoplasma, y en una diversidad de orgánulos celulares que desempeñan diferentes funciones. El citosol es la sede de muchos de los procesos metabólicos que se dan en las células. El citosol esta compuesto entre un 70 y un 80% de agua mientras que el resto en su mayoría son proteínas y en menor cantidad iones y moléculas orgánicas de pequeño tamaño: aminoácidos, glúcidos y ATP. Funciones. Regulador del PH intracelular. Lugar en el que transcurren la mayoría de las reacciones metabólicas celulares. CITOESQUELETO El citoesqueleto es el conjunto de filamentos proteicos situados en el citosol que pueden formar estructuras reticulares más o menos complejas y que contribuyen a la morfología de la célula, a la organización interna de los orgánulos citoplasmáticos y al movimiento celular. Microfilamentos de actina: intervienen en la contracción muscular; formación del esqueleto mecánico de las microvellosidades; cariocinesis celular y movimiento ameboide. Filamentos intermedios: formados por proteínas fibrosas, muy resistentes y estables. Forman redes que rodean al núcleo y se extienden hacia la periferia celular. Sus funciones 11

12 son estructurales y de mantenimiento de la forma celular. (Filamentos de queratina de las células epiteliales) Microtúbulos: son formaciones cilíndricas, uniformes y rectilineas que se encuentran dispersas por el citoplasma o formando parte de cilios, flagelos o centriolos. Entre sus funciones están: las de formar el huso mitótico; transporte intracelular de vesículas; movimientos de las células. CENTROSOMA Es una estructura sin membrana formada por dos centriolos rodeados de un material denso y amorfo. El centriolo es un orgánulo en forma de cilindro hueco. Las paredes de los centriolos están compuestas de nueve tripletes de microtúbulos. En las células normalmente se encuentran en parejas en ángulo recto, formando el centrosoma. Es u orgánulo exclusivo de las células animales. Son muy importantes en el proceso de división celular, pues están relacionados con el movimiento de los cromosomas en este proceso. Se duplican al iniciarse la mitosis y los pares se alejan a los polos, para formar el huso acromático. CILIOS Y FLAGELOS Son derivados centriolares a modo de expansiones citoplasmáticas filiformes móviles localizados en las superficies libres de algunas células. Los cilios son cortos y numerosos, mientras que los flagelos son largos y generalmente en numero de uno. Están compuestos por microtúbulos, 9 pares que rodean un par central y todo ello rodeado por una membrana. Su función esta relacionada con el movimiento de las células o de los medios que la rodean. RIBOSOMAS Los ribosomas son orgánulos no membranosos sólo visibles al microscopio electrónico debido a su reducido tamaño ( 29 nm. en célula procariota y 32 nm. en eucariota). Están en todas las células vivas (excepto en los espermatozoides). Su función es ensamblar proteínas a partir de la información genética que le llega desde el ADN mediante el ARN mensajero (ARNm). 12

13 El ribosoma consta de dos subunidades que se encajan y trabajan juntas para la traducción del ARNm en proteínas en el proceso de síntesis proteica. Cada subunidad está formada por dos moléculas muy grandes de ARN (llamado ARN ribosómico) y algunas proteínas más pequeñas. Figura 1 : La subunidad grande (1) y la pequeña (2) se encajan La información genética está en el ADN. Esa información se copia en ARN. El ribosoma lee el ARN mensajero y ensambla la proteína con los aminoácidos suministrados por el ARN de transferencia. El proceso es el siguiente: El ribosoma lee tres letras del código genético que ha transportado en ARNm. (Tres letras codifican un aminoácido y se llaman codón). Escoge el aminoácido correspondiente a esas tres letras. Lee las siguientes tres letras (el siguiente codón) y ensambla el aminoácido correspondiente al lado del anterior... Y así hasta que llega un codón que dice que la proteína se acabó: es el codón de Stop. Por ejemplo: El ARNm es éste: AUG-GCC-AAC-GGC-AUG-CCU-ACU-UAA AUG le indica que tiene que empezar a ensamblar la proteína; es un COMENZAR. GCC es Alanina. Coge Alanina y lo sujeta. AAC es Arginina, lo pone al lado de la Alanina. GGC es Glicina, lo ensambla al lado de la Arginina. AUG era el símbolo de COMENZAR, pero ya ha comenzado; así que lo interpreta como Metionina. Pone el aminoácido Metionina ensamblado con la Glicina. CCU es Prolina. Ensambla la Prolina a la Metionina. ACU es Serina. Ensambla la serina con la Prolina. UAA es STOP. Deja de ensamblar la proteína. 13

14 Por tanto la proteína ensamblada ha sido: Alanina-Argirina-Glicina-Metionina-Prolina- Serina INCLUSIONES CITOPLASMATICAS En el citoplasma pueden existir sustancias inertes de naturaleza hidrofóbica denominadas inclusiones. En las células animales las inclusiones más significativas son: Glucógeno en las células hepáticas y musculares de los animales. Triglicéridos en las células adiposas. Pigmentos como la melanina en los melanocitos de la piel. 14