Curso: Biología Mención Material Nº 07 Unidad I. Organización, estructura y actividad celular. Organización citoplasmática. INTRODUCCIÓN. En los eucariotas, las membranas dividen al citoplasma en compartimentos, que los biólogos denominan organelos. Muchas de las actividades bioquímicas de las células (metabolismo celular), tienen lugar en estas estructuras. Estos espacios son importantes como sitios donde se mantienen condiciones químicas específicas, que incluso varían de organelo en organelo. Los procesos metabólicos que requieren condiciones diferentes, pueden tener lugar simultáneamente en una única célula porque se desarrollan en organelos separados. Otro beneficio de las membranas internas es que aumentan el área total membranosa de una célula eucariótica. Una célula eucariótica típica, con un diámetro diez veces mayor que una célula procariótica, tiene un volumen citoplasmático mil veces mayor, pero el área de la membrana plasmática es sólo cien veces mayor que la de la célula procariótica. Además, la célula posee otros organelos no membranosos, que también cumplen importantes y variadas funciones. Organización Citoplasmática. Los organelos celulares se pueden clasificar en: Doble Mitocondria Cloroplasto Núcleo Organelos Celulares y/o Estructuras Con membranas Simple Retículo endoplásmico rugoso (RER) Retículo endoplásmico liso (REL) Aparato de Golgi (dictiosoma) Lisosoma Peroxisoma Glioxisoma Vacuola Cilios y/o flagelos Sin membranas Ribosomas Citoesqueleto Centrosoma y centríolo Cuerpo basal Figura 1. División esquemática de los organelos y/o estructuras celulares.
1. ORGANELOS DE DOBLE MEMBRANA. 1.1. Mitocondria. Las mitocondrias llevan a cabo la respiración celular, en la cual la energía química de los alimentos es convertida en la energía química de una molécula denominada ATP. El ATP es la fuente principal de energía para el trabajo celular. La estructura de la mitocondria se ajusta a su función. En la figura 2 se puede apreciar que está rodeada por dos membranas y presenta dos compartimentos. La membrana interna rodea el segundo compartimento, al cual se le llama matriz mitocondrial. Muchas de las reacciones químicas de la respiración celular se llevan a cabo en la matriz. La membrana interna está muy plegada (crestas) aumentando el área para favorecer la capacidad de la mitocondria para producir ATP. La mitocondria contiene DNA, enzimas y ribosomas lo que le confiere autonomía por ello se la considera un organelo semiautónomo. La teoría de la endosimbiosis (Margulis, 1970), propone un origen procariota para este organelo, por su semejanza con las bacterias. Figura 2. Esquema y microfotografía de una mitocondria. 1.2. Cloroplasto. Todas las partes verdes de una planta poseen cloroplastos y pueden llevar a cabo la fotosíntesis. El color verde proviene de los pigmentos de clorofila contenidos en los cloroplastos. La clorofila absorbe la energía solar que le permite al cloroplasto fabricar las moléculas de alimento. Figura 3. Esquema y microfotografía de un cloroplasto. 2
2. ORGANELOS DE MEMBRANA SIMPLE. 2.1. Sistema endomembranoso: es una red de membranas citoplasmáticas conectadas entre sí. a) Retículos endoplasmáticos son organelos formados por membrana simple de igual naturaleza que la membrana celular. Existen dos variedades: retículo endoplasmático liso (REL), la mayor parte de su actividad es llevada a cabo por enzimas que se encuentran en sus membranas que son capaces de: sintetizar lípidos, fosfolípidos y esteroides. retículo endoplasmático rugoso (RER), el término rugoso se refiere a la apariencia de este organelo en las microfotografías electrónicas, resultado de la presencia de ribosomas en su superficie externa. Este retículo participa en tres funciones principales: Fabricación de membranas Síntesis de proteínas Glicosilación parcial de proteínas. b) Complejo de Golgi. Empaquetador, exportador. Las funciones en la que este organelo participa son: glicosilación de proteínas y de lípidos; empaquetamiento de ambos tipos de moléculas; formación de lisosomas y vacuolas de secreción. formación de la pared celular primaria en células vegetales (fragmoplasto). El sistema de endomembranas formado por la carioteca externa, el REL, el RER y el aparato de Golgi, permiten que el citoplasma sea recorrido por una especie de canales y/o carreteras que facilitan el traslado de diversas sustancias. En el caso de una sustancia de exportación la figura 4 muestra el recorrido más probable. Figura 4. Recorrido durante la secreción. 3
En la figura 4, la proteína que es secretada sigue la siguiente ruta: es sintetizada en el RER luego desde aquí se mueve hacia el REL, mediante vacuolas es llevado a la cara cis del aparato de Golgi, pasa por la diversas caras del aparato de Golgi donde puede ser glicosilado, hasta que finalmente desde la cara trans es colocada en una vesícula de secreción, que finalmente se contacta con la membrana celular desde la cual es liberada la proteína. 2.2. Lisosoma. Digestión intracelular Es un organelo celular que contiene enzimas hidrolíticas como por ejemplo: nucleasas, proteasas, lipasas y glucosidasas. 2.3. Peroxisoma. Es una estructura membranosa que contiene en el centro un núcleo enzimático. La membrana de este organelo es aportada por el REL y las enzimas por el RER. La falta de peroxisomas puede producir graves trastornos metabólicos que pueden llevar a la muerte. 2.4. Vacuolas. Se las puede considerar como cavidades rodeadas por membranas (tonoplasto) que pueden contener distintas sustancias y por lo tanto prestar diferentes funciones a la célula. Estos organelos son de variados tamaños, por ejemplo, en la célula vegetal ocupan el 90% o más del volumen celular. Esta gran vacuola resulta de la fusión de membranas provenientes de los retículos o del dictiosoma (complejo de Golgi) y puede contener sales minerales, almidón, proteínas y pigmentos, todo este conjunto de sustancias le confiere a esta vacuola un carácter hipertónico, es decir con una alta capacidad para atraer agua, lo que en la célula vegetal genera la presión de turgencia. En células animales, las vacuolas no se requieren para generar turgencia, pero sí tienen variadas funciones como por ejemplo: en protozoarios cumplen la función de ser pulsátiles ya que pueden ir y venir desde y hacia la membrana celular para eliminar agua, en otras células conforman vacuolas de tipo fagocitarias, de excreción, residuales, etc. 2.5. Cilios y Flagelos Son apéndices locomotores que salen de algunas células, encargados del movimiento externo de éstas o del movimiento de materiales a lo largo de las superficies celulares. Los flagelos y los cilios de las células eucarióticas poseen una estructura y un mecanismo de movimiento común (Figura 5). Figura 5. Microfotografía electrónica que muestra un corte transversal del flagelo de un espermatozoide, donde se puede apreciar la distribución de los microtúbulos ( 9+2). 4
3. ORGANELOS NO MEMBRANOSOS. 3.1. Ribosoma. Fábrica de proteínas. Figura 6. Microfotografía y esquema de ribosomas. Son estructuras del tipo nucleoproteínas, es decir contienen ácido ribonucleico (RNA) en un 70% y el restante 30% corresponde a variadas proteínas de pequeño tamaño. Se observan en todo tipo de células, en los procariotas están libres en el citoplasma y en los eucariotas están adosados a membranas como la carioteca o conformando el RER, también los podemos encontrar al interior de mitocondrias y cloroplastos. El rol fundamental que cumplen es la de síntesis de proteínas. 3.2. Citoesqueleto. La forma, el movimiento interno y el sostén de la célula. El citoesqueleto es la base arquitectónica y dinámica de todas las células eucarióticas y por lo tanto, su organización tiene directa influencia en la estructura de los tejidos. Molecularmente, es una compleja asociación entre polímeros proteicos como los microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios con un conjunto variable de otras proteínas asociadas. Figura 7. Componentes del citoesqueleto y las relaciones con elementos celulares 5
A modo de resumen las funciones del citoesqueleto son: 1) Participar en el movimiento ameboideo o en la emisión de seudópodos. 2) Participar en la citodiéresis. 3) Inhibición por contacto. 4) Determinar el movimiento y separación de los cromosomas (microtúbulos). 5) Producir el movimiento de cilios y/o flagelos (microtúbulos). 6) Participar en la contracción muscular. 7) Determinar la forma típica de la célula. 8) Mantener los organelos en el lugar más adecuado para la célula (el conjunto del citoesqueleto). En esta guía, hemos introducido varias estructuras celulares importantes. Para proporcionar un marco a toda esta información y reforzar la idea de que la estructura se correlaciona con la función, en la tabla 1 se agrupan los organelos celulares en cuatro categorías de acuerdo a su función general. Tabla 1 Los organelos eucarióticos y sus funciones: Función general: Manufactura Núcleo Síntesis de DNA; síntesis de RNA; ensamblado de subunidades ribosomales. Ribosomas Síntesis de proteínas. RE rugoso Síntesis de proteínas de membrana, proteínas de secreción y enzima hidrolíticas; formación de vesículas transportadoras. RE liso Síntesis de lípidos; metabolismo de carbohidratos en las células del hígado; Detoxificación celular; almacenamiento de calcio. Aparato de Golgi Modificación, almacenamiento temporal y transporte de macromoléculas; formación de lisosomas y de vesículas de transporte. Función general: Degradación Lisosomas Peroxisomas Glioxisomas Digestión de nutrientes, bacterias y organelos dañados, destrucción de células durante el desarrollo embrionario. Diversos procesos metabólicos, incluyendo la degradación del H 2 O 2. Ciclo del glioxilato. Vacuolas Digestión; almacenamiento de sustancias químicas; alargamiento celular; equilibrio del agua. Función general: Procesamiento de la energía Cloroplastos Transformación de la energía lumínica en energía química contenida en los carbohidratos. Mitocondrias Transformación de la energía química de los alimentos en energía química contenida en el ATP. Función general: Sostén, movimiento y comunicación entre células Citoesqueleto (incluidos cilios, flagelos y centríolos en las células animales). Paredes celulares (en plantas, hongos y algunos protistas). Mantenimiento de la forma celular; anclaje de los organelos; movimientos de organelos dentro de la célula; movimiento celular; transmisión mecánica de señales desde el exterior al interior celular. Mantenimiento de la forma celular y sostén esquelético; protección superficial, unión de células en tejidos. 6
Preguntas. 1. Cuál de las siguientes pistas le indicarían si una célula es procariótica o eucariótica? A) Sí la célula contiene o no DNA. B) La presencia o ausencia de ribosomas. C) La presencia o ausencia de ATP sintetasa. D) Sí la célula lleva a cabo o no el metabolismo. E) Sí la célula está estructurada por membranas internas. 2. La(s) siguiente(s) afirmación(es) se puede(n) considerar como característica(s) común (es) a cloroplastos y mitocondrias: I) En su membrana interna se encuentran proteínas asociadas que pueden realizar transporte de electrones. II) Contienen material genético como DNA y RNA por lo que se pueden considerar como organelos semiautónomos. III) El producto final de los organelos es la síntesis de ATP y de moléculas orgánicas. B) Sólo III C) Sólo I y II D) Sólo II y III 3. El rol que cumplen las vacuolas en vegetales es I) almacenar iones solubles. II) contener gran cantidad de agua. III) contener un ambiente hipertónico. B) Sólo II C) Sólo III D) Sólo I y II 4. En las células vegetales el aparato de Golgi I) se denomina dictiosoma. II) participa en la síntesis de la pared celular. III) se encarga de la fotorrespiración. B) Sólo I y II C) Sólo I y III D) Sólo II y III 5. La degradación de H 2 O 2 (agua oxigenada) ocurre por enzimas contenidas en I) peroxisomas. II) lisosomas. III) acrosomas. B) Sólo II C) Sólo I y II D) Sólo I y III 7
6. Respecto al citoesqueleto es(son) correcta(s) la(s) siguiente(s) afirmación(es): I) Si una célula carece de microtúbulos no puede realizar división celular mediante mitosis. II) Los filamentos intermedios permiten que la célula tenga una forma estable. III) Si no está presente el centríolo, pero sí el centro organizador de microtúbulos, la célula puede dividirse igual por mitosis como es el caso de célula vegetal. B) Sólo III C) Sólo I y II D) Sólo II y III 7. Los lisosomas I) contienen enzimas hidrolíticas. II) se originan en el aparato de Golgi. III) son abundantes en células fagocitarias. B) Sólo I y II C) Sólo I y III D) Sólo II y III 8. Cuál(es) de los siguientes tipos celulares posee(n) un prominente desarrollo del retículo endoplasmático rugoso? I) Linfocitos B. II) Células del páncreas. III) Células de las glándulas sebáceas. B) Sólo II C) Sólo III D) Sólo I y II E) Sólo I y III 9. Encuentre la asociación correcta entre organelo (columna izquierda) y su función (columna derecha). 1) lisosoma I. Digestión intracelular. 2) aparato de Golgi II. Síntesis de lípidos. 3) retículo endoplásmico liso III. Beta oxidación. 4) peroxisoma IV. Glicosilación de lípidos. 5) ribosomas V. Lectura de mrna. A) 1I, 2II, 3III, 4IV, 5V B) 1I, 2II, 3III, 4V, 5IV C) 1I, 2IV, 3II, 4III, 5V D) 1II, 2III, 3I, 4V, 5IV E) 1I, 2IV, 3V, 4III, 5II 10. La ruta que seguirá un aminoácido que formará parte de una glicoproteína de exportación es A) R.E. Liso, R.E. Rugoso, A. Golgi. B) R.E. Liso, A Golgi, R.E. Rugoso. C) R.E. Rugoso, A. Golgi, R.E. Liso, Exocitosis. D) R.E. Rugoso, R.E. Liso, A. Golgi, Exocitosis. E) A. Golgi, R.E. Liso, R.E. Rugoso, Exocitosis. DMSE-BM07 8