Biología de Magisterio Introducción a la Célula




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Biología de Magisterio Introducción a la Célula


4. INTRODUCCIÓN A LA CÉLULA

El primero en observar células fue el científico inglés Robert Hooke en 1665 sobre una preparación de corcho y con un microscopio muy rudimentario. El corcho, observado en aumento, parecía estar constituido por pequeñas celdillas rodeadas por una pared rígida. Fue Hooke el primero en acuñar el término célula para referirse a estas estructuras. Sin embargo no llegó a reconocer la verdadera estructura de las células y, en realidad, lo que vio en el corcho no eran células sino sus paredes celulares muertas.

El primero que observó células vivas fue Antón van Leeuwenhoek entre finales del s.XVII y principios del XVIII, describió los glóbulos rojos y observó espermatozoides, protozoos e incluso bacterias, todo ello con microscopios muy rudimentarios (en realidad simples lupas) fabricados por él mismo.

Los progresos en el estudio de las células (Citología) dependen muy directamente del desarrollo de la microscopía; por ello hubo que esperar casi dos siglos hasta que se empezó a entender la verdadera significación de las células. En 1831 ya se conocía la existencia del núcleo celular; en 1839 se había descrito minuciosamente el proceso mitótico y en ese mismo año nacía la Teoría celular, atribuida a Schleiden y Schwann, que introducía el concepto fundamental de que la célula es la unidad básica de todos los seres vivos. Este principio fue ampliado finalmente por Virchow en 1859 con lo que la Teoría celular quedó definitivamente establecida. Se puede resumir en tres principios:

1.- Todos los organismos vivos están constituidos por una o varias células; la célula es, por tanto, la unidad vital de los seres vivos.

2.- Las células son capaces de una existencia independiente; las células son, por tanto, la unidad anatómica y fisiológica de los seres vivos.

3.- Toda célula proviene de otra célula ya existente; la célula es, por tanto, la unidad genética de los seres vivos.

Hasta finales del s.XIX se consideraba que el tejido nervioso constituía una excepción a la teoría celular ya que se creía que no estaba formado por células independientes sino por una red o retículo de fibras y células interconectadas en la que no era posible diferenciar los elementos celulares, las neuronas. Fue Ramón y Cajal quien resolvió este problema al enunciar su teoría de la neurona en la que se demostraba que las neuronas eran elementos independientes y constituían la unidad anatómica y funcional del sistema nervioso. De esta manera, la teoría celular quedó definitivamente generalizada a todas las células, tanto vegetales como animales.

No debe interpretarse la célula como un conjunto de partes que, encontrándose dispersas, se han agrupado para formarla. En realidad, las estructuras celulares son el resultado de un proceso de diferenciación en el seno de la propia célula. Cualquier estructura subcelular no puede gozar de vida propia aisladamente, de ahí que se considere a la célula como un sistema con una individualidad propia que las caracteriza como unidades vitales.

La célula también presenta un aspecto dinámico que sería todo el conjunto de funciones que la célula realiza para perpetuarse y poder mantener esa unidad. Puesto que las células son las unidades vitales de los seres vivos, no es de extrañar que este conjunto de funciones que realizan sean, al mismo tiempo, las características de todo ser viviente:

  1. Funciones de relación: en las células se manifiesta por su capacidad de percibir los estímulos que reciben y reaccionar frente a ellos. De esta manera ponen de manifiesto una excitabilidad o sensibilidad.

  2. Funciones de nutrición: tienen como misión proporcionar alimento para transformarlo en su interior convirtiéndolo en sustancia propia que luego será desintegrada para liberar la energía que se necesita para vivir, expulsando los residuos que quedan después de esta transformación. En todo proceso de nutrición celular se distinguen tres etapas:

    1. Incorporación del alimento, sea éste sólido, líquido, gaseoso o disuelto.

    2. Transformación del alimento en el interior de las células. El conjunto de estas transformaciones recibe el nombre de metabolismo y son la esencia íntima de la nutrición. Las reacciones químicas del metabolismo pueden ser de dos tipos: unas transforman el alimento en materia propia de la célula y constituyen el anabolismo o asimilación, y otras descomponen las sustancias en otras más sencillas liberando energía y constituyen el catabolismo o desasimilación.

    3. Eliminación de residuos: como consecuencia de la destrucción de los alimentos durante el catabolismo, se generan residuos que son inútiles para la célula y deben ser eliminados.

  3. Funciones de reproducción: la reproducción celular se reduce siempre a una división mediante la cual la célula se parte en dos o más trozos, cada uno de los cuales aumenta de tamaño hasta alcanzar el propio de la que le ha dado origen. Durante la división celular desaparece como individuo la célula que se divide, llamada célula madre, y en su lugar aparecen dos o más células hijas.

La célula como aparece en la actualidad es el resultado de un proceso de diferenciación que, a través de la evolución, ha conducido a una organización que ha ido adquiriendo complejidad. En consecuencia, según el grado de diferenciación estructural alcanzado, se han establecido dos niveles de organización celular:

  1. Célula procariótica: se caracteriza por su gran simplificación pues en ella faltan muchas de las estructuras que poseen las otras células. El material hereditario se encuentra disperso en el citoplasma, no tienen por tanto núcleo. Este tipo de organización sólo lo presentan las Bacterias.

  2. Célula eucariótica: es la propia de las células típicas. Poseen todas las estructuras como consecuencia de su gran diferenciación. La característica fundamental es que el material hereditario está encerrado en una membrana constituyendo un auténtico núcleo. Pertenecen a este tipo de organización las células que forman los organismos pluricelulares y la mayoría de los unicelulares.

La célula eucariótica se caracteriza porque manifiesta un alto grado de complejidad y de organización. El núcleo está separado del citoplasma mediante la membrana nuclear y contiene ADN asociado a proteínas del tipo de las histonas con el fin de permitir un mejor empaquetamiento. El citoplasma contiene numerosos orgánulos y sistemas de membranas como las mitocondrias, cloroplastos, retículo endoplasmático, etc. que establecen una red de compartimentos celulares interrelacionados que se reparten el trabajo metabólico, lo que permite una mayor especialización y más eficacia en el desempeño de sus funciones.

Las células eucarióticas animales poseen unos orgánulos llamados centriolos de los que carecen las vegetales. Salvo los centriolos, las células eucarióticas vegetales contienen los mismos orgánulos que las animales, con la diferencia de que poseen una gruesa pared celulósica y tienen gran número de plastos y vacuolas de gran tamaño.

Las células eucarióticas pueden vivir aisladas, en forma de organismos unicelulares (Reino Protistas), o pueden formar parte de organismos pluricelulares. En este caso se organizan en tejidos especializados en ciertas funciones. Esta especialización les lleva a adoptar formas muy diversas de acuerdo con la función que realizan. Este proceso es la diferenciación celular.
4.1. ENVOLTURAS CELULARES

4.1.1. LA MEMBRANA PLASMÁTICA: Observada una célula con M.E. se aprecia una envoltura que, de modo continuo, delimita el territorio celular y actúa como frontera de la célula respecto al medio externo: es la membrana plasmática. Las células realizan el intercambio de sustancias con el medio externo a través de esta membrana en la que además tienen lugar muchas reacciones químicas esenciales para la supervivencia celular.

Se trata de una envoltura continua que por una de sus caras está en contacto con el medio externo y por la otra con el hialoplasma celular. En el M.E. se aprecia una estructura formada por tres capas con un espesor total de unos 7 nm.

Para estudiar su composición química hay que separarla del citoplasma. En la actualidad una de las membranas mejor estudiadas es la de los glóbulos rojos ya que es más fácil de aislar porque carecen de núcleo. La membrana de un glóbulo rojo está formada por un 60% de proteínas y un 40% de lípidos. En otros tipos de membranas los porcentajes pueden variar pero por lo general la masa total de proteínas suele ser mayor que la de lípidos.

A) LÍPIDOS: Los más abundantes son los fosfolípidos, el colesterol y los glucolípidos. Debido a su carácter anfipático (poseen un extremo hidrófobo y uno hidrófilo), cuando se encuentran en medio acuoso se disponen formando una bicapa lipídica. La proporción que corresponde a cada lípido no es igual en cada una de las dos capas. La bicapa lipídica aporta la estructura básica a la membrana y, debido a su fluidez, son posibles muchas de las funciones que desempeñan las membranas celulares. Se dice que la bicapa lipídica es fluida porque se comporta del mismo modo en que lo haría un líquido, es decir, las moléculas pueden desplazarse girando sobre sí mismas o intercambiar su posición con la de otras moléculas situadas dentro de la misma monocapa. Es poco frecuente el intercambio entre moléculas situadas en monocapas distintas.

B)PROTEINAS: Las proteínas se sitúan en la bicapa lipídica en función de su mayor o menor afinidad por el agua. Debido a ello se asocian con los lípidos de la membrana de diversas formas:

- Proteínas que atraviesan la membrana. Se llaman proteínas transmembrana.

- Proteínas que se introducen en parte dentro de la membrana.

- Proteínas situadas en el medio externo a uno u otro lado de la bicapa y unidas a proteínas transmembrana o a lípidos.

El lugar que ocupan las proteínas y su mayor o menor grado de unión con los lípidos influyen en la facilidad con que pueden ser separadas del resto de los componentes de la membrana. Según esto se clasifican en dos grupos:

- Proteínas integrales o intrínsecas: están íntimamente asociadas a los lípidos y son difíciles de separar. Constituyen aproximadamente el 70% del total y son insolubles en disoluciones acuosas.

- Proteínas periféricas o extrínsecas: están poco asociadas a los lípidos, se aíslan con facilidad y son solubles en disoluciones acuosas.

Al igual que los lípidos, las moléculas de proteína pueden desplazarse por la membrana aunque su difusión es más lenta debido a su mayor masa molecular.
C) GLÚCIDOS: Se asocian a los lípidos formando glucolípidos o a las proteínas formando glucoproteínas. Están situados en la cara de la membrana que da al medio extracelular y forma la cubierta celular o glucocálix. Esta disposición de los glúcidos y el hecho de que los lípidos de las dos monocapas sean distintos, da a la membrana plasmática un claro carácter asimétrico.

Hoy día, el modelo de membrana que se acepta integra los conocimientos que se poseen sobre la disposición de sus componentes. Dicho modelo fue propuesto por Singer y Nicholson en 1972 y se denomina "modelo del mosaico fluido". Este modelo se basa en 3 premisas:

1.- Los lípidos y las proteínas integrales que forman la membrana constituyen un mosaico molecular.

2.- Los lípidos y las proteínas pueden desplazarse en el plano de la bicapa lipídica. Por ello las membranas son fluidas.

3.- Las membranas son asimétricas en cuanto a la disposición de sus componentes moleculares.
Funciones biológicas de la membrana plasmática: En general se encarga de relacionar a los organismos unicelulares con su medio externo o a unas células con otras en el caso de los organismos pluricelulares. No es tan sólo una estructura que sirva para mantener encerrada a la célula e impedir que se escape el contenido de su citoplasma. También está dotada de una gran actividad y desempeña numerosas funciones, como por ejemplo:

1.- Recibir y transmitir señales, es decir, controlar el flujo de información entre las células y su entorno. Esto es posible gracias a que la membrana contiene receptores específicos para los estímulos externos. A su vez, algunas membranas generan señales, que pueden ser químicas o eléctricas (p.ej. las neuronas).

2.- Proporcionar un medio óptimo para el funcionamiento de las proteínas de membrana (enzimas, receptores y proteínas transportadoras). Los enzimas de membrana catalizan reacciones que difícilmente tendrían lugar en un medio acuoso.

3.- Controlar el desarrollo de la célula y la división celular.

4.- Permitir una disposición adecuada de moléculas funcionalmente activas (antígenos, anticuerpos, etc.)

5.- Delimitar compartimentos intracelulares.

6.- Mantener una permeabilidad selectiva mediante el control del paso de sustancias entre el exterior y el interior de la célula. Es el denominado transporte celular que se explica en el tema 6.
4.1.2. PARED CELULAR VEGETAL. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN: La pared celular se encuentra adosada a la membrana plasmática de las células vegetales. La rigidez y el grosor de esta pared celular permite a los vegetales prescindir de un esqueleto. Estudiando su estructura se observan dos componentes claramente diferenciados: las fibras de celulosa, visibles simplemente con lupa, y el cemento que une las fibras, formado por pectinas, hemicelulosa, agua y sales minerales.

Aunque la composición de la pared varía mucho de una células a otras, el principio arquitectónico en el que se basa es constante: fibras largas y resistentes unidas por una matriz de proteína y polisacáridos.

La organización de estos componentes para formar la pared se comprende mejor siguiendo la evolución de una célula que acaba de dividirse dando origen a dos células hijas que, como ocurre en los vegetales, se mantienen unidas.

La primera capa que se forma a partir de la membrana plasmática es la lámina media, común a las dos células y compuesta principalmente por pectinas. Entre la lámina media y la membrana plasmática se depositan hasta 3 capas dando lugar a la pared primaria. En ella las fibras de celulosa se disponen en forma de red con abundante cemento. Cuando la célula deja de crecer, puede conservar sólo la pared primaria, engrosándola a veces, o depositar nuevas capas de distintos compuestos originando la pared secundaria. Esta normalmente consiste en 3 capas pero, en ocasiones, llegan a ser 20. En ellas predomina la celulosa sobre el cemento. Las fibras de celulosa están dispuestas y ordenadas paralelamente lo que confiere gran resistencia a la pared, aunque la célula pierde la capacidad de estirarse.

La pared celular es un exoesqueleto que protege la célula vegetal de esfuerzos mecánicos y mantiene la integridad celular a pesar de las diferencias de presión osmótica que existen debido a que el medio que rodea a las células es hipotónico con respecto al interior celular. La célula vegetal absorbe agua del medio hasta cierto límite, ya que ésta ejerce una fuerte presión hidrostática sobre la pared celular e impide que el agua siga entrando. Esta presión, denominada turgencia, es vital para las plantas y origina los movimientos que tienen lugar en los vegetales, como la apertura y cierre de estomas, hojas que se mueven al tocarlas, etc.

La pared celular adulta puede experimentar modificaciones en su composición química adaptándose así a la función de la célula. Si se trata de un tejido conductor o de sostén, la pared aumenta su rigidez sin perder su permeabilidad. Estas modificaciones son de 3 tipos:

1.- Lignificación: cuando la sustancia depositada es lignina, como ocurre en los vasos conductores del xilema.

2.- Mineralización: la pared se impregna con carbonato cálcico o sílice, lo cual suele ocurrir en las células epidérmicas.

3.- Cutinización y suberificación: aseguran la impermeabilización de las células, sobre todo de las epidérmicas. En el primer caso la pared se impregna de cutina y origina el brillo que poseen muchas hojas y frutos. En el segundo caso se impregna de suberina, formando el corcho.

A pesar de su resistencia y grosor, la pared celular es permeable tanto al agua como a las sustancias disueltas en ella. Esto es posible por la existencia de diferenciaciones que conectan entre sí las células y con el medio que las rodea. Son de dos tipos:

1.- Punteaduras: son zonas delgadas de la pared formadas por la lámina media y una pared primaria muy fina. Suelen situarse al mismo nivel en dos células vecinas.

2.- Plasmodesmos: son conductos citoplasmáticos muy finos que comunican células vecinas, para lo cual atraviesan completamente las paredes celulares. La membrana plasmática de cada célula se continua con la de su vecina por los plasmodesmos
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