Organización celular de los seres vivos: procariota y eucariota




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fecha de publicación25.02.2016
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organización celular de los seres vivos: procariota y eucariota


1.- LA TEORÍA CELULAR:

La idea de que los seres vivos están constituidos por células y que cada una de ellas proviene de otra, que ya existía con anterioridad, es relativamente reciente.

En 1665, el inglés Robert Hooke, observó con un microscopio rudimentario una fina lámina de corcho, y denominó a las pequeñas cavidades poliédricas que vio, células que significa celdillas. Se le considera el descubridor de la célula. Es en la segunda mitad del siglo XIX, cuando se enuncia por vez primera la teoría celular. Su formulación se debió fundamentalmente a que para la visualización de las células era imprescindible la utilización de instrumentos ópticos que aumentaran muchas veces el tamaño de la célula (invisible a simple vista, microscópica). En un primer momento fueron lentes simples superpuestas, más tarde surgió el microscopio óptico y por último el microscopio electrónico. Hasta que no se dispone de buenos microscopios ópticos, a principios del siglo XIX, no de descubre que todos los seres vivos tanto animales como vegetales están formados por células. El desarrollo de la teoría celular se atribuye al botánico Schleiden (1838) y al zoólogo Schawnn (1839). En 1858, Virchow completa la teoría celular con su célebre principio “omnis cellula e cellula”, es decir toda célula proviene de otra célula.

Con la ayuda de la técnica y de los científicos del siglo XVII, XVIII, XIX y XX se llegó a establecer la teoría celular con sus principios:

  1. La célula es la unidad estructural de los seres vivos. Todos los seres vivos están formados por una o más de una célula.

  2. La célula es la unidad funcional de los seres vivos. Es la mínima unidad de materia que puede llevar a cabo las funciones básicas de un ser vivo.

  3. Toda célula proviene de otra preexistente.(contiene ADN material genético, y ARN que forma ribosomas para la traducción de ese material genético, que se transmite de célula a célula).










Todas las células están formadas por los siguientes elementos:

  • Membrana plasmática: formada principalmente por una bicapa lipídica en la cual hay, englobadas o adheridas a su superficie, ciertas proteínas. Los lípidos hacen que la membrana se comporte como una barrera aislante entre el medio acuoso intracelular y el medio acuoso extracelular. Las proteínas son las que permiten el paso (hacia el interior o exterior) de las sustancias hidrosolubles (las liposolubles pueden atravesar los lípidos de la membrana).

  • Citoplasma: Es la parte de la célula comprendida entre la membrana plasmática y el núcleo (si posee núcleo). Está constituido por una solución líquida denominada hialoplasma o citosol, unos orgánulos que pueden o no estar delimitados por membranas, el citoesqueleto e inclusiones citoplasmáticas. En procariotas el citoplasma es más sencillo al carecer de orgánulos (excepto ribosomas), citoesqueleto y núcleo.

  • Material genético: Formado por una o varias moléculas de ADN y ARN (ribosomas que traducen la información genética).



2.- LA CÉLULA COMO UNIDAD ESTRUCTURAL:

Desde el punto de vista estructural, las células pueden agruparse en:

  • Procariota: Carecen de núcleo (el ADN no está separado del resto de la célula por una membrana, sino que está disperso en él) y orgánulos excepto ribosomas, al carecer de núcleo su material genético está libre en el citoplasma. Las bacterias son células procariotas.

  • Eucariota: Poseen el material genético dentro de un núcleo que está separado del citoplasma por una doble membrana y tienen orgánulos, muchos de estos orgánulos son membranosos, es decir, están rodeados por una o dos membranas. Las células de animales, vegetales, hongos y protoctistas (protozoos y algas) son eucariotas.






Completa la tabla con las diferencias entre células procariotas y eucariotas.


CELULA procariota

CÉLULA eucariota


























2. a.- Las células procariotas:

Las bacterias son organismos procariotas. La ausencia de verdadero núcleo es la gran diferencia con las células eucariotas, aunque existen otras. Son organismos microscópicos que pueden presentar formas y aspectos diferentes, pero todas poseen una estructura básica. En todas ellas:

  • El ADN se encuentra libre y disperso por el citoplasma.

  • No tienen orgánulos celulares como las mitocondrias, cloroplastos, aparato de Golgi, retículo, etc.

  • Carecen de citoesqueleto y no tienen movilidad intracelular.

  • Son más pequeñas que las células eucariotas. Son similares al tamaño de las mitocondrias y cloroplastos de las eucariotas.

Sin embargo, aún siendo tan simples, tienen su cromosoma bacteriano gracias al cual se reproducen y copian su información a ARN que, llegando a sus ribosomas, fabrica las proteínas necesarias para el funcionamiento bacteriano.





Carecen de núcleo (su material genético está libre en el citoplasma) y orgánulos excepto ribosomas, su tamaño (1-10 m) es mucho menor que el de las células eucariotas, son las células más sencillas. Las bacterias son células procariotas.











ESTRUCTURA DE LA CÉLULA PROCARIOTA: tienen una membrana plasmática en la que pueden aparecer repliegues hacia el citoplasma llamados mesosomas, se supone que son para compensar la ausencia de orgánulos membranosos llevando adheridos enzimas que intervienen en diferentes procesos como la respiración celular y la división celular. La membrana esta recubierta por una pared bacteriana que protege y mantiene la forma de la célula, de composición variable, dependiendo del grupo (según su pared se distinguen las bacterias Gram + y las Gram -). A veces, por encima de la pared puede existir una cápsula o vaina gelatinosa.

El citoplasma posee dos regiones bien diferenciadas: una en donde se halla el material genético, denominado nucleoide o cromosoma bacteriano circular, y el citoplasma restante, de aspecto homogéneo, donde destacan un gran número de ribosomas. En el citoplasma pueden haber también inclusiones (sin membrana por supuesto) de naturaleza variada como sustancias de reserva, pigmentos... El material genético es una molécula de ADN bicatenario y circular. La célula procariota puede presentar también pequeños fragmentos circulares de ADN accesorio llamados plásmidos (utilizados en ingeniería genética).

También pueden tener las siguientes prolongaciones alargadas: flagelos para la locomoción, fimbrias cortas y numerosas, para la adherencia a sustratos y pili para el intercambio de ADN con otras bacterias.

L
as bacterias fueron los primeros organismos que aparecieron en la Tierra hace 3700 M de A. algunas bacterias parasitan a animales y plantas causándoles enfermedades, se reproducen a gran velocidad (30min). Los antibióticos son sustancias químicas que impiden la vida de las bacterias, muchos impiden el desarrollo de su pared celular. Otras son fijadoras de nitrógeno pueden tomar nitrógeno del la atmosfera y transferirlo a los seres vivos, las bacterias descomponedoras del suelo que reciclan la materia orgánica del suelo o humus, algunas son endosimbioticas de nuestro tubo digestivo sintetizan vitaminas como la vitamina K, se utilizan en la industria agroalimentaria.

2.b.- Células eucariotas:

La célula animal típica contiene una serie de estructuras u orgánulos que la definen y diferencian y que hacen de ella una estructura eucariota y heterótrofa. Contiene estructuras membranosas y no membranosas, todas ellas flotando y dispersas por el citoplasma celular.




Poseen el material genético dentro de un núcleo que está separado del citoplasma por una doble membrana y tienen orgánulos, por lo que son de mayor tamaño (normalmente 10-20 m, aunque esto puede ser muy variable) que las células procariotas. Muchos de estos orgánulos son membranosos, es decir, están rodeados por una o dos membranas. La presencia de orgánulos membranosos da lugar a múltiples compartimentos celulares que permiten desarrollar diferentes funciones, hacer más eficaz su función e incluso, la separación de procesos metabólicos que son incompatibles entre sí. Las células de animales, vegetales, hongos y protoctistas (protozoos y algas) son eucariotas.
Hay diferencias en la estructura de células vegetales y animales, pero todas tienen en común: una membrana plasmática y ribosomas (orgánulo más pequeño y sin membrana), al igual que las bacterias, pero, sin embargo, se diferencian de ellas por la presencia de núcleo, orgánulos citoplasmáticos y citoesqueleto.

Los orgánulos con membrana comunes en células vegetales y animales son el RER, REL, aparato de Golgi, mitocondrias, vacuolas, lisosomas y peroxisomas. También aparecen estructuras no membranosas además de los ribosomas: el citoesqueleto e inclusiones.






En vegetales aparece una pared celular, plastos (los más importantes son los cloroplastos donde tiene lugar la fotosíntesis) y vacuolas de gran tamaño que en muchos casos ocupa la mayor parte del citoplasma, estas tres características lo diferencian de las células animales que no tienen un sistema vacuolar tan desarrollado y carecen de plastos y pared, pero además poseen centriolos, los cuales no existen en células vegetales.



Completa la tabla con las 4 diferencias entre células animales y vegetales.


CELULA VEGETAL

CÉLULA ANIMAL






















3.- EL ORIGEN DE LAS CÉLULAS:

Aunque no es la única hipótesis, la opinión más admitida es que los primeros organismos eran heterótrofos, que se alimentaban de la sopa primordial. Al no existir oxígeno en la atmósfera, además eran anaeróbicos y fermentadores. Con el tiempo los nutrientes se agotaron por la gran cantidad de microorganismos que se alimentaban de ellos y así se facilitó la aparición de organismos capaces de fabricar su propia materia (autótrofos) con fuentes de energía como la luz que convivieron con los seres heterótrofos primitivos. De este modo nacieron los seres fotosintéticos, como las actuales cianobacterias.

La capacidad de estos últimos de emitir oxígeno provocó grandes cambios en la atmósfera. Cuando la cantidad de oxígeno fue abundante se formó el ozono, que sirvió como filtro de radiaciones ultravioletas procedentes del sol. En ese momento la tierra, protegida de los rayos nocivos del sol permitió la expansión de la vida en la superficie del agua y la tierra, en contacto con esta nueva atmósfera. Es así como surge un nuevo metabolismo aeróbico.










Durante los 2.000 primeros millones de años de la historia de la vida sobre la Tierra, los procariotas fueron los habitantes de la misma. Más tarde aparecieron los eucariotas.

Existen muchas teorías acerca de la evolución celular y de cómo se produjeron los hechos que diversificaron la vida en la tierra. La teoría que desde hace décadas es aceptada por casi la totalidad de la comunidad científica es la teoría endosimbionte de Lynn Margulis. En ella se explica la evolución hacia la célula eucarionte vegetal y animal por la endosimbiosis de células nucleadas con incorporación de cloroplastos y mitocondrias, que en realidad eran en origen células independientes procariotas autótrofas (cianobacterias) y heterótrofas (bacterias aeróbica incoloras) respectivamente.







  • 2- LA TEORÍA ENDOSIMBIONTICA DE LYNN MARGULIS 1985.

  • La organización compleja de las células eucarióticas, sugiere que estas aparecieron tras las células procarióticas, más sencillas. No obstante, la teoría hoy en día, prácticamente aceptada por toda la comunidad científica, que explica la aparición de una segunda categoría de seres vivos eucarióticos, a partir de una primera, procarióticos se denomina la Teoría endosimbióntica de Lynn Margulis.

  • Los fundamentos de esta teoría son:

  • Mitocondrias y plastos tienen tamaños parecidos a los bacterianos.

  • Estos orgánulos tienen ADN y ARN mensajero y transferente se multiplican de forma independiente en relación con el núcleo y son capaces de sintetizar sus proteínas gracias a sus propios genes.

  • El tamaño de los ribosomas de las bacterias es idéntico al de los plastos y al de las mitocondrias.

  • Esto sugiere que estos orgánulos vivían antaño de forma libre e independiente.

  • Bacterias más pequeñas habrían establecido una simbiosis con bacterias de mayor tamaño para formar los primeros seres vivos unicelulares eucarióticos que habrían adquirido particularidades metabólicas nuevas transmisibles de generación en generación. Los antepasados bacterianos que formaron las mitocondrias serían bacterias aerobias albergadas por una bacteria, concretamente arqueobacteria con rasgos comunes a las procariontes y la los eucariontes (formando un célula “protoeucariótica”). Las arqueobacterias carecen de pared rígida, tienen proteínas parecidas a las histonas y sus ribosomas son parecidos a los de las células eucarióticas.

  • Las cianobacterias fotosintéticas autótrofas serían los antepasados de los cloroplastos que se habrían unido mediante simbiosis con una célula huésped que ya poseía mitocondrias. De ahí viene el nombre de “endosimbiosis en serie”, de la teoría. Finalmente la presencia de cilios y flagelos con estructuras complejas muy distintos a los flagelos bacterianos nacería de la simbiosis de la célula “protoeucarótica” con bacterias móviles minúsculas y forma en espiral (espirochetas).

4.- LA CÉLULA COMO UNIDAD FUNCIONAL:

Es la unidad de vida más pequeña que lleva a cabo las funciones vitales: la nutrición, la reproducción, la relación.

La nutrición permite a la célula mantener su organización y llevar a cabo sus funciones con aporte constante de energía e incorpora del medio, moléculas para formar su propia materia. Así toda célula es capaz de capturar del medio moléculas llamadas nutrientes para formar o reciclar su propia materia y/o que le proporcionen energía.

La célula es una entidad dinámica que se encuentra en continuo cambio con multitud de reacciones químicas que se generan en su interior. Este conjunto de reacciones que ocurren con el fin de transformar los nutrientes en energía y sustancias propias se denomina metabolismo celular. Sin metabolismo no existiría ni automantenimiento, ni reproducción y sin organización celular no existiría metabolismo. En el metabolismo celular existen reacciones de construcción o anabólicas y los de destrucción o catabólicas. El metabolismo es el resultado de la interacción entre ambos procesos.

  • Las reacciones, catabólicas, liberan energía a partir de la degradación de los materiales orgánicos. La energía liberada es utilizada en la síntesis de nuevas moléculas, división celular, movimiento, transporte de nutrientes a través de la membrana…parte de esta energía se transforma en calor. La energía desprendida solo se puede utilizar indirectamente a través de la síntesis de moléculas de ATP, esta se liberará con la hidrólisis. ATP  Energía + Pi + ADP

En el catabolismo existen dos proceso para obtener energía: la respiración y la fermentación

La respiración aerobia.

Consiste en la oxidación (pérdida de electrones) a lo largo de una serie de reacciones químicas. Los electrones son transferidos a otras moléculas aceptoras siendo el ultimo aceptor el oxigeno (con mayor afinidad para los e-, mayor poder oxidante). En la respiración aerobia se produce la oxidación total de las moléculas energéticas (orgánicas) y se obtienen productos inorgánicos como el dióxido de carbono y agua. El rendimiento energético es alto (40%). Por ejemplo la oxidación de una molécula de glucosa libera. Glucosa + 6 O2  6 CO2+6 H2O + 38ATP

En todas las células eucarióticas, las etapas iniciales del proceso ocurren en el citoplasma. Los últimos pasos ocurren en la mitocondria utilizando el oxígeno. La respiración aerobia es propia de organismos aerobios como los animales las plantas, los hongos, los protoctistas y también muchas bacterias que han de tomar el oxígeno del entorno para llevarla a cabo.

Fermentaciones.

Siempre se realizan en el citoplasma celular, en este caso la oxidación de las moléculas energéticas (orgánicas) es incompleta y origina como productos finales, moléculas orgánicas menos degradadas que en la respiración. La fermentación se denomina igual que este producto final.

La fermentación láctica, es propia de algunas bacterias, el producto final es el ácido láctico y por cada molécula de glucosa se obtienen dos moléculas de ATP, es menos rentable que la respiración celular. La fermentación alcohólica es característica de algunas levaduras el producto final es el etanol (alcohol etílico). Al igual que en el caso anterior se obtienen dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.

Algunas bacterias y levaduras utilizan este catabolismo anaerobio (sin oxígeno) por lo que se denominan anaerobios. Si son anaerobios estrictos, el oxígeno resulta tóxico para ellas, pero si son capaces de llevar tanto la respiración aerobia como las fermentaciones son anaerobios facultativos.

  • Las reacciones del anabolismo requieren energía. Son reacciones mediantes las cuales a partir de moléculas más sencillas se producen moléculas propias (orgánicas) de la célula. Se diferencian dos tipos de procesos anabólicos. Uno de ellos realizado por todos los seres vivos, parte de moléculas orgánicas pequeñas y se sintetizan otras mas complejas.

Por ejemplo sintetizar almidón a partir de moléculas de glucosa. En otro, se elaboran moléculas orgánicas a partir de moléculas inorgánicas. Los organismos autótrofos son los únicos en poder realizar este proceso anabólico. Para ello es necesario aportar energía para reducir (ganar un é) los compuestos inorgánicos. Según cuál sea la fuente de energía, se diferencian dos procesos anabólicos: la fotosíntesis y la quimiosíntesis.

La fotosíntesis:

Las células de las partes verdes de los vegetales, de las algas y muchas bacterias son capaces de tomar sustancias inorgánicas simples como el agua, dióxido de carbono, transformarlas en biomoléculas orgánicas como la glucosa, gracias a la energía luminosa. La fotosíntesis es un proceso de oxidoreducción en el que existe un dador de H+ y de é electrones en las plantas es el agua y un aceptor inorgánico (dióxido de carbono, nitratos, sulfatos…).

La fotosíntesis consta de dos etapas: La fase luminosa y la fase oscura.

La fase luminosa ocurre en presencia de luz, convierte la energía luminosa en energía química. Los sistemas fotoreceptores encargados de absorber la luz son pigmentos fotoreceptores siendo el más importante la clorofila. La energía transferida a uno de sus electrones es posteriormente utilizada para producir ATP. De esta forma la energía queda fijada en los enlaces químicos del ATP. Otra parte de la energía captada se utiliza para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se utilizará en la fase siguiente y el oxígeno es un desecho que es liberado a la atmosfera.

La fase oscura no depende directamente de la luz pero sí de los productos de la fase luminosa, hidrógeno y energía para reducir el carbono procedente del CO2 y formar glucosa. En el caso de las plantas la reacción global queda expresada como:

n H2O +n CO2  (CH2O)n + n O2 o 6CO2+6H2O+Energía solar Glucosa+O2

Es un error frecuente considerar que las plantas realizan la fotosíntesis pero no la respiración. Las partes verdes sintetizan moléculas orgánicas gracias a la fotosíntesis y después las catabolizan en la respiración celular. Los seres heterótrofos solo realizan este último proceso por lo que necesitan tomar las moléculas orgánicas fabricadas por los seres autótrofos. La fotosíntesis que tiene lugar en los cloroplastos de las células vegetales y en el caso de las bacterias fotosintéticas (cianobacterias) se lleva a cabo en unos repliegues de la membrana celular llamados mesosomas.

La quimiosíntesis:

Solo la realizan algunas bacterias. La energía necesaria para sintetizar las moléculas orgánicas no procede de la luz del sol, sino de la que se libera en las reacciones químicas de oxidación de ciertas sustancias inorgánicas (las bacterias nitrificantes o sulfatizantes). Por ejemplo Nitrosomonas oxida el amonio a nitrito (2NH4+ + 3º2  2NO2- + H2O + 72.6 Kcal) y Nitrobacter oxida el nitrito a nitrato (2NO2- + O2 2NO3- + 12 Kcal). La quimiosíntesis juega un papel fundamental en los ciclo biogeoquímicos de nuestro planeta, constituidos por las diversas transformaciones que sufren las moléculas que forman los seres vivos y gracias a los cuales los bioelementos van formando parte de distintas moléculas orgánicas e inorgánicas. Eran las únicas células que podían vivir en un planeta deshabitado este tipo de nutrición se denomina autótrofa quimiosintética.

Las reacciones catabólicas y anabólicas son interdependientes: la energía y en ocasiones las moléculas desprendidas en el catabolismo se utiliza en el anabolismo y las moléculas complejas sintetizadas pueden a su vez catabolizarse.

Unas células son capaces de fabricar su propia materia orgánica y destruirla en la misma célula para obtener energía (ATP) (células vegetales autótrofas) mientras que otras deben disponer de materia orgánica ya sintetizada o elaborada por otros organismos o células (células animales heterótrofas) necesitan incorporar del medio, a través de la membrana plasmática, la materia orgánica ya elaborada. Tienen nutrición heterótrofa los organismos que se alimentan de otros seres vivos como baterías, protozoos, hongos y animales. De los componentes orgánicos de otros seres vivos sacan energía y los utilizan como fuente de átomos de carbón para su producir sus propios materiales orgánicos.

La célula intercambia materia con el medio, gracias a los procesos de osmosis, difusión, transporte activo, endocitos y exocitosis que se producen implicando la membrana citoplasmática.



La relación:

La función de relación se diferencia en tres etapas y tiene por objetivo adaptarse a las condiciones cambiantes del entorno:

  • Recepción de la información. La primera condición para poner en marcha los mecanismos de supervivencia necesarios es detectar los cambios que ocurren en el medio o en el propio organismo. Estas variaciones son llamadas estímulos y exigen estructuras biológicas especializadas para captarlas. Los estímulos pueden ser tanto físicos (variación de la temperatura de la luz, la presiona) como químicos variación del grado de acidez, presencia de ciertas moléculas.

  • Integración de la información. Recibida la información esta se procesa para elaborar una respuesta adecuada al estímulo que contrarreste la acción negativa del cambio ambiental.

  • Producción de la respuesta. Puede ser un movimiento en dirección o en dirección contraria, la producción de ciertas sustancias, la creación de estructuras protectoras, la transformación celular o la división celular.





Según la posición relativa que adquieran la fecundación y la meiosis dentro del ciclo biológico de un ser vivo podremos clasificar su ciclo biológico como: haplonte, diplontes o diplohaplonte.

 

Haplontes. En este tipo de ciclo biológico el zigoto diploide originado por fecundación experimenta la meiosis (R!) y da lugar a cuatro células haploides o esporas asexuadas que se desarrollan dando origen a un individuo adulto haploide (n). Éste formará gametos sin mediar la meiosis. Se trata de un ciclo en el que la meiosis se encuentra inmediatamente después de la fecundación. Son haplontes algunas especies de algas, hongos y protistas. El ciclo más primitivo.

 



 



Diplontes. Con los diplontes sucede todo lo contrario ya que la meiosis (R!) no está después de la fecundación sino que la precede. El individuo adulto es diploide (2n) y sólo los gametos son haploides (n). Tienen un ciclo diplonte los animales y algunas especies de unicelulares, de algas y de hongos.

 

 

Diplohaplontes o haplodiploides. Del zigoto se desarrolla, como en los diplontes, una generación diploide en la que tiene lugar la meiosis (R!), no para producir gametos, sino para dar células haploides, esporas, cada una de las cuales desarrolla un organismo haploide productor de gametos.  En algunas especies, como Ulva lactuca, las generaciones haploide y diploide son morfológicamente semejantes. En otras, como ocurre con los musgos, helechos y plantas superiores, ambas generaciones presentan diferentes aspectos. Los ciclos diplohaplontes son característicos de la mayoría de los vegetales.

 






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