Nivel de organizacion celular




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Sector de Ciencias Naturales

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NIVEL DE ORGANIZACION CELULAR

1. Teoría celular

El primer nivel autónomo de organización de la materia está representado por la célula, pequeña masa de materia viva capaz de vivir como organismo libre o de asociarse con otras unidades similares para formar un organismo multicelular. De acuerdo con la denominada teoría celular formulada en el siglo pasado (1839) por el botánico Mathias Schleiden y el zoólogo Theodor Schwann y complementada posteriormente por el médico Rudolf Virchow y otros investigadores, la célula es considerada como:
a. la unidad estructural, pues todos los organismos, tanto animales como vegetales, están formados por células y productos celulares.

b. la unidad funcional, pues en todos los tipos de célula, la composición química y los procesos metabólicos son similares. La célula puede desarrollar su actividad en forma individual (organismos unicelulares) o asociarse a otras células, interactuando y complementándose para construir organismos multicelulares.

c. la unidad de origen, pues toda célula se origina a partir de otra célula.

d. la unidad bioquímica, pues la célula posee la maquinaría bioquímica que le permite autocopiar su información genética y a través de ello, controlar la biosíntesis de las macromoléculas que participan en su estructura y funcionamiento.
2. Estructura básica de la célula

La célula representa la unidad básica de organización de los seres vivos, tanto en lo morfológico como en lo funcional. De otra forma, todos los seres vivos están constituidos por una o más células en las que ocurren los procesos metabólicos que permiten la mantención y autoperpetuación del organismo.

En toda célula es posible diferenciar:

  • Una membrana plasmática, que la limita de otras unidades similares y que controla el intercambio de materiales con el medio.

  • Una matriz coloidal o citoplasma, en la que pueden encontrarse variadas estructuras subcelulares u organelos encargados de la realización de diversos procesos metabólicos y biosintéticos. Algunos de estos organelos son: ribosomas, lisosomas, retículo endoplásmico, complejo de Golgi, cloroplastos, mitocondrias, etc.

  • Un material genético constituido por ácido desoxirribonucleico (ADN), que controla la reproducción y el metabolismo celular y que puede estar rodeado por una membrana limitante (envoltura nuclear), formando un núcleo.


2.1. Membrana plasmática

La membrana plasmática es una estructura superficial limitante, que da individualidad a la célula, separándola del medio externo o de otras unidades similares.

La membrana plasmática de las células animales y vegetales está formada por lípidos y proteínas, además de una pequeña cantidad de carbohidratos. Los principales lípidos de la membrana son fosfolípidos, que se disponen formando una doble capa. Cubriendo a la bicapa e inmersas en ella se encuentran distintos tipos de proteínas que, al igual que los lípidos, pueden desplazarse o cambiar de lugar en la estructura que forman. Esta última característica, junto a la disposición de las cabezas de los fosfolípidos y las proteínas que asoman por la superficie explican que a este modelo de membrana se le llame “mosaico fluido”.

La bicapa lipídica se forma espontáneamente y además se autorrepara, de modo que al hacerse un agujero en la bicapa, ésta se sella por sí misma.

Las proteínas de la membrana cumplen distintas funciones: constituir sistemas enzimáticos, actuar como moléculas receptoras y transmitir mensajes al interior de la célula, posibilitar el traslado de materiales a través de la membrana. Los carbohidratos se encuentran en la superficie externa de la membrana, contribuyendo a la recepción de mensajes y al reconocimiento de células similares para formar tejidos.

En resumen, las funciones de la membrana plasmática pueden ser:

  • participar en procesos de reconocimiento celular.

  • participar en la determinación de la forma celular.

  • recibir información externa y transmitirla al interior celular.

  • regular el movimiento de materiales entre los medios intra y extracelular y mantener la concentración óptima para llevar a cabo los procesos celulares.


La superficie celular posee una serie de especializaciones o diferenciaciones que se relacionan con funciones tales como la absorción, secreción, transporte de líquidos y otros procesos fisiológicos. Algunas de estas diferenciaciones:

Microvellosidades: proyecciones de la membrana que aumentan la superficie de absorción de materiales; se encuentran en gran cantidad en células de los riñones y del intestino.

Nexos: pequeños canales proteicos que se extienden entre las membranas de células adyacentes conectando sus citoplasmas y permitiendo el intercambio directo de algunos materiales; se encuentran en células nerviosas y músculos.

Desmosomas: estructuras que aumentan la adherencia entre membranas de células adyacentes; abundan en células de tejidos sometidos a elevada tensión mecánica como piel, útero y corazón.

Uniones estrechas: zonas de fusión de membranas de células adyacentes que actúan como barreras a la difusión de materiales entre los espacios intercelulares; se encuentran en las paredes de los capilares cerebrales, en ciertas células del testículo, en las células de las vellosidades intestinales, etc.
Las membranas plasmáticas de células animales y vegetales están cubiertas por distintos tipos de sustancias extracelulares que pueden considerarse productos de secreción de la célula que se incorporan a su superficie y que se encuentran en permanente renovación. Una de estas cubiertas es la pared celular de las células vegetales que forma una especie de exoesqueleto que da la protección y sustentación mecánica a la célula.

Los componentes biológicos que componen la membrana plasmática intervienen en la regulación del ingreso y la salida de distintas sustancias químicas. Los compuestos pequeños, como el agua, pueden ser transportados por mecanismos diferentes. A continuación nos ocuparemos del transporte de moléculas pequeñas y, posteriormente, de las macromoléculas y partículas grandes.

Los fosfolípidos de la membrana restringen el ingreso y salida de las sustancias polares (o sea, con un lado positivo y otro negativo). Los investigadores han podido definir que la membrana tiene una permeabilidad selectiva, es decir, permite el movimiento de algunas sustancias e impide el de otras. Por esta razón se dice que es una membrana semipermeable. Los factores que determinan la selectividad son el tamaño, polaridad y concentración de la sustancia que se debe transportar. Las moléculas más pequeñas, apolares y que se encuentran en elevada concentración en el exterior de la célula: oxígeno y nitrógeno, ingresan con mayor facilidad que las de tamaño semejante pero polares sin carga, como agua, urea, CO2 o glicerol, y éstas, a su vez, lo hacen más rápido que moléculas grandes como glucosa y sacarosa y éstas a su vez, más que los átomos con carga eléctrica (iones) como sodio, potasio, cloro y calcio.

El agua es una excepción a este respecto; aunque es una molécula insoluble en lípidos, atraviesa la membrana con gran facilidad. La explicación de este hecho tiene que ver con su reducido volumen molecular y con la ausencia de carga eléctrica.

2.2. Citoplasma

Rodeada por la membrana plasmática se encuentra una región semilíquida, el citoplasma, en la que tienen lugar la mayor parte de las reacciones químicas relacionadas con la fabricación y degradación de moléculas orgánicas. En el citoplasma es posible distinguir: citosol, citoesqueleto, inclusiones y una gran variedad de organelos u organoides.
Citosol

El citosol constituye el medio interno 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, ácidos nucleicos (del tipo ARN), proteínas estructurales, etc.
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. Los principales tipos de filamentos citoesqueléticos son:

Microtúbulos, de 25 m de diámetro, están formados por la proteína tubulina.

Filamentos intermedios, de 8 -10 m de diámetro, por ejemplo, la miosina.

Microfilamentos de actina, de 6 m de diámetro.

Otras funciones de los componentes del citoesqueleto son:

  • actuar como un sistema de transporte de materiales en el interior celular.

  • formar cilios (mediante microfilamentos) y flagelos (en base a microtúbulos), que participan en el movimiento celular.

  • posibilitar el movimiento de los cromosomas por el citoplasma durante la reproducción celular y la división del citoplasma al término de ésta.

  • permitir actividades mecánicas tales como la ocurrencia de movimiento o corrientes citoplasmáticas y el movimiento de células animales mediante la emisión de seudópodos (movimiento ameboide).


Inclusiones

Corresponde a diversos tipos de sustancias que se almacenan en el citoplasma por un tiempo variable y que en gran parte son elaborados por la propia célula. Estos productos, encontrados en cantidades variables, pueden presentarse como gotas de grasas, cristales, pigmentos, gránulos (glicógeno y almidón).


Organelos citoplasmáticos

Son estructuras subcelulares de carácter permanente, cada una de las cuales posee una morfología, composición química y función definidas. Figuran entre ellas: mitocondrias, cloroplastos, lisosomas, ribosomas, retículo endoplásmico, complejo de Golgi, peroxisomas, centriolos, vacuolas.

Existen organelos que carecen de membranas limitantes (centriolos, ribosomas), pero la mayoría posee una o dos membranas envolventes que separan su contenido del citoplasma circundante para formar compartimentos intracelulares separados (lisosomas, mitocondrias). Algunos organelos forman un extenso sistema de endomembranas (membranas internas) que ocupan gran parte del volumen citoplasmático (complejo de Golgi, retículos endoplásmicos, envoltura nuclear). La presencia de membranas intracelulares divide la célula en compartimientos funcionalmente distintos, aumenta la superficie interna celular y proporciona un medio de sustentación mecánica para la estructura del citoplasma.
Retículo Endoplásmico

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. En las células existen dos tipos de retículo:

Rugoso (RER): posee membranas cubiertas en su superficie externa por ribosomas. Como la función de los ribosomas es la síntesis de proteínas, el RER abunda en aquellas células que fabrican grandes cantidades de proteínas. La función del RER es fundamentalmente almacenar las proteínas fabricadas en los ribosomas.

Liso (REL): no posee ribosomas en su superficie. Participa en funciones como: síntesis de lípidos, como esteroides, fosfolípidos y triglicéridos; detoxificación de materiales nocivos que penetran en las células, especialmente en el hígado.
Complejo de Golgi

Es un componente del sistema de endomembranas constituido por sacos aplanados o cisternas, túbulos, vesículas y vacuolas. 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. Es un organelo de funciones múltiples:

  • posibilita la circulación intracelular de materiales sintetizados en las porciones lisa y rugosa del retículo.

  • sintetiza moléculas que forman parte de cubiertas celulares (celulosa) o de membranas celulares (glicolípidos y glicoproteínas).

  • participa en la formación de lisosomas que contienen enzimas digestivas, así como del acrosoma, estructura del espermio que posibilita su penetración al óvulo.


Ribosomas

Son organelos corpusculares relacionados con la síntesis de proteínas. Pueden encontrarse libres en el citosol o adheridos a la superficie del RER. Los ribosomas libres sintetizan proteínas de uso interno, en tanto que los ribosomas adheridos a las membranas reticulares sintetizan proteínas lisosómicas (enzimas) y de secreción.

Lisosomas

Son organelos presentes en células animales y vegetales provistos de una membrana limitante que encierra gran cantidad de enzimas hidrolíticas que degradan materiales provenientes del exterior o de la misma célula. La membrana lisosómica es resistente a las enzimas que contiene y protege de la autodestrucción a la célula. La función lisosómica se traduce en:

  • digerir alimentos y otros materiales incorporados a la célula; esto permite a ciertos tipos celulares que se alimentan de gérmenes (glóbulos blancos), desempeñar un importante papel en el defensa orgánica.

  • digerir restos de membranas celulares mediante un proceso denominado autofagia. Esta función permite la renovación y el recambio de componentes celulares en células lesionadas o que envejecen.

  • digerir material extracelular mediante la liberación de enzimas en el medio circundante; así ocurre la digestión de los alimentos en el tubo digestivo, la remodelación del hueso formado y la penetración del espermio en la fecundación.


Peroxisomas

Son organelos similares a los lisosomas, muy abundantes en ciertas células del riñón y del hígado, y que se forman en el retículo endoplásmico. En las células vegetales contienen algunas enzimas que convierten grasas y aceites en carbohidratos. En las células animales contienen enzimas oxidativas que intervienen en la producción y degradación del peróxido de hidrógeno (agua oxigenada), cumpliendo un rol detoxificador.
Centriolo

Es un organelo presente sólo en células animales y en algunas plantas primitivas. Cuando no está reproduciéndose, la célula posee dos centriolos dispuestos perpendicularmente entre sí. Cada uno de ellos está formado por un conjunto de microtúbulos dispuestos en forma radial. El centriolo organiza una estructura denominada huso acromático, que durante la división celular orienta el movimiento de los cromosomas por el citoplasma. Además, origina el cuerpo basal, estructura que a su vez da origen a los cilios y los flagelos.

Vacuolas

Son vesículas intracelulares especialmente desarrolladas en la célula vegetal donde ocupan cerca del 90% del volumen celular, desplazando el citoplasma hacia la periferia. En la célula participan en el almacenamiento de sustancias nutritivas, de desecho o en proceso de digestión y en la regulación de la cantidad de agua que ingresa o sale de la célula.
Plástidos

Son organelos de forma generalmente elíptica, relacionados con los procesos bioquímicos de las células vegetales. Almacenan pigmentos y además tienen la capacidad de sintetizar y acumular sustancias de reserva como almidón, lípidos y proteínas. Según posean o carezcan de pigmentos, se les clasifica como:

Leucoplastos: carecen de pigmentos y abundan en tejidos de almacenamiento como tallos y raíces. Almacenan lípidos, proteínas y almidón.

Clomoplastos: contienen diversos tipos de pigmentos responsables del color de las distintas estructuras vegetales. Entre ellos se destacan los cloroplastos, organelos de doble membrana que contienen el pigmento clorofila y un conjunto de enzimas que posibilitan la realización de la fotosíntesis, proceso por el cual las células vegetales sintetizan sustancias orgánicas utilizando como fuente energética la luz solar.
Mitocondrias

Son organelos de forma esférica o elíptica, que se encuentran de manera constante en las células animales y vegetales, pero cuyo número varía de acuerdo a la actividad celular, siendo más elevado en aquellas células que tienen mucho gasto de energía.

Las mitocondrias son organelos dotados con una doble membrana que limita un compartimento en el que se encuentran diversas enzimas que controlan el proceso de la respiración celular. En este proceso, la energía química almacenada en las moléculas orgánicas (como la glucosa) es liberada gradualmente en reacciones que ocurren tanto en el citosol como en el interior de las mitocondrias.

2.3. Núcleo

El núcleo es una estructura que se presenta en todo tipo de célula, excepto en las bacterias y cianobacteias. 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.

El núcleo cumple dos funciones fundamentales:

  • controla la herencia y la reproducción celular.

  • actúa como regulados de la mayor parte de la actividad citoplasmática.


En el estado de reposo divisional o interfase, el núcleo está constituido por una envoltura nuclear o carioteca, el material genético o cromatina y uno o más nucléolos. Tanto la cromatina como el nucléolo están incluidos en un medio semilíquido llamado jugo nuclear o carioplasma. Durante la división celular se pierde esta organización, ya que desaparece la carioteca y el nucléolo, en tanto la cromatina se condensa y forma a los cromosomas.
Envoltura nuclear

La envoltura nuclear o carioteca es una doble membrana provista de poros que separa el material cromosómico del medio citoplasmático. Forma parte del sistema de endomembranas presentando continuidad con el retículo endoplásmico.

La superficie externa de la carioteca suele presentar ribosomas adheridos, mientras que a la superficie interna se adosan gránulos de cromatina. A través de los poros de la envoltura se mantiene un intercambio permanente de materiales entre el carioplasma y el citoplasma.

Cromatina y cromosomas

En el núcleo interfásico el material genético forma una red de gránulos y filamentos denominada cromatina, constituida por el ADN y las proteínas. Durante la interfase o etapa de reposo divisional, la cromatina se duplica y luego se condensa para formar los cromosomas, que actúan como portadores de la información hereditaria.

Cada cromosoma está formado por dos brazos en cuyo punto de unión existe una estructura llamada centrómero a la que se fijan las fibras de los microtúbulos del huso acromático durante la división celular. Por otra parte, el centrómero mantiene temporalmente unidas las cromátidas o duplicados cromosómicos que resultan de la replicación de la cromatina en la interfase celular.
Nucléolo

Es una estructura intranuclear desprovista de membrana y presente únicamente en la interfase celular. Alcanza su mayor desarrollo, en cuanto a tamaño y cantidad, en células que sintetizan activamente proteínas. En el nucleolo se sintetiza ARN y además se constituyen los ribosomas que luego se desplazan hasta el citosol y/o RER.

Actividades:

1. De acuerdo a las funciones descritas para cada una de las partes de la célula, deduzca la relación funcional que existe entre las siguientes estructuras:


a. Citoesqueleto y centriolos

e. Centriolos y Núcleo

b. Núcleo y RER

f. RER y Golgi

c. Golgi y Lisosomas

g. Lisosomas y vacuolas

d. Vacuolas y cloroplastos

h. Cloroplastos y mitocondrias


Ejemplo: El REL se relaciona con los peroxisomas en que el REL fabrica lípidos y los peroxisomas están encargados de degradar lípidos.
2. Proponga al menos tres nuevas relaciones funcionales, distintas a las sugeridas antes.
3. Realize un dibujo esquemático en que se relacione la estructura y la función del núcleo, RER, REL, Golgi y vesículas de secreción.
4. Realize una lista de todos los términos y/o procesos que le quedaron poco claros tras leer los apuntes, para luego consultarlos en clase.
5. Redacte tres preguntas que le parezcan interesantes sobre la estructura o la función de la célula (pero que no puedan ser contestadas con los apuntes).



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