Apuntes Bio 02

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Biología - Plan Común

La célula como unidad funcional I Al término de esta lección podrás: Conocer las diferencias que existen entre los distintos tipos celulares. Comprender que la célula funciona coordinadamente y que cada parte de ella cumple un rol determinado y vital. Conocer la manera que tienen las células de transportar moléculas desde el interior al exterior y viceversa.

Introducción. La historia de la vida empieza con una unidad fundamental de pocos micrones de diámetro. Esta diminuta partícula de vida fue capaz en algún momento de establecer complejas interacciones con su entorno, con partículas similares, y con el paso del tiempo, llegó a establecerse con formas y funciones diferenciadas que en conjunto forman un todo, un ser vivo “superior” o más evolucionado. Esta partícula biológica fundamental, o más bien unidad fundamental, la llamamos célula. La historia de la célula comienza en 1665, con la obra de Robert Hooke, Micrographica, publicada en 1665. La palabra célula, proviene de la analogía que hizo Hooke de las células de corcho, que parecían “celdas”, nombre que recibían las pequeñas habitaciones de los monjes de la época. La figura muestra los dibujos que realizó Robert Hooke a partir de sus observaciones (puedes observar a tu derecha la ilustración que hizo Hooke de sus observaciones, observa que de verdad parecen celdas)

Lección 2

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1. Procariontes versus Eucariontes. Una de las cosas más importantes que debes saber es que los organismos vivos se pueden clasificar de acuerdo a las características de sus células. Existen fundamentalmente 2 grupos de seres vivos, los eucariontes, que son organismos que poseen un núcleo y organelos rodeados por membranas, y los procariontes, que carecen de núcleo y por lo general son de un tamaño mucho menor que los eucariontes.

Célula Procarionte

Célula Eucarionte

Los procariontes incluyen a bacterias y cianobacterias (bacterias fotosintéticas); poseen su material genético disperso en el citoplasma en varias regiones que son llamadas nucleoides, los cuales no están envueltos por membranas. Al igual que las células eucarióticas, los procariontes poseen una membrana plasmática que define el límite de la célula con su ambiente, pero no tienen sistemas de membranas internos distintivos. En algunos procariontes, la membrana plasmática se invagina y forma un sistema rudimentario de membranas donde ocurren reacciones de transformación de energía celular. Por último, algunos procariontes poseen pared celular, una envoltura externa rígida compuesta por aminoácidos, polisacáridos y lípidos, que les otorga protección y en algunos casos, patogenicidad. Entonces…

¿

Puedes enumerar las características de una célula procarionte

?

Los eucariontes son organismos que poseen núcleo, como mencionamos anteriormente. Las células eucariontes son en general más grandes que las células procariontes, y poseen su material genético reunido en un compartimiento subcelular específico: el núcleo. Esta cualidad es la principal diferencia entre procariontes y eucariontes. De hecho, la palabra Eucarionte significa literalmente “verdadero núcleo”. Además de núcleo, los eucariontes poseen organelos rodeados por membranas que se encuentran en el citoplasma. Cada uno de ellos cumple diversas funciones que detallaremos brevemente en la siguiente tabla. Lección 2

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Estructura

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Descripción

Función

Núcleo Celular Núcleo

Estructura grande rodeada por una doble membrana lipídica, contiene nucleolos y cromosomas.

Centro regulador de la célula.

Nucleolo

Cuerpo granular presente en el núcleo, compuesto de RNA y proteínas.

Sitio de síntesis del RNA ribosomal, ensamble de ribosomas.

Cromosomas

Compuestos de cromatina (complejo formado por DNA y proteínas). Se hacen visibles durante la división celular.

Contiene genes, las unidades de información heredable que rigen la estructura y procesos celulares.

Sistema Endomembranoso Membrana Plasmática

Bicapa de fosfolípidos, limita a las células vivas.

Envuelve el contenido celular, regula el tráfico de solutos hacia dentro y fuera de la célula; sitio de comunicación con otras células.

Retículo Endoplasmático

Red de membranas internas que se extienden en el citoplasma.

Síntesis de lípidos y muchas proteínas de las membranas, sitio de origen de vesículas de transporte intracelular.

Liso (REL)

No posee ribosomas en su superficie externa.

Biosíntesis de lípidos, detoxificación de medicamentos.

Rugoso (RER)

Posee ribosomas adheridos a su superficie externa.

Síntesis de proteínas que serán secretadas o incorporadas a membranas (proteínas de transmembrana)

Ribosomas

Gránulos compuestos de RNA y proteínas, sin membranas. Algunos se encuentran adheridos al RER y otros solubles en el citoplasma.

Síntesis de polipéptidos (proteínas).

Aparato de Golgi

Pilas de sacos membranosos aplastados.

Modificación post traduccional de proteínas, empaque de proteínas secretadas y clasificación de proteínas que se dirigirán a vacuolas u otros organelos.

Lisosomas

Sacos membranosos (en células animales).

Contienen enzimas que degradan materiales ingeridos y desechos celulares.

Vacuolas

Sacos membranosos (principalmente en plantas, hongos y algas).

Transporte y almacenamiento de materiales, desechos y agua.

Microcuerpos (Ej. Peroxisomas)

Sacos membranosos que poseen diversas enzimas.

Sitio de muchas reacciones metabólicas.

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Organelos transductores de energía Mitocondrias

Organelo compuesto de dos membranas. La membrana interna se pliega formando crestas.

Sitio de muchas reacciones de la respiración celular; transformación de la energía química de la glucosa o lípidos en energía almacenada en el ATP.

Cloroplastos

Organelo compuesto de dos membranas. La membrana externa envuelve a las membranas tilacoidales internas. Las membranas tilacoides contienen clorofila.

La clorofila capta la energía lumínica; se forman ATP y otros compuestos de alto contenido energético, utilizados posteriormente para convertir el CO2 en glucosa.

Citoesqueleto Microtúbulos

Tubos huecos compuestos de subunidades de tubulina.

Sostén estructural, participan en el movimiento de organelos y la división celular, componentes de cilios, flagelos y centríolos.

Centríolos

Pares de cilindros huecos consistentes en nueve tripletes de microtúbulos.

El huso mitótico se forma entre los centríolos durante la división de células animales. Ausente en plantas superiores.

Cilios

Proyecciones relativamente cortas, que se extienden desde la superficie de la célula cubiertas por la membrana plasmática. Se compone de dos microtúbulos centrales y nueve periféricos.

Movimiento de algunos organismos unicelulares, se utiliza para mover materiales en la superficie de algunos tejidos.

Flagelos

Proyecciones largas compuestas de dos microtúbulos centrales y nueve periféricos que se extienden desde la superficie de la célula.

Locomoción celular de espermatozoides y algunos organismos unicelulares.

Microfilamentos

Estructuras sólidas compuestas de actina.

Sostén estructural, participan en el movimiento de la célula y sus organelos, y en la división celular.

Para repasar la tabla anterior, puedes ver el siguiente video: http://www.youtube.com/watch?v=IKcK29LwY8g Video

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2. La Célula Eucarionte. Células eucariotas: http://www.youtube.com/watch?v=ZTRBNfBFGEk Video

Como has visto en el video, existen dos tipos principales de célula eucarionte (o eucariota): animal y vegetal. A continuación, se muestra la estructura de ambos tipos de células. Las células vegetales son ligeramente distintas a las células animales. En primer lugar, las células vegetales poseen una pared celular, compuesta del polisacárido celulosa (ver Lección 1), que le otorga al tejido vegetal importantes propiedades como rigidez y turgencia. Otra diferencia importante es la presencia de plastidios (cloroplastos), que son organelos de membrana doble encargados de las reacciones dependientes de luz en la fotosíntesis. Las células vegetales poseen una gran vacuola central, en la cual almacenan agua y desechos, así como también algunos pigmentos, y por último, carecen de centríolos. La célula animal no posee pared celular ni plastidios. En cambio si poseen centríolos, los cuales son conocidos también como Centro Organizador de Microtúbulos (TOC en inglés, o COT en español). Resume en un cuadro las diferencias entre células animales y vegetales. Hacer un dibujo te ayudará a la hora de entenderlas. ¡Estas diferencias son muy Atención importantes para la PSU! ¿Podrías hacerlo?

Célula Animal Lección 2

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Célula Vegetal Ya hemos conocido las diferencias entre células eucariontes y procariontes. Como te has dado cuenta, las células eucariontes son mucho más complejas que las células procariontes. A partir de ahora, nos centraremos exclusivamente en la célula eucarionte, analizando sus componentes principales.

2.1

El Núcleo.

El núcleo celular es el organelo más grande de la célula, con un diámetro promedio de 5 μm (puede leerse micrones, micras o micrómetros). En el núcleo se controlan las funciones primordiales de la célula y se almacena la información genética: el DNA. La envoltura nuclear se compone de dos membranas concéntricas, que limita el contenido nuclear y lo separa del resto del citoplasma. La membrana nuclear posee poros que permiten el paso selectivo de sustancias desde y hacia el núcleo. El mRNA atraviesa los poros nucleares para llegar al citoplasma por ejemplo. Casi todo el DNA se concentra en el núcleo, en donde se encuentra en un complejo de DNA y proteínas denominado cromatina, la cual se observa como una red irregular de gránulos y fibras en las células que no están en división. Al entrar en división celular la cromatina se compacta en estructuras tubulares que reciben el nombre de cromosomas. En el núcleo se encuentra otra estructura, la cual se tiñe de un color diferente a la cromatina: el nucleolo. El nucleolo es una estructura no limitada por membrana, lugar donde se ensamblan los ribosomas (estructuras pequeñas formadas por RNA y proteína, encargadas de la síntesis de proteínas). El RNA ribosómico se sintetiza en el nucleolo, y las proteínas ribosómicas en el citoplasma, desde donde pasan posteriormente al nucleolo. Una vez ensamblados los ribosomas, salen del núcleo por los poros nucleares y pasan al citoplasma, donde cumplen su función. Lección 2

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2.2

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El Retículo Endoplasmático.

El retículo endoplasmático es uno de los organelos más grandes de la célula, pudiendo ocupar un volumen importante del citoplasma. El RE consiste en una amplia red de compartimientos membranosos interconectados en el citoplasma, en forma de sacos aplanados. El espacio interno se denomina luz del RE. El RE tiene una función central en la síntesis y ensamble de las proteínas. Muchas proteínas son ensambladas y se destinan al citoplasma, otras en cambio se destinan a otros organelos o bien a la membrana plasmática. Estas proteínas se sintetizan en los ribosomas unidos a la membrana del retículo endoplasmático, desde donde pasan posteriormente a la luz del RE, donde suelen ser modificadas por enzimas que añaden carbohidratos o lípidos complejos. Otras enzimas en la luz del RE participan en el proceso de plegamiento de las proteínas para que asuman su conformación adecuada. Posteriormente las proteínas ya listas para llegar a su destino son transportadas en vesículas que se desprenden de la membrana del RE y luego se insertan en la membrana de destino. Se pueden distinguir dos regiones distintivas del RE, las cuales se encuentran conectadas y comparten sus espacios internos: El Retículo Endoplasmático Rugoso (RER) que tiene ribosomas adheridos. El Retículo Endoplasmático Liso (REL) más tubular, y carente de ribosomas en la superficie. El REL es el sitio principal del metabolismo de fosfolípidos, esteroides y ácidos grasos. Adicionalmente, en el REL se encuentran enzimas detoxificadoras que destruyen sustancias químicas dañinas y las convierten en productos hidrosolubles (solubles en agua) que se pueden excretar del cuerpo. En el hígado, donde existen células altamente especializadas en la eliminación de componentes tóxicos, encontramos tipos de células que tienen un gran REL, mientras que en otras células que tienen funciones distintas, podemos encontrar REL en cantidades más pequeñas.

2.3

Aparato de Golgi.

El controversial Aparato de Golgi (o Dictiosoma) fue descrito por primera vez en 1898 por el microscopista italiano Camilo Golgi. Aunque en un comienzo muchos biólogos de la época pensaron que no era real, incluyendo el célebre Santiago Ramón y Cajal, años después se confirmó que realmente existía y posteriormente se dilucidaron sus funciones principales. En muchas células, el aparato de Golgi se ve como una pila de sacos membranosos aplanados. Al igual que en el RE, el espacio interno del aparato de Golgi se denomina luz. A diferencia del RE, los compartimientos del Aparato de Golgi no tienen continuidad, de forma que se divide tradicionalmente en regiones: cis, media y trans. Lección 2

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A su paso por el aparato de Golgi, las proteínas sufren diversas modificaciones, que resultan en la formación de moléculas complejas. Es frecuente que se les añadan carbohidratos, o que éstos, ya agregados previamente (en el RE, por ejemplo), sufran modificaciones adicionales. En algunos casos, los carbohidratos y otras moléculas que se agregan a la proteína sirven como “señales de destinación” que permiten al complejo de Golgi enviar a la proteína a diferentes partes de la célula. En las células vegetales, el aparato de Golgi produce algunos polisacáridos extracelulares que se utilizan como componentes de la pared celular.

Ejercicio

¿Puedes describir aproximadamente qué camino toma una proteína que debe ser destinada a la membrana plasmática? Como ayuda, recuerda las funciones del RE. La respuesta será más clara con esta figura. Intenta explicarla:

2.4

Lisosomas.

Los lisosomas son pequeños sacos de una sola membrana que se encuentran llenos de enzimas digestivas, las cuales son capaces de digerir moléculas complejas, incluyendo lípidos, proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos. El pH interno del lisosoma es cercano a 5 (ácido), el cual es mantenido mediante transporte activo. Cuando una célula muere, las membranas de los lisosomas se rompen y se libera su contenido en el citoplasma. Este sistema de autodestrucción explica el deterioro rápido de muchas células después de la muerte.

2.5

Vacuola.

La presencia de lisosomas en células vegetales ha sido controversial. Si bien se han identificado en casi todos los tipos de células animales, muchas de sus funciones en las plantas se llevan a cabo en la vacuola, un gran saco membranoso (a menudo único) que se encuentra cercano al centro de la célula vegetal. La vacuola puede ocupar hasta el 90% del volumen de la célula vegetal, conteniendo agua, alimentos, pigmentos, sales y desechos. Las plantas no tienen sistemas metabólicos eficientes que les permitan eliminar sus desechos metabólicos, o productos tóxicos para la célula, de modo que son simplemente almacenados en la vacuola. Es Lección 2

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frecuente que estos productos cristalicen en el interior de la vacuola; si se observa al microscopio se pueden observar cristales en su interior. Otros organismos como los protozoos poseen también vacuolas, que pueden ser contráctiles (extraen agua en exceso de la célula) o bien digestivas (compartimientos donde los nutrientes se almacenan antes de ser digeridos por lisosomas).

2.6

Microcuerpos.

Dentro de los microcuerpos, el más importante es el peroxisoma. Al igual que los lisosomas, los peroxisomas son organelos pequeños que contienen diversas enzimas. Durante el metabolismo celular, se produce peróxido de hidrógeno (H2O2), el cual es tóxico para la célula. Las enzimas de los peroxisomas, catalasa y peroxidasa, catalizan la conversión del H2O2 en compuestos no tóxicos para la célula:

H2O2 + R'H2 → R' + 2H2O El glioxisoma es un organelo similar que se encuentra presente en células vegetales, el cual es capaz de convertir las grasas almacenadas en las semillas de las plantas en azúcares rápidamente asimilables. La planta utiliza estos azúcares durante la fase temprana de su crecimiento como fuente de energía y sustratos para la síntesis de otras sustancias.

2.7

Mitocondrias.

La mitocondria es uno de los principales organelos relacionados con el metabolismo energético en los organismos aeróbicos (que utilizan oxígeno). La mitocondria posee una estructura característica que la hace reconocible fácilmente. Es una estructura alargada, que posee dos membranas: una externa que delimita el entorno del organelo, y una interna, que posee una mayor superficie, y se pliega sobre sí misma formando las crestas mitocondriales. El espacio intermembranoso es el compartimiento que se forma entre la membrana externa y la interna; la matriz mitocondrial es el compartimiento rodeado por la membrana interna. La membrana externa es poco selectiva al paso de moléculas, sin embargo, la membrana interna es semipermeable, es decir, permite el paso de determinadas sustancias, regulando estrictamente el paso hacia la matriz. La matriz mitocondrial posee numerosas enzimas que se utilizan en la degradación de moléculas alimenticias, con el fin de obtener energía. En la membrana interna se encuentra un complejo enzimático y otras proteínas que participan en la transformación de la energía química de las moléculas nutritivas en energía química almacenable, en la forma de ATP.

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2.8

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Cloroplastos.

Los cloroplastos son organelos encargados de llevar a cabo un complejo grupo de reacciones dependientes de luz, denominadas en conjunto fotosíntesis. Los cloroplastos son estructuras complejas discoides, que al igual que la mitocontria, poseen una membrana interna y una externa. El espacio limitado por la membrana interna, denominado estroma, contiene enzimas de las que depende la producción de glucosa a partir de dióxido de carbono y agua, con uso de la energía luminosa proveniente del sol. La membrana interna posee un tercer sistema de membranas, consistente en un conjunto interconectado de sacos discoides aplanados, que reciben el nombre de tilacoides, dispuestos en aplanamientos sucesivos llamados grana.

2.9

Ribosomas.

Los ribosomas son los organelos donde ocurre la síntesis de proteínas celulares. Su número por célula varía, desde decenas de miles a varios millones. Cada ribosoma está formado de ARN ribosomal (rRNA) y proteínas ribosomales. El ribosoma funcional está formado por dos subunidades, una mayor y una menor, que difieren en su coeficiente de sedimentación. En eucariontes las unidades son 40S y 60S. El ribosoma completo tiene un valor de 80S. En los procariontes, las unidades son 30S y 50S. El ribosoma completo tiene un valor de 70S. En la célula el ribosoma puede estar soluble en el citoplasma (fuera del núcleo en eucariontes), o asociado al RER.

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2.10 Microtúbulos. Los microtúbulos son tubos huecos compuestos de subunidades de tubulina, una proteína dimérica (formada por 2 subunidades). En un microtúbulo se asocian 13 protofilamentos lineales que constituyen en conjunto las paredes del microtúbulo. Cada microtúbulo posee un extremo menos (-) que crece lentamente, y un extremo más (+) que crece a una velocidad mucho mayor. Son el principal componente del citoesqueleto de la célula eucarionte. Se extienden en dirección paralela a la membrana plasmática, otorgando a las células animales la capacidad de mantener su forma. También determinan la dirección del movimiento de los organelos dentro de la célula (Golgi, mitocondrias, peroxisomas, lisosomas), así como el crecimiento de prolongaciones citoplasmáticas en algunas células durante su desarrollo (por ejemplo, los axones neuronales durante el establecimiento de redes neuronales).

2.11 Microfilamentos. Son estructuras de origen proteico ubicadas en todo el espacio citoplasmático, de los cuales depende la generación de los movimientos intracelulares, y movimientos altamente especializados, como la contracción muscular.

2.12 Flagelos. Son estructuras no membranosas formadas por nueve duplas de protofilamentos, con dos microtúbulos centrales (9 x 2 + 2). Los flagelos se componen de una proteína especial, la flagelina, que tiene un menor peso molecular y se estructura en una fibra única, sin formar el cilindro que se observa en los microtúbulos.

2.13 Centríolos. Son componentes no membranosos presentes particularmente en células animales, adyacentes al núcleo celular. Cada centríolo es un cilindro vacío de 150 nm de diámetro y 300 nm de longitud, compuesto de nueve tripletes de microtúbulos (9 x 3 + 0).

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Paso de leucocitos a través de paredes de vasos sanguíneos: www.youtube.com/watch?v=fQ6AD1lni28 Video

3. Transporte. La membrana plasmática es impermeable a moléculas hidrofílicas como los hidratos de Carbono, aminoácidos, proteínas o ácidos nucleicos. Por otra parte, la membrana es permeable a moléculas hidrofóbicas como los lípidos, y a moléculas pequeñas como los gases. También es parcialmente permeable al agua. La membrana debe permitir la entrada de nutrientes en la célula y la salida de productos de desecho. También debe transmitir a la célula las señales que proceden del exterior de la misma. Por eso en la membrana existen transportadores y receptores, y ambos son proteínas de membrana. Existen Diversos tipos de transporte a través de la membrana, que podemos dividir en dos grupos: pasivo y activo.

3.1 Transporte Pasivo. El transporte pasivo se realiza a favor del gradiente de concentración o de potencial electroquímico, y no necesita aporte externo de energía. Cuando decimos que es a favor del gradiente, decimos que es de una zona de mayor concentración o potencial, a una de menor concentración o potencial. Existen varios tipos de transporte pasivo: Difusión Facilitada

Canales

Ciertos nutrientes como la glucosa o los aminoácidos Son proteínas que tienen en su entran en la célula a favor del gradiente de interior un poro a través del cual concentración, pero precisan un transportador que pueden pasar iones o moléculas. les facilite el paso a través de la membrana.

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3.2 Transporte Activo. Se realiza en contra del gradiente de concentración o de potencial electroquímico y precisa aporte externo de energía. 3.2.1 Transporte activo primario Utiliza la energía del ATP.

Bomba de Na+-K+: Transporta sodio al exterior de la célula y potasio al interior en contra de potencial electroquímico.

Bomba de Ca+2: Transporta calcio al exterior de la célula.

3.2.2 Transporte activo secundario, transporte acoplado o cotransporte. Transporta dos o más moléculas, una de las cuales se mueve a favor de su gradiente de concentración o potencial electroquímico, y la otra (u otras) en contra. La que se mueve a favor de su gradiente de concentración o potencial electroquímico suministra la energía para transportar la otra (u otras) en contra del mismo. Las moléculas se pueden transportar en la misma dirección o en dirección contraria. Intercambiador Na+-Ca+2: En muchas células existe un transportador que introduce sodio en la célula a favor de potencial electroquímico y extrae calcio en contra.

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Cotransporte de Na+-glucosa: En las células de la pared del intestino existe un transportador que introduce sodio en la célula a favor del potencial electroquímico, e introduce glucosa en la célula en contra del gradiente de concentración.

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Para recordar estos conceptos, puedes ayudarte de la siguiente figura:

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