01 a-biología común-teoría ceclular y membrana

PSU Ciencias – Biología Común

I. ORGANIZACIÓN, ESTRUCTURA Y ACTIVIDAD CELULAR

1. UNIDAD: LA CÉLULA COMO UNIDAD FUNCIONAL

A. TEORÍA CELULAR Y MEMBRANA

PLASMÁTICA


INTRODUCCIÓN La biología como ciencia es la encargada de describir, explicar y predecir los fenómenos relacionados con la vida. Su objeto de estudio es lo que llamamos “vivo”. Su nombre proviene del griego bios, que significa “vida” y logos, que significa “estudio”.

La Biología se utiliza en varios campos del conocimiento, tales como medicina, industria, agricultura y ganadería, medio ambiente, etc.

A si mismo, se une con otras ciencias como la bioquímica y biofísica. De estas asociaciones surge uno de los principios fundamentales de la biología: los seres vivos obedecen a las leyes de la física y química. ¿Pero porqué es considerada una ciencia?

Lo es, porque su finalidad es el estudio razonado de la materia; en este caso de la materia viva. La ciencia necesita de la materia para desarrollarse y avanzar. Cuando no hay nada que pensar, medir, observar, etc, no hay lugar para la ciencia.

La ciencia biológica, presenta una serie de ramas, como puede verse en la siguiente tabla:

PRINCIPALES RAMAS DE LA BIOLOGÍA

Rama Objeto de estudio Rama Objeto de estudio

Anatomía Estructura de los organismos Biofísica Procesos físicos en los seres vivos

Organografía Constitución de los organismos

Genética Herencia de los caracteres

Fisiología Funciones de los seres vivos Genética de poblaciones

Herencia de los caracteres de una población

Citología Estructura y funciones de las células

Filogenia Relaciones evolutivas entre los seres vivos

Histología Estructura y funciones de los tejidos

Paleontología Restos de vida en el pasado

Microbiología Seres microscópicos Embriología Desarrollo de los óvulos fecundados

Botánica Plantas Etología Comportamiento de los animales

Zoología Animales Ecología Ecosistemas

Virología Virus Taxonomía Nomenclatura de los seres vivos

Bioquímica Composición química de la materia

Vamos a considerar a un ser vivo, a aquel ser que tiene algunas características que lo diferencian del mundo inerte. Los científicos han reconocido a un conjunto de características que sólo se dan en cada una de las formas de vida conocidas en nuestro planeta; desde las más simples, como las bacterias, hasta las más complejas como la del ser humano. 1. Organización estructural. Los seres vivos presentan un conjunto de estructuras que les permiten

alimentarse, reproducirse o moverse de un lugar a otro. Estas estructuras se organizan en un orden perfecto que permite el desarrollo de sus funciones vitales. Algunas de ellas son: digestión, excreción, nutrición y respiración.


2. Irritabilidad. Una característica inherente a todo ser vivo es la capacidad de responder a estímulos que provienen del ambiente. Gracias a esta capacidad, los organismos pueden escapar ante un enemigo natural o capturar una presa para alimentarse.

3. Metabolismo. Los seres vivos requieren de energía para poder realizar sus funciones vitales. El

metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en el organismo, cuyo objetivo es obtener y utilizar la energía contenida en los nutrientes.

4. Excreción. Como resultado de las funciones vitales de los organismos, se generan productos de

desecho que resultan nocivos. La excreción consiste en la eliminación de todos estos restos no utilizables por ser dañinos para el organismo.

5. Movimiento. Tal vez sea una de las características más evidentes en los seres vivos. Plantas y

animales son capaces de generar movimiento. Las primeras, cuando sus tallos, hojas y flores siguen la trayectoria del Sol; los segundos, al desplazarse de un lugar a otro en busca de alimento.

6. Crecimiento. Todos los organismos vivos aumentan de tamaño durante el transcurso de su vida.

Este fenómeno se denomina crecimiento. El crecimiento puede darse durante toda la vida del organismo, como ocurre en las plantas, o encontrarse restringida a ciertas etapas de la vida, como es el caso de la mayor parte de los animales.

7. Adaptación. Los seres vivos poseen la capacidad de acomodarse a los requerimientos que les

impone el ambiente, es decir, se adaptan. Se entiende por adaptación cualquier cambio en la estructura, funcionamiento o conducta de estos seres que favorece la supervivencia.

8. Reproducción. Esta característica permite la continuidad de las especies en el planeta. Se define

como la capacidad que tiene todo ser vivo para dejar descendencia fértil, es decir, extender la vida en el tiempo y en el espacio.

PROPIEDADES EMERGENTES La organización biológica es jerárquica. Esto quiere decir, que los organismos y el medio en que se desenvuelven están formados por los mismos componentes de la materia inanimada o inerte. Por lo tanto es posible reconocer niveles de organización de la materia, desde los inferiores, que son más sencillos, hasta los superiores, más complejos.

A lo anterior, se le conoce como propiedades emergentes: cada nivel de organismos superiores envuelve a cada uno de los niveles inferiores.

En el medio ambiente que nos rodea reconocemos seres vivos (factores bióticos) y materia inerte (factores abióticos), los que tienen diferentes grados de complejidad. Veamos cuales son cada una de ellas:

1. Átomo. Los científicos establecen que el tamaño de un átomo de hidrógeno, el más pequeño de todos, es de aproximadamente 0.00000001 cm., es decir, una 20 millones de veces más pequeña que la cabeza de un alfiler.

Hay gran cantidad de átomos que tienen importancia para los seres vivos. Por ejemplo, el Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxigeno (O) y el Nitrógeno (N) representan más del 99% del peso de cada una de las miles de células que las contienen.

2. Molécula. Este nivel de organización esta formado por la unión de dos o más átomos iguales o diferentes. Por ejemplo, el agua resulta de la unión de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, siendo su formula H2O.


Los biólogos denominan biomoléculas a las que cumplen funciones importantes en el organismo. Algunos ejemplos son: agua, dióxido de carbono, aminoácidos, azucares simples o monosacáridos, ácidos grasos y nucleótidos.

3. Macromoléculas. El aumento en complejidad de este nivel de organización se expresa cuantitativamente por el tamaño de sus componentes. Si bien las macromoléculas siguen siendo microscópicas, sus dimensiones son dos a diez veces mayores que las biomoléculas. Ejemplos de macromoléculas son: proteínas, lípidos, hidratos de carbono y ácidos nucleicos.

4. Complejos supramoleculares. El nombre de este nivel pone de relieve que sus componentes son más complejos que el nivel macromolecular (supra = más allá de). De hecho, su tamaño es de unas tres a diez veces mayor que las macromoléculas.

Los complejos supramoleculares surgen como resultado de la interacción establecida por diferentes macromoléculas. Algunos ejemplos de estos complejos son: ribosomas, membranas biológicas y cromosomas.

5. Organelos. Los organelos son la base del funcionamiento de la célula. Uno de ellos, el núcleo, es responsable del almacenamiento de la información genética que se transmite a las células hijas con un notable grado de fidelidad.

Otros son las mitocondrias y los lisosomas son responsables de producir la energía necesaria para el funcionamiento celular y de digerir las sustancias que ingresan a la célula, respectivamente.

Los cloroplastos que se encuentran sólo en las células vegetales, son otro ejemplo de organelo clave en el metabolismo celular. El funcionamiento coordinado de todos los organelos permite la sobrevivencia de la célula.

6. Célula. Todo ser vivo esta formado por una o más células y sus funciones se realizan, en último término, a nivel celular. La célula es la unidad básica de la vida.

Se reconocen dos tipos de células, según si presentan o no núcleo organizado: procariontes y eucariontes.

7. Tejidos. Los organismos pluricelulares pueden realizar una gran cantidad de funciones vitales. Estas requieren de un soporte estructural complejo, que se constituye de la interacción coordinada de diferentes tipos celulares: así nacen los tejidos. Existen varios tipos de tejidos. En los animales destacan el tejido nervioso, sanguíneo y muscular entre otros.

En las plantas se reconocen los tejidos fotosintéticos, presente en la hoja y tallos verdes; los conductores que recorren toda la planta para transportar agua y sal y los de sostén, que dan soporte estructural a la planta.


8. Órganos. Los órganos son un nivel de organización superior al de los tejidos. Resultan de una compleja estructuración que exige la participación de diferentes tejidos. Son órganos vitales el cerebro, los pulmones, los riñones, el hígado etc. Cuyas funciones aunque muy específicas, se interrelacionan perfectamente para responder como un todo armónico a las exigencias que impone el medio ambiente.

9. Sistemas. Un sistema se define como el conjunto de componentes que, realizando funciones diferentes entre sí, se articulan en torno a una función común.

El nivel de organización de sistemas incluye un conjunto de órganos cuyas funciones se complementan para posibilitar la sobrevivencia exitosa del organismo. Algunos ejemplos de sistemas son el digestivo, respiratorio, circulatorio, excretor, esquelético, reproductor, endocrino y nervioso.

10. Organismo. El nivel de organismo corresponde a lo que se denomina ser vivo, ya sean bacterias, protozoos, plantas, hongos o animales. El organismo se constituye en el objeto de estudio de las disciplinas biológicas, como por ejemplo: anatomía, genética o ecología.

Es en el organismo donde adquiere sentido el funcionamiento de las células, tejidos, órganos, sistemas, al hacer posible el desarrollo del proceso más asombroso jamás estudiado: la vida.

11. Poblaciones. En la naturaleza, los seres vivos se organizan en grupos; en un nivel de mayor complejidad denominado población. Los organismos son la base de este nivel de organización. Las poblaciones biológicas son agrupaciones de organismos que comparten un espacio y un tiempo determinado. Presentan la capacidad de reproducirse entre sí para generar descendencia fértil.

12. Comunidades. Las poblaciones, formadas por organismos de diferentes especies, se relacionan entre sí para compartir un espacio donde vivir o hábitat, establecer relaciones de alimentación, etc. El conjunto de poblaciones interactuando en su medio ambiente permite definir el nivel organizacional de comunidad.


Las comunidades corresponden al nivel de organización donde se establece la interacción entre miembros de poblaciones diferentes, en tiempo y espacio determinado.

13. Ecosistema. Los ecosistemas son el nivel de organización constituido por los diferentes grupos de seres vivos, la interacción que ellos establecen y los factores abióticos del medio ambiente. Este hecho tiene dos consecuencias altamente importantes: la primera es que la interacción en todas sus formas, establecida por los diferentes organismos, determina el flujo de la energía a través de los factores bióticos del ecosistema. La segunda consecuencia de lo anterior, que la materia circula entre los seres vivos describiendo los llamados ciclos de la materia.

14. Biosfera. La biosfera constituye el último nivel de organización reconocido por los científicos. Incluye todos los ecosistemas de nuestro planeta y las interrelaciones que se establecen entre ellos.

Los ecólogos estiman que sus límites alcanzan hasta unos 8 ó 10 Kilómetros por sobre el nivel del mar, mientras que su profundidad es de varios metros debajo del suelo, hasta donde es posible encontrar raíces y microorganismos.

EL PROBLEMA DE LOS REINOS

Vamos entender, que Reino es cada una de las grandes subdivisiones en que se consideran distribuidos los seres naturales, por razón de sus caracteres comunes.

Clasificar a la materia viva, no ha sido un problema de fácil solución a través de la historia de las ciencias naturales.

La primera organización en reinos se debe a Aristóteles, que diferencia todas las entidades de la naturaleza en los conocidos reinos animal, vegetal y mineral. En la actualidad, casi todas las clasificaciones dejan a un lado a los minerales… En biología, la clasificación en reinos se limita a los seres vivos.

Tradicionalmente, se nos enseñado a que los seres vivos se pueden clasificar en cinco reinos: Monera, Protista, Fungi, Plantae y Animalia.

Sin embargo, actualmente este sistema de cinco reinos se cree desfasado. Entre las ideas más modernas, generalmente se acepta el sistema de tres dominios:

Archaea (originalmente Archaebacteria) Bacteria (originalmente Eubacteria) Eucariota


Estos ámbitos reflejan si las células poseen núcleo o no, así como las diferencias en el exterior de las células.

Hay también una serie de “parásitos” intracelulares que, en términos de actividad metabólica son cada vez menos vivos:

Virus Viroides Priones

El reciente descubrimiento de una nueva clase de virus, denominado Mimivirus, ha causado que se proponga la existencia de un cuarto dominio debido a sus características particulares, en el que por ahora solo estaría incluido ese organismo.

Una comparación de los sistemas de clasificación en reinos biológicos a través de la historia de la biología se presenta en la siguiente tabla:

Haeckel (1894) Tres reinos

Whittaker (1969) Cinco reinos

Woese (1977) Seis reinos

Woese (1990) Tres dominios

Protista

Monera Eubacteria Bacteria

Archaebacteria Archaea

Plantae

Protista Protista

Eukarya Fungi Fungi

Plantae Plantae

Animalia Animalia Animalia

El nivel de Reino era hasta hace poco el nivel superior de la clasificación biológica. En las clasificaciones modernas el nivel superior es el Dominio. Cada uno de los Dominios se subdivide en Reinos, los Reinos a su vez pueden organizarse en Subreinos, etc.


LA BIOLOGÍA CELULAR: EL ORIGEN DE LA VIDA

La palabra “célula” se empezó a usar en un sentido biológico hace unos tres siglos. El concepto célula como unidad funcional de los organismos surgió, entre los años 1830 y 1880. El problema de la organización básica de la materia viva había tenido siempre una gran importancia, pero los avances en las investigaciones se vieron seriamente retrasados por las interpretaciones de los primeros microscopios ópticos. El primer microscopio fue inventado en el siglo XVI, alrededor de 1590, por los hermanos Hans y Zacharias Jensen. Hacia el año 1830 se fabricaron microscopios altamente perfeccionados y entonces surgieron rápidos progresos en la nueva ciencia de la biología celular.

En líneas generales éstos adelantos incluyen las siguientes generalizaciones:

a) La unidad estructural de los organismos vivos es la célula. b) Las células se originan únicamente por división de otras células preexistentes. El primer acontecimiento importante en la biología celular tuvo lugar cuando Hooke Robert describió por primera vez células en su Micrographia, publicada en 1665.

Poco después que Hooke escribiera su micrographia, se escribieron otros hallazgos de las investigaciones sobre la estructura fina de las plantas y animales.

Las más importantes fueron hechas por otro inglés, Nehemiah Grew, y un holandés, Anton Van Leeuwenhoeck.

Grew, contemporáneo de Hooke y su sucesor estudió también la estructura microscópica de las plantas. Dio cuenta de la existencia de células o “vejigas”, como el las llamó, en una gran variedad de tejidos vegetales. Su primera publicación apareció en 1672.

Tanto Hooke como Grew usaron microscopios compuestos, que consistían en dos lentes montadas en cada una de los extremos de un tubo. Estos primeros microscopios dieron un aumento total de 30 diámetros.

El paralelismo estructural entre los tejidos animales y vegetales no fue descubierto hasta que en 1839 Theodoro Schwann observó que el tejido cartilaginoso de los animales poseía una estructura microscópica que: “se parece exactamente al tejido celular parenquimatoso de las planta. Esto permitió a Schwann reconocer la naturaleza celular de los tejidos animales.

Las mejoras en la óptica de la luz en los años 1830 permitieron rápidamente el reconocimiento de los límites celulares más finos de otros tipos de tejidos animales.

Cuando fue posible observar detalles estructurales del interior de la célula, el énfasis pasó gradualmente desde la pared al contenido, y el término “Célula” tomó significado moderno.

Hacia 1830 se reconoció que el contenido líquido de la célula es la sustancia principal de los organismos vivos. J.E.Purkinje escogió el término “Protoplasma” para nombrar a esta sustancia en una publicación aparecida en 1840.

En 1833, unos pocos años antes de que Purkinje definiera el protoplasma, Robert Brown publicó un artículo en el describía la estructura microscópica de los órganos reproductores de las plantas. En este artículo Brown llamó la atención sobre el núcleo, como una característica constante de todas las células vegetales por él estudiadas.


Este trabajo, que posteriormente fue objeto de amplia difusión, estableció que la célula nucleada era la unidad de los tejidos vivos en plantas y fue la base del posterior desarrollo de la teoría celular por Schleiden y Schwann. Schwann derivó de sus estudios dos postulados que habrían de constituir la base de la teoría celular: a) que todos los seres vivos se componen de una o más células nucleadas y, b) que la célula es la unidad funcional de los seres vivos. Generalmente los historiadores de la ciencia atribuyen el origen de la teoría celular a Schwann y Schleiden conjuntamente. En 1846 Karl Von Nägeli concluyó de sus observaciones del crecimiento de los tejidos vegetales, que todas las células vegetales derivan de la división directa de una célula, en células hijas.

Observaciones parecidas tuvieron lugar para las células animales. En 1841 Robert Remak observó la división de las células de la sangre de los embriones, en dos células hijas iguales, y los citólogos K.E. Von Baer y R.A Von Kolliker interpretaron correctamente la formación del surco del clivaje en los huevos fecundados como un proceso de división celular.

Finalmente, en 1855, Rudolf Virchow, después de un estudio muy preciso del crecimiento celular en los tejidos humanos, estableció con claridad que las células sólo se originan por división de otras preexistentes.La expresión de este concepto por Virchow, “ommis cellula e cellula”, se ha convertido en un famoso aforismo en la historia de la Biología. Resumiendo las ideas de la Teoría celular podemos decir que abarca los siguientes puntos:

1. La célula es la unidad estructural de la materia viva. Esto es, todos los organismos vivos, tanto animales como vegetales, están formados por células y por productos de la actividad celular. La desorganización de la célula como unidad compleja y organizada trae como consecuencia la muerte de ésta y la del organismo del cual forma parte.

2. La célula es la unidad funcional de los seres vivos. Toda la actividad vital que desarrollan los

organismos tiene su explicación en fenómenos que ocurren a nivel celular. Las funciones vitales de un organismo son el resultado de la acción mancomunada de todas las células que la forman. La masa protoplasmática que la constituye puede desarrollar su actividad en forma individual e independiente, constituyendo organismos unicelulares elementales o bien asociarse con otras células, formando sistemas vivos de mayor complejidad donde las células interactúan y complementan su funcionalidad.

3. Toda célula se forma a partir de otra preexistente. Existe una continuidad a través del tiempo de sucesivas generaciones celulares, la que se logra a través de los fenómenos de reproducción celular.

4 La célula es la unidad bioquímica de la materia viva. Es decir, en la célula residen todas aquellas

funciones donde participan macromoléculas que son capaces de autoperpetuarse y transmitir información a sus descendientes y transformar esta información en estructuras o en la ejecución de algunas funciones.

Existe una gran diversidad de células, de acuerdo a su tamaño, forma y tipos de asociación, como consecuencia de su adaptación evolutiva a ambientes diferentes o funciones diferentes dentro de un organismo. Sin embargo, los citólogos han descubierto que todas las células son similares. Todas están compuestas mayormente de moléculas que contienen carbono, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Aunque muchas de las estructuras no vivientes también contienen estos elementos, las células son diferentes en su organización y mantenimiento de un límite, su habilidad de regular su propia actividad, y en el control de su metabolismo.

En todas las células es posible encontrar tres características que son comunes a todas ellas:

1. Membrana plasmática, que es una doble capa de fosfolípidos y proteínas. Tienen varias funciones; por ejemplo: canales que le permiten a las sustancias moverse dentro y fuera de la célula, antígenos que hacen que la célula pueda ser reconocida por otras células, y proteínas para unirse a otras células.


2. Citoplasma, que contiene citosol y organelos, éste último válido solo para células eucariontes. El citosol es un fluido compuesto en su mayor parte de agua y nutrientes disueltos, desechos, iones, proteínas, y otras moléculas. Los organelos, en cambio, como pequeñas estructuras suspendidas en el citosol, cumplen funciones de reproducción, metabolismo, síntesis de proteínas, etc.

3. Núcleo, centro de almacenamiento de la información genética (ADN), y control de los procesos

vitales (mecanismos de regulación génica).

TAMAÑO Y FORMA CELULAR

La mayoría de las células que constituyen el cuerpo de una planta o un animal miden entre 10 y 30 micrómetros de diámetro.

Las células tienen variadas formas: más largas que anchas ( neuronas); equidimensionales (células vegetales parenquimatosas) ; discos bicóncavos anucleados ( glóbulos rojos), etc. La estabilidad y la especificidad de cada forma celular dependen de 5 factores:

1. Especificidad genética, la información contenida en el núcleo (ADN) y que se expresa en proteínas, determina la diferenciación de la célula y, por lo tanto, su forma.

2. Adaptación funcional, factor que depende del anterior y como consecuencia de la diferenciación celular, esta adquiere una forma que se adapta a la función que deberá cumplir.

3. Presión o tensión superficial, las presiones que ejercen los líquidos protoplasmáticos a ambos lados de la superficie celular influyen en la forma de ellas. Ejemplo. Una célula aislada en un medio líquido tiende a tomar la forma esférica. En cambio, cuando están agrupadas, su forma es poliédrica.

4. Presión de vecindad, se debe a que las células de distintos animales y vegetales ejercen presión contra otras, siendo por lo general de forma poliédrica.


5. Presencia de pared celular, presente en células vegetales y de constitución rígida. En las células animales, como es el caso de los glóbulos blancos, no se presenta dicha pared, de manera que la célula puede cambiar de forma.

El tamaño de la célula está en relación con su función. La mayor parte de las células eucariotas sólo son visibles con el microscopio óptico, Por lo general, el tamaño resulta constante para cada tipo celular e independiente del tamaño del organismo, es decir un célula del riñón de un caballo es del mismo orden que la de un ratón. La diferencia radica, no en el tamaño de las células, sino en el número de ellas. (masa celular).

Existen otras células, que presentan un gran tamaño como lo son los óvulos que corresponden a las células más grandes que produce un organismo, aunque no siempre ocurre así. En cambio, algunas bacterias más pequeñas son de menos de micrón de longitud.

En el otro extremo, se encuentran las células nerviosas (neuronas) con numerosas ramificaciones delgadas (axones) que pueden alcanzar varios metros de longitud (las del cuello de la jirafa y los calamares gigantes).

Una restricción importante del tamaño celular la impone la relación entre el volumen y su superficie. Los materiales que entran y salen de la célula deben atravesar su superficie, por lo tanto, cuanto más intenso sea su metabolismo, mayor será la velocidad de intercambio de materiales con el ambiente donde se encuentre.

La velocidad de intercambio depende de la superficie que se tenga para hacerlo.

Una segunda limitación del tamaño celular se relaciona con la capacidad del núcleo, centro de control de la célula, para proporcionar suficientes copias de información necesaria para regular los procesos que tienen lugar en el citoplasma de una célula. Por este motivo, la mayoría de las células metabólicamente activas son pequeñas.


ESTRUCTURA CELULAR

Podemos distinguir, básicamente, dos tipos de células: las procariontes, cuyo interior no contiene compartimientos delimitados por membranas, y los eucariontes, que están compartímentalizadas. Los nombres se refieren a la ausencia o presencia, respectivamente, de un compartimiento llamado núcleo, en que queda “encerrado” el material hereditario. Lo que queda excluido del núcleo se llama citoplasma.

Las células vegetales y animales, son dos variedades del grupo de las eucariontes, y que presentan algunas diferencias y similitudes, tanto estructural como funcionalmente. Veamos algunas:

Como similitudes, ambas son eucariontes con estructuras internas que se encuentran separadas por membranas.

En cuanto a las diferencias, está la presencia en células vegetales de tres estructuras: cloroplastos,

pared celular y una vacuola de gran tamaño.

A. CÉLULAS PROCARIONTES.

Las células procariontas son las que primero se originaron en la historia de la vida. Son las más simples y, en general, las más pequeñas que existen. Es importante destacar, que si existen también las denominadas células incompletas, que son las rickéttsias y las clamidias. Se denominan incompletas porque su autoduplicación depende de otras células.

Las procariontes constituyen organismos unicelulares que están agrupados en dos de los tres dominios: Archaea (originalmente Archaebacteria) y Bacteria (originalmente Eubacteria). Por lo general son llamadas simplemente, bacterias.

Diferencias entre una célula vegetal y una animal


Las bacterias son de pequeño tamaño, de 0,2 a 10 milimicras, a su gran capacidad reproductora y a su capacidad para adaptarse a diferentes medios, las bacterias han conseguido un gran éxito biológico y es raro el lugar donde no se encuentren. Viven asiladas o formando colonias.

La membrana plasmática que rodea a las bacterias está plegada en forma compleja hacia el interior; a las prolongaciones que forma se les denomina mesosomas. Los mesosomas intervienen en el intercambio de sustancias con el exterior y en la división celular. Confieren, además, las enzimas respiratorias, que en las células eucariontes se encuentran en las mitocondrias.

La pared celular, es fuerte y rígida, de composición diferente a la de la célula vegetal. Su ancho oscila entre 50 y los 100 Å y tiene por función mantener la forma de la bacteria frente a las variaciones de presión osmótica, actuar como membrana semipermeable, regulando el paso de iones. Esta envoltura, una vez formada, es resistente a los antibióticos, ya que éstos actúan sobre las enzimas que regulan la formación de la pared.

En el citoplasma podemos encontrar ribosomas y gránulos de almacenamiento, formados por lípidos o glucógeno. Si se trata de bacterias fotosintéticas, poseen cromatóforos, formados por tilacoides con pigmentos, dispuestos en pilas o rodeando vesículas.

El ADN forma una sola molécula de doble cadena, normalmente circular, el cromosoma, asociado a proteínas no histónicas. Aparece como una zona irregular de alta densidad, el nucleoide. Con frecuencia aparecen pequeñas moléculas de ADN circular, que se replican independientemente del cromosoma, denominadas plásmidos o episomas.

Su nutrición, puede ser heterótrofas, siéndolo la mayoría de ellas, siguiendo diversos caminos:

Las bacterias de vida libre suelen ser saprobiontes; viven sobre materia orgánica descompuesta.

Muchas viven en estrecha relación con otros organismos. De ellas, la mayoría son comensales y no causan daños ni aportan beneficios a su huésped; algunas son parásitas (producen enfermedades) y otras son simbiontes.

Otras bacterias son autótrofas y utilizan compuestos inorgánicos para su nutrición:

Las autótrofas fotosintéticas, como las bacterias sulfurosas verdes y púrpuras. No utilizan agua para la fotosíntesis, sino otros compuestos, como el sulfuro de hidrógeno, y no producen oxígeno. Al poseer pigmentos que absorben luz casi infrarroja, pueden realizar la fotosíntesis prácticamente sin luz visible.

Las autótrofas quimiosintéticas, a diferencia de las fotosintéticas, utilizan la energía que desprenden ciertos compuestos inorgánicos al oxidarse.

Independientemente del tipo de nutrición, las bacterias pueden necesitar el oxígeno atmosférico: (bacterias aeróbicas) o no (bacterias anaeróbicas). Para algunas bacterias anaeróbicas el oxígeno es un gas venenoso (anaeróbicas estrictas); otras lo utilizan cuando está presente, aunque pueden vivir sin él (anaeróbicas facultativas).

La reproducción bacteriana es asexual, por simple bipartición. El cromosoma bacteriano, unido al mesosoma, se duplica, separándose los dos cromosomas hijos al crecer la membrana entre los puntos de anclaje de éstos. Posteriormente, la membrana plasmática se invagina y se produce un tabique de separación, lo queda lugar a dos células hijas, cada una de ellas con una réplica exacta del cromosoma de la célula madre.


La división de las bacterias es muy rápida, de modo que, si no se encuentra limitaciones, una sola bacteria puede dar lugar en 14 horas a un clon de 250. 000 bacterias idénticas.

DIFERENCIAS FUNDAMENTALES ENTRE CÉLULAS PROCARIONTES, VEGETALES Y ANIMALES

RASGO CONSIDERADO CÉLULA PROCARIOTA

CÉLULA VEGETAL SUPERIOR

CÉLULA ANIMAL

Membranas celulares

Sólo en el exterior

Exterior e interior

Exterior e interior

Estructura de soporte

Pared celular polisacárida

Pared celular polisacárida

Citoesqueleto de proteínas

Membrana nuclear Ausente Presente Presente

Cromosomas Sólo ADN circular ADN múltiple linear y asociado a proteínas

ADN múltiple, linear y asociado a proteínas

Organelos rodeados de membranas

Ausentes

Muchos, incluyendo mitocondrias y grandes vacuolas

Muchos, incluyendo mitocondrias y lisosomas

Retículo endoplásmico

Ausente

Presente

Presente

Ribosomas

Pequeños y libres

Grandes, algunos unidos a membranas

Grandes, algunos unidos a membranas

División celular

Fisión Mitosis Mitosis

Recombinación sexual

Conjugación

Meiosis y fecundación

Meiosis y fecundación

Flagelos o cilios

Sólidos, rotantes

Nunca presentes

Huevos rodeados de membrana, organización microtubular 9 +2

Fagocitosis

Ausente

Ausente

Presente, seudópodos, extensiones de membranas

Centríolos

Ninguno

Ausente

Presentes

B. CÉLULAS EUCARIONTES

Dividiremos a la célula eucarionte, para nuestro estudio en tres partes: Membrana plasmática Citoplasma Núcleo.

1. MEMBRANA PLASMÁTICA

La membrana plasmática separa al citoplasma del entorno celular y también es llamada plasmatolema. Es una bicapa fosfolipídica en la que están incrustadas diversas clases de proteínas. A través de la historia varios fueron los modelos científicos que explicaban la estructura de la membrana celular:


Modelo de Danielli y Davson. En 1935, J. F. Danielli y H.Davson postularon el primer modelo de membrana que planteaba una estructura formada por una bicapa lipídica y proteínas.

Modelo de Robertson. En 1953, J.D.Robertson comprobó lo plantado por Danielli y Davson.

Con ayuda del microscopio electrónico de transmisión reconoció una estructura trilaminar formada por dos capas oscuras que contenían una clara. La zona clara correspondía a los lípidos y la oscura, a componentes polares, probablemente proteínas.

Modelo de Singer y Nicolson. En 1972, S.J.Singer y G.L Nicolson propusieron el modelo del mosaico fluido. Este modelo postula que la membrana está formada por lípidos (fosfolípidos) que se disponen formando dos capas monomoleculares, a esto se le denomina bicapa fosfolipídica. Los lípidos forman lo que podría llamarse la matriz de membrana; sin embargo, su funcionalidad o comportamiento reside en las proteínas.

ESTRUCTURA YCOMPOSISCIÓN DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA: MODELO DE SINGER Y NICOLSON

La membrana plasmática está formada por proteínas y lípidos en una relación 50% y 50%. El modelo actual se conoce como el modelo del mosaico fluido. Lo de mosaico se debe a la mezcla de lípidos y proteínas que constituyen la membrana; y lo de fluido, que éstas chocan unas con otras debido a su fluidez provocad por movimientos de los fosfolípidos.

Todas las membranas celulares, es decir, la membrana plasmática y la de los compartimientos citoplasmáticos, son bicapas lipídicas con proteínas insertas en ellas. En el microscopio electrónico se ven como dos láminas oscuras con una clara al medio. A esta estructura trilaminar se le llamó unidad de membrana.

La célula y la mayoría de los compartimientos intracelulares están delimitados por una unidad de membrana, mientras que el núcleo, los cloroplastos y las mitocondrias, por dos.

Los lípidos de la membrana plasmática, son principalmente fosfolípidos, que se hallan formando una doble capa.


Los fosfolípidos de la bicapa, presentan una orientación con las cabezas polares (hidrofílícas) hacia afuera y las colas apolares (hidrofóbicas) hacia adentro. En medio de esta organización, se ubica el colesterol, dispuesto entre las cabezas de los fosfolípidos, otorgándole así mayor rigidez a la membrana. Los fosfolípidos se cambian de lugar unos con otros, lo que le confiere a la membrana su calidad de fluido.

Colesterol. Se encuentra en proporción elevada en las membranas de las células eucariontes. Su disposición es intercalada entre los fosfolípidos, lo cual proporciona estabilidad mecánica a la membrana y reduce su permeabilidad. Las proteínas de la membrana, se encuentran insertadas en la bicapa lipídica. Muchas se unen a carbohidratos formando glucoproteínas. Existen diversos tipos y regulan el movimiento de sustancias a través de la membrana y se comunican con el ambiente.

Muchas de las proteínas de membranas plasmáticas tienen adheridos grupos de carbohidratos, sobre todo en las partes que sobresalen de la célula las que en conjunto forman las glucoproteínas.

La mayoría de las proteínas de membrana se pueden desplazar dentro de la relativamente fluida bicapa fosfolipídica. Otras en cambio, están ancladas en una red de filamentos proteicos dentro del citoplasma.

Hay tres categorías principales de proteínas de membrana, y cada una de ellas desempeña una función distinta:

1. Proteínas de transporte, canales y bombas. Regulan el movimiento de las moléculas

hidrofílicas (solubles en agua) a través de la membrana plasmática. Algunas proteínas de transporte llamadas proteínas canal, forman poros o canales que permiten a pequeñas moléculas solubles en agua atravesar la membrana.

2. enzimas aceleradoras de reacciones químicas. 3. Proteínas receptoras. Activan respuestas celulares cuando se unen a ellas moléculas

específicas del fluido extracelular, como hormonas o nutrientes. Por ejemplo, los receptores posibilitan a las células nerviosas del cerebro comunicarse entre sí.

4. Proteínas de reconocimiento. Muchas de las cuales son glucoproteínas, sirven como de identificación y como sitios de unión a la superficie celular. Las células del sistema inmunológico, por ejemplo, reconocen a una bacteria como invasor ajeno e inician su destrucción.

PASO DE SUSTANCIAS POR LA MEMBRANA

En todos los sistemas vivos, desde los procariontes hasta los eucariontes multicelulares más complejos, la regulación del intercambio de sustancias con el mundo inanimado ocurre a nivel de la célula individual y es realizada por la membrana celular. En los organismos multicelulares, la membrana celular tiene la tarea adicional de regular el intercambio de sustancias entre distintas células especializadas que los constituyen. El control de este permanente intercambio es esencial para proteger la integridad de cada célula, para mantener las muy estrictas condiciones de pH y


concentración iónicas que permiten el desarrollo de sus procesos metabólicos y la coordinación de sus actividades. Además de la membrana celular, que controla el tránsito de materiales entre célula y su ambiente, las membranas internas, como las que rodean a las mitocondrias, a los cloroplastos y al núcleo controlan el tránsito de materiales entre los compartimientos intracelulares. Esto permite que la célula tenga ambientes químicos muy especializados y que cada organelo desarrolle su actividad particular y concreta.

El mantenimiento del ambiente interno de la célula y sus partes constitutivas requiere que la membrana celular desempeñe una doble función compleja: debe evitar la entrada de ciertas sustancias y permitir el ingreso de otras.

De acuerdo a lo anterior, decimos que la membrana celular es diferencialmente permeable.

Para comprender el proceso de sustancias por la membrana celular y entender como se llevan a cabo estos procesos, será necesario aclarar ciertos conceptos:

Fluido, es un líquido o un gas; es decir, cualquier sustancia que puede moverse o cambiar de

forma, en respuesta a formas fuerzas externas, sin desintegrarse.

Concentración de moléculas en un fluido se refiere al número de moléculas en una unidad de volumen dada.

Gradiente químico, es una diferencia de concentración entre dos regiones del espacio que hace que se muevan moléculas de una región a otra.

Gradiente eléctrico, se presenta en el caso de partículas con carga eléctrica, como los iones. Es la diferencia de cargas eléctricas que puede haber entre una zona y otra, pues las partículas positivas se mueven espontáneamente hacia zonas con carga negativa y viceversa.

Gradiente eléctrico- químico, es la suma vectorial del gradiente eléctrico y del químico. Es el que en definitiva, determina hacia donde difundirán las partículas en solución.

Equilibrio químico, estado debaslance dinámico de una reacción en el que la velocidad a la que se forman los productos iguala a la velocidad de descomposición de los reactantes.

Solución, es una mezcla homogénea entre dos componentes: uno que se encuentra en gran proporción, llamado solvente, y otros en menor proporción, los solutos.

Debido a que las moléculas utilizan diversos mecanismos para atravesar la membrana, es posible por lo tanto establecer que, entre la cara externa de la membrana y la cara interna existen gradientes electroquímicos (es el que determina hacia donde difunden las partículas del soluto).de muchas sustancias. La membrana puede permitir el transporte a favor de gradientes, es decir, hacia zonas de menos concentración, o en contra de ellos, o sea, hacia zonas de mayor concentración.

Dependiendo si el proceso involucra o no gasto de energía, se distinguen dos clases de transporte: activo y pasivo.

I. TRANSPORTE PASIVO

Es aquel en el que la sustancia transportada se mueve desde una zona en que se encuentra en mayor concentración hacia otra donde se encuentra en menor cantidad, es decir, se desplaza en favor de su gradiente de concentración química, una diferencia de carga eléctrica (gradiente eléctrico o potencial de membrana) ambas ( gradiente electroquímico) . La energía necesaria para llevar a cabo el proceso la aporta la misma sustancia, por lo que se dice que el transporte es pasivo.

Existen varios tipos de transporte pasivo: difusión simple, difusión facilitada y osmosis.

1. Difusión simple. Es aquel en el que la sustancia transportada se mueve desde una zona en que se encuentra en mayor concentración hacia otra donde se encuentra en menor cantidad, es decir, se desplaza en favor de su gradiente de concentración. Puede ocurrir:


Difusión de azúcar en agua

A través de la bicapa, pasan libremente el agua, el oxígeno y las moléculas liposolubles.

A través de canales iónicos, que son proteínas cilíndricas con un orifico central por donde pueden difundir los iones. Se cierran o se abren según diferentes condiciones de la membrana., por ejemplo, algunos son sensibles al potencial eléctrico. Estos canales son específicos, es decir, que si un canal es para el ion sodio, no deja pasar ningún otro ion que no sea sodio.

2. Difusión facilitada. Existen solutos que, a pesar de que se encuentran en distintas

concentraciones a ambos lados de la membrana, no pueden atravesar el componente lipídico por su naturaleza hidrofílica o polar. En este caso el soluto debe ingresar a través de proteínas especializadas o transportadoras.

Se han descrito dos tipos de transportadores que operan por este mecanismo: las proteínas transportadoras o carriers y los canales proteicos. Los primeros tienen un sitio específico al cual se une el soluto; la unión provoca un cambio de forma en la proteína, lo que hace posible su movimiento a través de la membrana. Una característica importante de los carriers es que tienen un punto de saturación, es decir, la velocidad de transporte está determinada por la concentración del soluto. Hay diferentes tipos de carriers, según el tipo de soluto y el sentido en que se transportan.

3. Osmosis. El agua también pasa por difusión a través de la membrana plasmática, de zonas de mayor concentración a zonas de menor concentración. A este fenómeno se le ha dado el nombre especial de osmosis, y se define como la difusión de agua (o más general de un solvente) a través de una membrana semipermeable, en este caso la membrana plasmática.


Una célula animal (ej. Un glóbulo rojo) podrá ser enfrentado a tres medios distintos:

Solución Isotónica, presenta la misma concentración de agua y de soluto a ambos lados de una membrana.

Solución hipotónica, presenta una menor concentración de solutos y una mayor concentración de agua.

Solución hipertónica, presenta la concentración de soluto mayor, y por lo tanto, menor concentración de agua.

Si exponemos al glóbulo rojo, de nuestro ejemplo a un medio isotónico respecto del plasma, no pierde ni gana agua. Pero si lo exponemos a una solución hipertónica perderá agua y se arrugará. El fenómeno se llama crenación. Expuesto a una solución hipotónica, en cambio, le entrará agua, se diluirá su contenido y se romperá la membrana celular, fenómeno conocido como citólisis (en el caso particular de los glóbulos rojos se llama hemólisis).

No ocurre lo mismo si se trata de una célula vegetal, ya que tiene pared celular rígida que la rodea. Si el medio es hipertónico, el protoplasma vegetal se retraerá, despegándose de la pared, y ocurrirá la plasmólisis.


En una solución hipotónica, la célula se expandirá al entrar agua, fenómeno conocido como presión de turgencia y es la responsable de la posición erecta de las plantas.

II. TRANSPORTE ACTIVO

Es el que ocurre contra la gradiente electroquímica de las sustancias. En este caso se trata del movimiento de sustancias desde una zona de menor concentración a otra de mayor concentración, esto es, contra una gradiente de concentración. Evidentemente este proceso a diferencia de los anteriores requiere de aporte energético, es decir, consume ATP. Es comparable al desplazamiento de un objeto cuesta arriba o al desplazamiento de un móvil contra la corriente de agua en un río, es decir, constituye trabajo, y por lo tanto, requiere de un gasto de energía.

Este transporte es realizado por unas proteínas de membrana llamadas bombas. La razón de este nombre, alude al hecho de “bombear”. Hay numerosos ejemplos para ilustrar este fenómeno, pero el más conocido es el que explica el transporte de iones Na

+ y K

+.


Modelo de la bomba sodio-potasio

Al igual que en la difusión favorecida hay participación de una molécula proteica de membrana, denominada “carrier” que está encargada de bombear estos iones a través de la membrana, de ahí que se hable de bombas iónicas o específicamente de bomba de sodio y potasio.

Cuando la célula transporta iones de sodio desde el citoplasma, donde se encuentra menos concentrado, hacia el exterior, donde la concentración es mayor, debe vencer un obstáculo, lo que requiere de consumo de energía; lo contrario ocurre con el ion potasio, el que debe transportarse al interior de la célula, donde se encuentra en mayor concentración.

La diferencia entre las permeasas y los carriers reside en que estos últimos transportan sustancias en ambos sentidos, en este caso iones diferentes (Na

+ y K

+ ).

Se reconocen dos clases de transportadores activos: el primario y el secundario.

Transporte activo primario: En este transporte, la energía liberada por la degradación del ATP se emplea directamente para transportar el o los solutos. Un ejemplo es la bomba sodio - potasio, responsable de la mantención del gradiente electroquímico en las neuronas y del volumen celular, que anteriormente se explicó.

Transporte activo secundario: En este tipo de transporte, la energía del ATP se utiliza para permitir, de manera indirecta, el transporte de un soluto que se acopla con otro, en favor de su gradiente de concentración. Un ejemplo lo constituye la absorción intestinal de glucosa; este monosacárido se acopla al transporte de sodio y de esta forma ingresa al torrente circulatorio.

III. TRANSPORTE MEDIADO POR VESÍCULAS

Para el transporte de grandes masas de sustancias en solución o de grandes partículas hacia el interior; así como también para la expulsión de moléculas grandes o en grandes cantidades, las células utilizan vesículas. Estas son esferas delimitadas por membrana, cuyo contenido permanece en contacto con el resto del citoplasma. En este caso, la entrada de sustancias a la célula o la salida, no involucra el paso a través de la bicapa lipídica ni la asistencia de proteínas de transporte (canales y transportadores).


Cuando las vesículas transportan sustancias hacia el exterior de la célula se llaman vesículas de secreción y el proceso se conoce como exocitosis. Por el contrario, si las vesículas se formaron para permitir el ingreso, se habla de vesículas endocíticas y el proceso se llama endocitosis.

1. Exocitosis. Esta vía de transporte intracelular tiene por objetivo la salida de diferentes macromoléculas. En este mecanismo, las macromoléculas transportadas viajan dentro de vesículas producidas en el retículo endoplásmico; luego pasan al aparato de Golgi, donde son modificadas, concentradas, empacadas y enviadas a la membrana celular, bien sea para ser liberadas al medio extracelular, donde pueden difundir a la matriz extracelular o para ingresar a algún capilar sanguíneo cercano.

Las investigaciones científicas recientes reconocen dos tipos de exocitosis: la constitutiva y la regulada.

Exocitosis constitutiva. Es la variante más común, ya que ocurre en todas las células eucariontes. Las moléculas que se van a liberar por exocitosis son empacadas en vesículas de transporte, liberadas en forma continua al exterior.

Exocitosis regulada. En esta vía, en cambio, las macromoléculas son incluidas dentro de

vesículas especiales, llamadas vesículas de secreción, que almacenan en el citoplasma y solo se liberan en respuesta a algún estímulo específico. Este último tipo de exocitosis se produce en células secretoras como las del sistema endocrino, en las que secretan enzimas digestivas, como ocurre en la porción exocrina del páncreas y en algunas neuronas que producen neurotransmisores específicos.

2. Endocitosis. Es los mecanismos por el cual son incorporadas ciertas macromoléculas al interior

del citoplasma. Según el tamaño de las vesículas formadas se reconocen dos tipos de endocitosis: pinocitosis y fagocitosis.

Pinocitosis. La célula ingiere, normalmente, fluido extracelular y pequeños solutos disueltos en él a través de pequeñas vesículas, generalmente menores de 150 nm de diámetro. El nombre hace alusión a este hecho (pinum=beber).Existe otro tipo de pinocitosis específica, llamada endocitosis mediada por receptores, esta se lleva a cabo cuando el soluto se une a una proteína específica de la membrana celular. Esta proteína, llamada receptor, tiene la capacidad de unirse al soluto en forma selectiva, para luego incorporarlo a la célula. La endocitosis medida por receptores se da en la captación de las partículas proteicas que transportan el colesterol.


Fagocitosis. Se produce cuando la célula ingiere grandes partículas, tales como microorganismos o restos celulares en vesículas mayores de 250 nm, llamadas fagosomas. El nombre de este proceso pone de manifiesto que las partículas incorporadas son de mayor tamaño ( fagum = comer).

A modo de resumen, diremos que la membrana plasmática cumple básicamente, cuatro funciones:

1. Capta mensajes enviados por otras células, gracias a proteínas de membrana que actúan como

receptores. La unión de la sustancia que actúa como mensajero , ( hormona, neurotransmisor, etc.) al receptor, desencadena una serie de reacciones químicas responsables de la respuesta celular a ese mensajero ( activación citoplasmáticas, alteraciones de la permeabilidad de la membrana, etc). La respuesta desencadenada por la unión del mensajero al receptor de membrana puede ser contracción, movimiento, secreción, división, inhibición de funciones, etc.

2. Lleva a cabo numerosas reacciones químicas, gracias a proteínas de membrana que actúan como

enzimas.

3. Es responsable del paso de sustancias hacia el interior y hacia el exterior de la célula. Algunas sustancias pasan atravesando la membrana, por la bicapa o asistidas por

proteínas de transporte, mientras que otras entran y salen gracias a la formación de vesículas.

4. Tiene proteínas que sirven para la unión entre una célula y otra.

01 a-biología común-teoría ceclular y membrana

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