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**Material de estudio. UC: Biología Tema 1: Contenidos:
- La teoría celular. Concepto de célula eucariota. Estructura de la célula eucariota.
- La membrana citoplasmática. Estructura y función. Organización morfo funcional del citoplasma. Matriz citoplasmática. Inclusiones. Orgánulos citoplasmáticos.
- El núcleo. Sus componentes. Relación- estructura, función. Ciclo de vida celular. Mitosis y Meiosis. La diferenciación y especialización en el organismo humano. ¿Qué es una célula eucariota?** Se llama célula eucariota (del vocablo griego eukaryota , unión de eu “verdadero” y karyon “nuez, núcleo”) a toda célula que tiene un núcleo definido. Este núcleo contiene la mayor parte de su ADN y está delimitado por una envoltura nuclear. Esta es la principal diferencia con respecto a la célula procariota, mucho más primitiva, y cuyo material genético está organizado en el citoplasma en una región llamada “nucleoide”. El dominio eucariota incluye los reinos Animalia (animales), Plantae (plantas), Fungi (hongos) y Protistas (organismos que no son animales, ni plantas, ni animales). Los seres vivos formados por células eucariotas se denominan eucariontes. Origen de las células eucariotas La aparición de las células eucariotas constituyó un paso importante en la evolución de la vida, pues sentó las bases para una diversidad biológica mucho mayor, incluido el surgimiento de células especializadas dentro de organizaciones pluricelulares. La comunidad científica no ha logrado encontrar una explicación concreta y clara de cómo aparecieron las células eucariotas. Se han planteado algunas teorías sobre el surgimiento de estas células: Se cree que las células eucariotas surgieron debido a la fusión entre una bacteria (organismo unicelular procariota que tiene pared celular de
peptidoglicano) y una archaea (organismo unicelular procariota que tiene pared celular de glicoproteínas y proteínas). Esta es la teoría más aceptada, pues se ha podido probar que en las células eucariotas algunos genes provienen de las bacterias y otros de las archaeas. En este sentido, el ADN del núcleo de las células eucariotas es semejante al de las archaeas, mientras que la composición de la membrana y las mitocondrias es similar a la de las bacterias. Se supone que las células eucariotas surgieron a partir de las archaeas, pero sus similitudes con las bacterias fueron obtenidas de las proto-mitocondrias (un ancestro de la mitocondria actual). Se plantea que los eucariontes y las archaeas surgieron a partir de una bacteria modificada. No se conoce bien por qué pasaron mil millones de años desde que se originaron las células eucariotas hasta que se especializaron. Se cree que durante este período de tiempo (en el que no hubo cambio evolutivo) los niveles de oxígeno no eran suficientes para el desarrollo de los eucariotas. Tipos de célula eucariota Existen diversos tipos de células eucariotas: Células vegetales. Son aquellas células que tienen una pared celular (compuesta de celulosa y proteínas) que recubre su membrana plasmática y les otorga rigidez, protección y resistencia. Además, las células vegetales tienen cloroplastos, que son organelas que contienen la clorofila (la biomolécula necesaria para llevar a cabo el proceso de fotosíntesis); y una vacuola central grande, que mantiene la forma celular y controla el almacenamiento y la degradación de sustancias. Células animales. Son aquellas células que no tienen cloroplastos (ya que no realizan fotosíntesis) ni pared celular. Pero, a diferencia de las células vegetales, tienen centriolos (organelas que participan en la división celular) y presentan vacuolas de menor tamaño, aunque más abundantes, llamadas vesículas. Debido a la carencia de pared celular, las células animales pueden adoptar una gran cantidad de formas. Células de los hongos. Son células que se asemejan a las de los animales, aunque difieren de ellas por la presencia de una pared celular compuesta de quitina. Células de protistas. Los protistas son organismos muy variados: no son animales, plantas ni hongos pero, a su vez, tienen características similares a las de todos estos organismos. Entonces, las células de los protistas son también muy variadas. Una característica de estas células es que presentan una vacuola que se contrae, lo que les permite controlar la cantidad de agua en la célula. Además, las células protistas pueden contener cloroplastos y celulosa.
que muchas células del tracto respiratorio de los animales barren las partículas extrañas en los mocos. Las principales partes de las células eucariotas son: Membrana celular, plasmática o citoplasmática. Es una membrana que rodea la célula. Está formada por fosfolípidos y proteínas intercaladas, entre otros compuestos. La membrana plasmática sirve para dar forma a la célula, delimita el exterior y el interior de la célula y regula las sustancias que entran y salen de ella. Pared celular. Es una capa rígida que se encuentra por fuera de la membrana plasmática y le otorga a la célula forma, sostén y protección. La pared celular está presente solo en las células vegetales y en las de los hongos, aunque su composición varía entre ambos tipos celulares: en las plantas se compone de celulosa y proteínas, mientras que en los hongos está formada por quitina. Si bien esta estructura le brinda protección a la célula, le impide su crecimiento y la limita a estructuras fijas. Núcleo celular. Es un orgánulo central, limitado por una envoltura porosa que permite el intercambio de material entre el citoplasma y su interior. El núcleo contiene el material genético (ADN) de la célula, que se organiza en cromosomas. Además, dentro del núcleo existe una región especializada llamada nucleolo, donde se transcribe el ARN ribosomal que luego formará parte de los ribosomas. El núcleo está presente en todas las células eucariotas. Citoplasma. Es el medio acuoso en el que están inmersos los distintos orgánulos de la célula. El citoplasma está formado por el citosol (que es la parte acuosa que contiene sustancias disueltas) y los orgánulos (que son estructuras que tienen distintas funciones especializadas). En el citoplasma están inmersos los distintos orgánulos u organelos. Algunos de los principales son: Lisosomas. Son vesículas que contienen enzimas digestivas, presentes exclusivamente en las células animales. En los lisosomas se llevan a cabo procesos de digestión celular, catalizados por las enzimas que contienen en su interior. Los lisosomas pueden digerir otro orgánulo para reutilizar sus componentes individuales por la célula, lo que se denomina “autofagia”, o también pueden digerir una célula entera, lo que se denomina “autólisis”. Estos orgánulos se forman en el aparato de Golgi. Mitocondrias. Son las organelas donde se lleva a cabo el proceso de respiración celular. Están rodeadas por una doble membrana, que sirve como superficie para que ocurran las reacciones de la respiración celular. Las mitocondrias están presentes en todos los tipos de células eucariotas y su número varía en función de las necesidades que tengan: las células con altos requerimientos energéticos suelen tener una mayor cantidad de mitocondrias.
Cloroplastos. Son los organelos en los cuales se lleva a cabo la fotosíntesis, y presentan un sistema complejo de membranas. Se componen fundamentalmente de clorofila, un pigmento verde que participa en el proceso fotosintético y permite captar la luz solar. Los cloroplastos son exclusivos de las células fotosintéticas, por lo que están presentes en todas las plantas y las algas, cuyo color verde característico viene dado por la presencia de la clorofila. Vacuola. Es un tipo de vesícula de gran tamaño que almacena agua, sales minerales y otras sustancias, y que se encuentran solamente en las células vegetales. La vacuola mantiene la forma celular y le proporciona sostén a la célula, además de participar en el movimiento intracelular de las sustancias. Las células animales poseen vacuolas pero de menor tamaño y en mayor cantidad. Centriolos. Son estructuras tubulares que se encuentran exclusivamente en las células animales. Participan en la separación de los cromosomas durante el proceso de división celular. Retículo endoplasmático (RE). Es un sistema de membranas que se extiende desde el núcleo celular. Este orgánulo se divide en dos estructuras: Retículo endoplasmático rugoso (RER). Se ubica a continuación de la membrana nuclear. En la superficie del RER se encuentran los ribosomas, que son los orgánulos donde ocurre la síntesis de proteínas que son utilizadas por otros orgánulos o exportadas hacia el exterior de la célula. Retículo endoplasmático liso (REL). En este orgánulo no se sintetizan proteínas porque no contiene ribosomas, pero sí se sintetizan ácidos grasos y esteroides. Aparato de Golgi. Es un orgánulo compuesto por un conjunto de discos y sacos aplanados que se denominan “cisternas”. La función del aparato de Golgi se relaciona con la modificación y empaquetamiento de las proteínas y otras biomolecular (como hidratos de carbono y lípidos) para su secreción o transporte. Ribosomas. Están formados por dos unidades que se forman en el nucléolo y se ensamblan en el citoplasma. Son los orgánulos donde ocurre la síntesis de proteínas. Centrosoma. Está presente en células eucariotas de animales. Este orgánulo está formado por centriolos y material pericentriolar y es muy importante en el proceso de división celular. Citoesqueleto. Está presente en células eucariotas. Se forma por microfilamentos compuestos de actina y miosina, por filamentos intermedios compuestos por queratina y por microtúbulos compuestos por tubulina. Su función es mantener la forma de la célula, darle estabilidad mecánica, contribuir al movimiento de los orgánulos y de la célula como un todo. Leucoplastos. Están presentes en las células eucariotas de las plantas. Su principal función es participar en la conversión de azúcares en polisacáridos, grasas y proteínas.
permitiendo además un equilibrio fisicoquímico entre medio ambiente y citoplasma celular. La membrana plasmática no es visible bajo un microscopio óptico (sí bajo uno electrónico), pues tiene un grosor promedio de 7,3 nanómetros cúbicos. En las células vegetales y de los hongos, dicha membrana se ubica por debajo de la pared celular. La permeabilidad selectiva es la característica principal de la membrana plasmática , o sea, su capacidad para permitir o rechazar el ingreso de moléculas determinadas a la célula, regulando así el paso de agua, de nutrientes o de sales iónicas, y manteniendo el citoplasma siempre en condiciones óptimas en lo que a potencial electroquímico (cargado negativamente), pH o concentración se refiere. Esto último ocurre a través de dos procesos elementales de absorción (o endocitosis ) o expulsión (o exocitosis ) de sustancias celulares, pudiendo también liberar a medio ambiente materiales de desecho metabólico, fruto de la respiración celular. Para ello se forman pequeñas vesículas en la membrana plasmática sirven como medio de transporte celular. Una dinámica importante en el caso de las células u organismos unicelulares que emplean su membrana para envolver (o fagocitar ) nutrientes o presas, o para expulsar de un organismo pluricelular aquellos agentes nocivos (como hacen los linfocitos o glóbulos blancos). Estructura de la membrana citoplasmática: La membrana plasmática está compuesta por dos capas de lípidos, que orientan sus cabezas polares hidrófilas (es decir, que tienen afinidad por el agua) hacia adentro de la célula, manteniendo sus partes hidrófobas (que rechazan el agua) en contacto, a la manera de un sándwich. Estos lípidos son primordialmente colesterol, fosfoglicéridos y esfingolípidos. Al mismo tiempo posee alrededor de un 20% de proteínas , que cumplen funciones de conexión, transporte y catálisis: formas diversas de comunicación bioquímica y de transporte celular de nutrientes y desechos. Igualmente la membrana posee diversos glúcidos (azúcares), en su parte más externa, sirviendo de material de soporte e identificación intercelular. Dichos azúcares representan apenas el 8% seco del peso de la membrana total.
La membrana plasmática tiene una serie distinta de funciones, tales como: Delimitar la célula. Definir y proteger la célula de su entorno, separando el afuera del adentro y una célula de otra (en el caso de los tejidos celulares). Es la primera barrera de defensa en caso de agentes invasores, como los virus. Administración de nutrientes. La selectividad de la membrana da paso a sustancias deseadas y lo niega a las indeseadas, sirviendo de filtro y de transporte entre el afuera y el adentro, ya que también permite desechar toxinas y desechos metabólicos (como el CO2). Preservación de la vida. Intercambiando fluidos y sustancias entre el citoplasma y el medio ambiente, la membrana plasmática procura mantener estable la concentración de agua y de otras sustancias en el citoplasma. Esto implica también conservar su nivel de pH y su carga electroquímica. Comunicación celular. Ante estímulos determinados provenientes del exterior de la célula, la membrana plasmática es capaz de reaccionar, transmitiendo información al interior de la célula y poniendo en marcha procesos bioquímicos determinados: la división celular, el movimiento celular o la segregación de sustancias bioquímicas. Desplazamiento celular. En algunos casos la membrana celular se alarga y permite la aparición de flagelos (colas) o de cilios (pelos) que permiten a la célula desplazarse físicamente. ¿Qué es el núcleo celular? El núcleo celular es un orgánulo membranoso que se encuentra en el interior de las células eucariotas exclusivamente, y que contiene la mayoría del material genético de la célula, organizado en macromoléculas de ADN (denominadas “cromosomas”), en cuyo interior, en posiciones determinadas llamadas “locus”, se encuentran los genes. El núcleo celular opera como una torre de control celular, ya que su misión primordial es preservar el material genético y ponerlo en funcionamiento cuando sea necesario, como en la división celular o en la síntesis de proteínas, ya que el ADN contiene el patrón necesario para todas las operaciones de la célula. Curiosamente, el núcleo celular fue el primero de los orgánulos celulares en ser descubierto a través de la observación mediante microscopio. El primero en tomar nota de él fue Anton van Leeuwenhoek (1632-1723), en células de salmón.
los cuerpos de la leucemia promielocítica y los “speckles” (del inglés “puntos”). ¿Qué es el ciclo celular? El ciclo celular es el conjunto ordenado y secuencial de eventos que tienen lugar dentro de todas las células en general. Involucran su crecimiento y eventual reproducción en dos células “hijas”. Este proceso es fundamental para la existencia de los seres pluricelulares. Se inicia con la aparición de una célula joven y culmina con su maduración y división celular, o sea, la creación de dos células nuevas. Se realiza de acuerdo a un conjunto de estímulos y respuestas bioquímicas interpretadas por el núcleo celular, las cuales garantizan la reproducción ordenada de los tejidos del cuerpo. Por eso, normalmente las células inician su ciclo celular cuando las condiciones ambientales son propicias para ello. Sin embargo, el ciclo no ocurre siempre de la misma manera, existiendo variaciones importantes células animales y vegetales o procariotas y eucariotas. Sin embargo, ocurre en todos los seres vivos, con fines semejantes y etapas similares. Fases del ciclo celular Las etapas del ciclo celular se describen de acuerdo a la fórmula: G1. Del inglés Gap 1 o Intervalo 1 S. Synthesis o Síntesis G2. Gap 2 o Intervalo 2 M. M-phase o Fase M, cuyo nombre se debe a que comprende la mitosis o meiosis, antes de la división citoplasmática o citocinesis. Las células, antes de emprender el ciclo celular, se denominan “quiescentes” (significando que eligen estar quietas), y una vez que han emprendido el ciclo celular, pasan a llamarse “proliferantes” (significando que se multiplican con rapidez). El ciclo celular no es lineal, sino circular, ya que las células jóvenes pueden elegir repetir el proceso, originando así dos nuevas cada una, según dicten las necesidades. Y a grandes rasgos, las distintas etapas que lo comprenden se organizan en base a dos fases separadas, que son: La interface. Esta primera fase comprende las etapas G1-S-G2, y durante ellas crece hasta su nivel adecuado para iniciar la duplicación de su material genético, copiándolo por completo según su ADN.
Etapa Gap 1. La célula crece físicamente, duplicando sus organelos y las proteínas necesarias para las etapas siguientes. Etapa S. Se sintetiza una copia completa del ADN de la célula, así como un duplicado del centrosoma, que ayudará a separar el ADN en etapas posteriores. Etapa Gap 2. La célula crece aún más en tamaño, genera proteínas y organelos nuevos y se prepara para la mitosis, la división celular. La fase M. La fase mitótica inicia cuando la célula ha duplicado ya su material genético y organelos, lista para dividirse en dos individuos idénticos. El inicio de la mitosis parte de la separación del ADN en dos cadenas dobles, y los dos nuevos núcleos celulares se alejan el uno del otro, hacia polos opuestos. La fase M se divide en cuatro fases distintas: profase, metafase, anafase, telofase. Así, cuando comienza la citocinesis, que es la preparación para la separación definitiva de las dos nuevas células, queda cada núcleo por separado. Se empieza a generar una barrera entre ambas células, que luego será parte de la propia membrana plasmática, y finalmente la separación física ocurre. Regulación del ciclo celular El ciclo celular debe darse bajo condiciones muy específicas, que ameritan instancias de control y regulación muy específicas. De modo que sin las instrucciones precisas, no sólo no se inicia el ciclo entero, sino que no se dará el tránsito de una etapa a la siguiente. En primera instancia, el control es ejercido por los genes en el propio código genético de la célula. Allí están las instrucciones para fabricar o modificar proteínas para detonar cada etapa del ciclo. El conjunto de enzimas que activan, facilitan o finalizan cada fase son las ciclinas y las quinasas dependientes de la ciclina. Existen, especialmente durante la mitosis, una serie de puntos de control del ciclo celular, en los que se supervisa el proceso y se asegura que no se hayan cometido errores. Se trata de rutas de verificación de existencia transitoria , o sea, que una vez cumplida su función y comprobado que el proceso sigue sin fallos, desaparecen. Además, en caso de que el problema, pasado un lapso de tiempo, no se haya resuelto de manera satisfactoria, estos puntos de control preparan la célula para que emprenda la autodestrucción o apoptosis.
La mitosis es un proceso celular común, que se da incluso entre las células del cuerpo humano y de otros animales pluricelulares, ya que es la forma de reparar tejido dañado, o de aumentar el tamaño del cuerpo (crecimiento). La reproducción total del individuo, en cambio, se produce mediante gametos y es denominada meiosis. El cometido primordial de la mitosis es, claro, la multiplicación celular, pero también la preservación intacta de la información genética, a través de copias idénticas (clones). Esto no impide que puedan ocurrir daños o errores de copia en el ADN durante el proceso de replicación, sobre todo en las fases iniciales, lo cual conduce a mutaciones más o menos peligrosas. Debe considerarse que la mitosis es un proceso celular traumático, o sea, que obliga a la célula a sufrir una serie de cambios y que interrumpe su funcionamiento normal durante un lapso de tiempo. Muchos organismos unicelulares emplean la mitosis para reproducirse. También puede darse bajo la forma de endomitosis, cuando una célula se divide a lo interno, sin separar del todo su citoplasma y sin dividir su núcleo, en un proceso también conocido como endoreplicación, y que arroja células con muchas copias del mismo cromosoma en el mismo núcleo. La mitosis es un proceso complejo que puede dividirse en fases, las cuales son: Interfase. La fase primera, supone una suspensión momentánea en las tareas de la célula, mientras ésta dedica sus energías a duplicar su contenido: duplicar su cadena de ADN, duplicar sus orgánulos, para tener el doble de todo antes de la división. Profase. Acto seguido la envoltura del núcleo celular empieza a romperse, a medida que se duplica también el centrosoma y cada uno de los dos resultantes migra hacia un extremo distinto de la célula, para servir de polaridad en la división, formando estructuras filamentosas llamadas microtúbulos que servirán para separar los cromosomas. Prometafase. Se disuelve la envoltura nuclear y los microtúbulos invaden el espacio donde está el material genético, para iniciar la separación en dos conjuntos distintos. En este proceso se consume energía en forma de ATP. Metafase. Este es el punto de control de la mitosis, en la que se separan uno a uno los cromosomas del material genético, alineándose en el medio de la célula (ecuador). Esta fase no termina hasta que todos los cromosomas se hayan desprendido y estén alineados, respondiendo cada uno a un conjunto de microtúbulos determinado, de modo de evitar repeticiones. Anafase. Es la etapa crucial de la mitosis, pues los dos conjuntos cromosómicos inician su alejamiento y componen dos juegos enteros por separado. Esto ocurre gracias a la elongación de los microtúbulos que
propician la separación, empujando el material genético y los centrosomas hacia polos opuestos de la célula, que empieza a expandirse por la presión. Telofase. Aquí se revierten los procesos de la profase y prometafase, a medida que los microtúbulos siguen estirándose y empujando la célula desde adentro en dos direcciones opuestas. Cada grupo de cromosomas recupera su envoltura nuclear, a partir de los fragmentos que quedan de la original, y culmina la cariocinesis (división nuclear). Citocinesis. El evento que culmina la mitosis, consiste en la creación de un surco de escisión en el citoplasma común de las dos nuevas células, justo en el lugar en donde se alinearon los cromosomas (placa metafásica). El citoplasma es así estrangulado hasta que la membrana permite la separación total y el nacimiento definitivo de dos células hijas idénticas a la madre original. Meiosis La meiosis es un proceso a ratos similar a la mitosis, pero que se distingue de ella en ser un modo de reproducción sexual, combinatorio, que introduce la variación genética y arroja como resultado un nuevo individuo de genoma único, en lugar de dos individuos que comparten genoma. La reproducción sexual del ser humano y de otros animales responde a este proceso, que requiere de la unión de dos gametos (en lugar de una única célula madre): células que contienen la mitad de la carga genética del individuo todo, y que al juntarla con la del otro gameto (óvulos y espermatozoides), se restituye la totalidad del ADN, tras pasar algunas fases de recomposición al azar. Este método de reproducción es el más conveniente para la vida, ya que no produce clones del progenitor, sino un individuo totalmente nuevo, portador de fragmentos del genoma de cada uno de sus padres. ¿Qué es la meiosis? Se denomina meiosis a una de las formas en que se dividen las células, que se caracteriza por dar lugar a células hijas genéticamente diferentes a la célula que las originó. Este tipo de división celular es clave para la reproducción sexual, ya que a través de la meiosis los organismos producen sus gametos o células sexuales. El nuevo individuo resultante de la unión de dos gametos (uno masculino y uno femenino) tendrá un material genético distinto al de los parentales, que surge de la combinación de estos. La meiosis (del griego meioum , disminuir) consiste en la división de una célula diploide (2n), es decir, provista de dos juegos de cromosomas para dar lugar a
Además, se rompe la envoltura del núcleo y surge en la célula una suerte de línea divisoria. Metafase I. Los cromosomas bivalentes (compuestos por dos cromátidas cada uno, por lo que también se le llama tétrada) se disponen en el plano ecuatorial de la célula y se unen a una estructura formada por microtúbulos llamada huso acromático. Anafase I. Los cromosomas homólogos de cada bivalente (cada uno formado por dos cromátidas hermanas) se separan entre sí, tienden a un polo de la célula y forman dos polos haploides (n). La repartición genética al azar ya se ha llevado a cabo. Telofase I. Los grupos cromosómicos haploides llegan a los polos de la célula. Se forma nuevamente la envoltura nuclear. La membrana plasmática se separa y da origen a dos células hijas haploides. Meiosis II. Conocida como fase duplicativa, se asemeja a la mitosis: se forman dos individuos enteros duplicando el ADN. Profase II. Las células haploides creadas en la meiosis I condensan sus cromosomas y rompen la envoltura nuclear. Aparece nuevamente el huso acromático. Metafase II. Al igual que antes, los cromosomas tienden hacia el plano ecuatorial de la célula, preparándose para una nueva división. Anafase II. Las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan y son fraccionadas hacia polos opuestos de la célula. Telofase II. Cada uno de los polos de la célula recibe un juego haploide de cromáticas que pasan a llamarse cromosomas. Se forma nuevamente la envoltura nuclear, seguida de la partición del citoplasma y la formación de las membranas celulares que dan como resultado cuatro células haploides (n), cada una con una distribución distinta del código genético completo del individuo. Las diferencias entre mitosis y meiosis son varias: La mitosis está asociada a la reproducción asexual. La mitosis consiste en la división de una célula original para formar dos células hijas genéticamente idénticas. La mitosis es utilizada como mecanismo en los distintos tipos de reproducción asexual, en los cuales un organismo produce “clones” celulares, sin añadir variedad al pozo genético. La meiosis, en cambio, es un proceso requerido en la preparación para la reproducción sexual, y a diferencia de la mitosis, permite una alta recombinación genética. La mitosis está asociada a procesos de desarrollo y crecimiento. Los organismos pluricelulares utilizan el mecanismo de la mitosis para mantener y renovar sus estructuras Este tipo de división celular permite agregar células nuevas durante el desarrollo y crecimiento del individuo y sustituir las células viejas y gastadas a lo largo de la vida del organismo.
La mitosis crea dos células hijas. Ambas diploides e idénticas. La meiosis, en cambio, produce cuatro células descendientes, pero todas haploides y distintas entre sí y a la célula que la originó. La mitosis preserva el ADN. La mitosis es un mecanismo de preservación del material genético intacto (aunque pueden ocurrir mutaciones al azar durante el proceso), mientras que la meiosis lo somete a un proceso de recombinación en el cual pueden ocurrir errores, pero que también enriquece el genoma y permite la creación de cadenas particularmente exitosas. La meiosis es en algún punto la gran responsable de la variación genética entre individuo
