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2. Ingreso 2009
FACULTAD DE AGRONOMIA Y VETERINARIA
“Biología Celular y Molecular”
Autor:
Reynoso, Viviana
Rosa, Castagnino
NOTA:
Compilación de textos orientativos para el alumno no obstante los
alumnos deben consultar a la bibliografía sugerida al final de éste
apunte.
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3. Las células: Introducción
En algún momento de la historia de este planeta aparecieron sistemas biológicos
capaces de producir descendientes y evolucionar, un hecho íntimamente asociado
con los cambios que sufrió la Tierra.
Las células son las unidades estructurales y funcionales de todo ser vivo. Todos
los organismos están conformados por células.
La vida se caracteriza por una serie de propiedades que emergen en el nivel de
organización celular. La teoría celular constituye uno de los principios
fundamentales de la biología y establece que:
todos los organismos vivos están formados por una o más células,
estas constituyen las unidades morfológicas y fisiológicas de los
organismos.
las reacciones químicas de un organismo vivo, incluyendo los
procesos liberadores de energía y las reacciones biosintéticas,
tienen lugar dentro de las células.
las células se originan de otras células.
las células contienen la información hereditaria de los organismos
de los cuales son parte y esta información pasa de la célula
progenitora a la célula hija.
la unidad más pequeña de la vida es la célula.
Tabla 1.Clasificación de los organismos y las células
Reino Moneras Protistas Hongos Vegetales Animales
Organismos Bacterias Algas Protozoos Mohos Algas verdes Metazoos
representativos verde azules Hongos Algas rojas
Algas pardas
Biofitas
Traqueofitas
Clasificación Procariotas Eucariotas Eucariotas Eucariotas Eucariotas
celular
Cómo están organizadas las células
En la naturaleza existe una sorprendente diversidad de tipos celulares que, a la
vez, tienen una notable similitud. Cada célula es capaz de llevar a cabo
esencialmente los mismos procesos: obtener y asimilar nutrientes, eliminar los
residuos, sintetizar nuevos materiales para la célula, moverse y reproducirse.
Las células son las unidades básicas de la estructura y función biológicas pero
pueden diferir grandemente en su tamaño y forma. El tamaño de las células está
limitado por la relación entre superficie y volumen; cuanto mayor es la superficie
de una célula en proporción a su volumen, mayor será la cantidad de materiales
que pueden entrar o salir de ella en un espacio de tiempo dado. El tamaño celular
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4. también está limitado por la capacidad del núcleo para regular las actividades
celulares. Las células metabólicamente más activas tienden a ser pequeñas.
Las células tienen una compleja arquitectura interna que les permite realizar todas
sus funciones. En las células eucarióticas existe una variedad de estructuras
internas, las organelas, que son similares o, en algunos casos, idénticas de una
célula a otra en una amplia gama de tipos celulares.
Las células están separadas del medio circundante por una membrana celular.
Esta membrana restringe el paso de sustancias de afuera hacia el interior y
viceversa, y protege de esta manera su integridad estructural y funcional. Las
células de las plantas, de la mayoría de las algas, hongos y procariotas, están
además separadas del ambiente por una pared celular elaborada por las células
mismas.
El núcleo de las células eucarióticas está separado del citoplasma por la envoltura
nuclear, formada por dos bicapas lipídicas. Los poros de la envoltura nuclear
suministran los canales a través de los cuales pasan las moléculas desde y hacia
el citoplasma. El núcleo contiene el material genético y los cromosomas. Al actuar
conjuntamente con el citoplasma, el núcleo ayuda a regular las actividades de la
célula.
El citoplasma de la célula es una solución acuosa concentrada que contiene
enzimas, moléculas disueltas e iones además de organelas en el caso de las
células eucarióticas que desempeñan funciones especializadas en la vida de la
célula. Las células eucarióticas contienen una gran cantidad de organelas, la
mayoría de las cuales no existen en las células procarióticas.
El citoplasma eucariótico tiene un citoesqueleto que sirve de soporte e incluye
microtúbulos y filamentos de actina. El citoesqueleto mantiene la forma de la
célula, le permite moverse, fija sus organelas y dirige su tránsito.
Todas las células comparten dos características esenciales, la primera es una
membrana externa, la membrana celular o membrana plasmática que separa el
citoplasma de la célula de su ambiente externo. La otra es el material genético, la
información hereditaria que dirige las actividades de una célula y le permite
reproducirse y transmitir sus características a la progenie.
Procariotas y eucariotas
Existen dos tipos distintos de células, las procariotas y las eucariotas.
En las células procarióticas, el material genético se encuentra en forma de una
molécula grande y circular de DNA que puede estar débilmente asociada con una
pequeña cantidad de RNA y proteínas no histónicas.
En las células eucarióticas, el DNA es lineal y está fuertemente unido a proteínas
especiales llamadas histonas. Dentro de la célula eucariótica, el material genético
está rodeado por una doble membrana, la envoltura nuclear, que lo separa de los
otros contenidos celulares en un núcleo bien definido. En las procariotas, el
material genético no está contenido dentro de un núcleo rodeado por una
membrana, aunque está ubicado en una región definida llamada nucleoide.
En el citoplasma se encuentra una gran variedad de moléculas y complejos
moleculares, tanto los procariotas como los eucariotas contienen complejos
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5. proteicos de RNA llamados ribosomas que desempeñan una función clave en la
unión de los aminoácidos durante la síntesis de proteínas.
La membrana celular de los procariotas está rodeada por una pared celular
externa rígida que es elaborada por la propia célula.
Ciertas células eucarióticas, incluyendo las de las plantas y hongos, tienen una
pared celular, pero su estructura es diferente a las paredes celulares
procarióticas. Otras células eucarióticas, incluyendo las de nuestros propios
cuerpos y las de otros animales, no tienen paredes celulares.
Otro rasgo que distingue a los eucariotas de los procariotas es el tamaño: las
células eucarióticas habitualmente son de mayor tamaño que las procarióticas.
En las células eucarióticas, ciertas proteínas se organizan formando intrincadas
estructuras que dan lugar al citoesqueleto que aporta sostén estructural y posibilita
el movimiento celular.
Un ejemplo de células procariotas es la bacteria Escherichia coli y las
cianobacterias, (grupo de procariotas fotosintéticos) llamadas antes algas azules.
La E. coli es un procariota que resulta ser el más estudiado de todos los
organismos vivos.(Fig 1).
Célula procariota E. coli. (Fig. 1).
El material genético (DNA) se encuentra en la zona más clara, en el centro de
cada célula. Esta región no delimitada por membrana se llama nucleoide. Los
pequeños granos del citoplasma son los ribosomas. Las dos células del centro se
acaban de dividir y todavía no se han separado completamente.
En las células eucarióticas, sus funciones vitales se llevan a cabo en una gran
variedad de estructuras rodeadas por membranas llamadas organelas que
constituyen distintos compartimientos internos dentro del citoplasma y las
describiremos a continuación.
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6. Membrana Celular o Plasmática
La membrana celular o plasmática es esencial en la vida celular. No solamente
define los límites de la célula, sino que además permite que la célula exista como
una entidad diferente de su entorno. Esta membrana regula el tránsito de
sustancias hacia fuera y hacia adentro de la célula a través de procesos de
endocitosis y exocitosis. En las células eucarióticas, además, define los
compartimientos y organelas, lo que permite mantener las diferencias entre su
contenido y el citosol.
La membrana celular, como todas las membranas biológicas, consiste en una
delgada capa de fosfolípidos y proteínas; tiene entre 7 y 9 nanómetros de grosor y
no puede ser resuelta por el microscopio óptico. En cambio, con el microscopio
electrónico, puede verse como una doble línea delgada y continua.
Las membranas están rodeadas por un medio acuoso, lo que hace que las
moléculas de fosfolípidos se dispongan formando una bicapa. Los fosfolipodos se
ubican con sus colas hidrofobicas apuntando hacia el interior y sus cabezas
hidrofilicas apuntando hacia el exterior. Inmersas entre ellos se encuentran
moléculas de colesterol y proteínas.
Las membranas celulares son estructuras fluidas y dinámicas, este modelo de
estructura de membrana se conoce como el Modelo del mosaico fluido. (Fig. 2)
Estructura de la membrana celular- Modelo del mosaico fluido. (Fig. 2)
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7. Pared Celular
Una distinción fundamental entre las células animales y vegetales es que las
células vegetales están rodeadas por una pared celular. La pared se encuentra
por fuera de la membrana y es construida por la célula. Formada por pectinas (los
compuestos que constituyen el gel de las gelatinas) y por otros polisacáridos .La
pared contiene, principalmente, moléculas de celulosa asociadas en haces de
microfibrillas, a medida que la célula madura, frecuentemente contiene otras
moléculas, como la lignina, que sirven para reforzarla. En estas células, el material
que en principio estaba vivo, a menudo muere, dejando solamente la pared
externa como una obra arquitectónica de la célula. Las paredes celulares que
contienen celulosa también se encuentran en muchas algas. Las paredes
celulares procarióticas contienen polisacáridos y polímeros complejos conocidos
como peptidoglicanos, formados a partir de aminoácidos y azúcares.
La forma final de una célula está determinada por la estructura de su pared
celular.
Núcleo
El núcleo es un cuerpo grande, frecuentemente esférico, es la estructura más
voluminosa dentro de las células eucarióticas. Está rodeado por la envoltura
nuclear, constituida por dos membranas concéntricas, cada una de las cuales es
una bicapa lipídica a intervalos frecuentes, las membranas se fusionan creando
pequeños poros nucleares, por donde circulan los materiales entre el núcleo y el
citoplasma.
En las células eucarióticas, el material genético DNA es lineal y está fuertemente
unido a proteínas básicas llamadas histonas, con las cuales forman estructuras
granulares (10nm) denominadas nucleosomas. Cada molécula de DNA con sus
histonas constituye un cromosoma. Los cromosomas se encuentran en el núcleo.
El nucléolo es el sitio en el que se construyen las subunidades que constituyen los
ribosomas. Visto con el microscopio electrónico, el nucléolo aparece como un
conjunto de delicados gránulos y fibras diminutas. Estos gránulos y fibras están
constituidos por filamentos de cromatina, RNA ribosómico que está siendo
sintetizado y partículas de ribosomas inmaduros.
La función esencial del núcleo son: almacenamiento de la información genética,
duplicación del ADN y transcripción del ADN.
Citoplasma
La célula era vista como una bolsa de fluido que contenía enzimas y otras
moléculas disueltas, juntamente con el núcleo, unas pocas mitocondrias Con el
desarrollo del microscopio electrónico se han identificado estructuras dentro del
citoplasma, altamente organizadas.
El citoplasma de los procariotas carece de citoesqueleto , tiene una apariencia
granular fina, debida a sus muchos ribosomas estos son más pequeños que los
de los eucariotas, además el citoplasma de las células procariotas no contiene
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8. núcleo ni organelas y no está dividido en compartimientos por membranas.
Entre las células eucarióticas se distinguen dos tipos de células, vegetales y
animales.
La célula animal de la siguiente figura (Fig. 3), se halla limitada por una membrana
celular o plasmática, que actúa como una barrera selectivamente permeable
respecto al medio circundante.
Una célula animal, interpretada según fotomicrografías electrónicas. (Fig.3)
Dentro de la membrana se encuentra el citoplasma, que contiene las enzimas y
otros solutos de la célula, este está atravesado y subdividido por un complejo
sistema de membranas, el retículo endoplásmico, parte del cual se muestra aquí.
En algunas áreas, el retículo endoplásmico está cubierto por ribosomas, que son
las estructuras especiales sobre las cuales los aminoácidos se ensamblan en
proteínas. También se encuentran ribosomas en otras partes del citoplasma. Los
complejos de Golgi son centros de empaquetamiento o compactación de
moléculas sintetizadas dentro de la célula. Los lisosomas y peroxisomas son
vesículas en las cuales diferentes tipos de moléculas se degradan a
constituyentes más simples que pueden ser utilizados por la célula o en el caso de
productos de desecho, eliminados fácilmente. Las mitocondrias son el asiento de
las reacciones químicas que suministran energía para las actividades celulares.
El citoesqueleto, que es una red altamente estructurada y compleja de filamentos
proteicos, ocupa todo el citoplasma. Entre sus componentes están los
microtúbulos, que tienen aspecto de bastones y los filamentos intermedios, que
son estructuras filiformes que se concentran cerca de la membrana celular.
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9. Una célula vegetal, interpretada según fotomicrografías electrónicas. (Fig. 4)
La célula vegetal de la figura anterior está limitada por una membrana celular.
Rodeando a la membrana celular hay una pared celular que contiene celulosa.
Los plasmodesmos, que son canales que atraviesan las paredes celulares,
permiten una conexión citoplasmática entre células contiguas. La estructura más
prominente en muchas células vegetales es una vacuola grande, llena con una
solución de sales, en las células vegetales maduras, la vacuola ocupa la mayor
parte de la célula manteniendo la rigidez de la pared celular.
Cloroplastos
Los plástidos son organelas limitadas por membrana y se encuentran sólo en los
organismos fotosintéticos. Los plástidos maduros son de tres tipos: leucoplastos,
cromoplastos y cloroplastos.
Los cloroplastos (chloro significa "verde") son los plástidos que contienen clorofila
y en los cuales se produce energía química a partir de energía lumínica, en el
proceso de fotosíntesis.
Las moléculas de clorofila están situadas en las membranas tilacoides que forma
una serie de compartimientos y superficies de trabajo dentro de los cloroplastos.
Ribosomas
Los organelas más numerosas (tanto en procariotas como en eucariotas) son los
ribosomas los sitios de ensamble de proteínas, están rodeados por una membrana
y constituidos por dos subunidades, cada una de las cuales está formada por un
complejo de RNA ribosomal y proteínas .Los ribosomas son los sitios en los
cuales ocurre el acoplamiento de los aminoácidos que forman las proteínas.
Cuanto más proteína esté fabricando una célula, más ribosomas tendrá.
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10. Sistema de Endomembranas
Las células eucarióticas poseen sistemas membranosos internos que las dividen
en
compartimientos u organelas que constituyen el sistema de endomembranas:
vacuolas y vesículas, retículo endoplasmático, complejo de Golgi y lisosomas.
El citoplasma de las células eucarióticas contiene un gran número de vesículas,
organelas en forma de sacos rodeados de membranas cuyas principales funciones
son el almacenamiento temporario y el transporte de materiales, tanto dentro de la
célula como hacia el interior y exterior.
Retículo Endoplásmico
El citoplasma de las células eucarióticas está subdividido por una red de
membranas conocidas como retículo endoplásmico, que sirven como superficie de
trabajo para muchas de sus actividades bioquímicas. Es una red de sacos
aplanados, tubos y canales conectados entre sí, que caracteriza a las células
eucarióticas. La cantidad de retículo endoplásmico de una célula no es fija, sino
que aumenta o disminuye de acuerdo con la actividad celular.
En las células eucarióticas muchos ribosomas están unidos a la superficie del
retículo endoplásmico, produciendo el retículo endoplásmico rugoso (RER).
El retículo endoplásmico liso, que carece de ribosomas, es abundante en células
especializadas en la síntesis lipídica o en el metabolismo de lípidos.
Complejo de Golgi
El complejo de Golgi es un centro de procesamiento y compactación de materiales
que se mueven a través de la célula y salen de ella. Cada complejo de Golgi
recibe vesículas del retículo endoplasmático, modifica sus membranas y sus
contenidos e incorpora los productos terminados en vesículas de transporte que
los llevan a otras partes del sistema de endomembranas, a la superficie celular y
al exterior de la célula.
Interpretación gráfica a partir de
una fotomicrografía electrónica
de un complejo de Golgi.(Fig.
5) Nótense las vesículas que se
segregan de los bordes de las
cisternas aplanadas.
Complejo de Golgi. (Fig. 5)
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11. Las diferentes etapas de este procesamiento químico ocurren en diferentes
cisternas del complejo de Golgi y los materiales son transportados de una cisterna
a la siguiente por medio de las vesículas. Después de completarse el
procesamiento químico, el nuevo material de membrana, compactado dentro de
las vesículas, es enviado a su destino final.
Interacción de los y ribosomas, el retículo endoplásmico y el complejo de Golgi sus
vesículas. (Fig. 6)
Interacción : Retículo
Endoplásmico.
Complejo de Golgi.
Ribosomas. (Fig.6)
Los ribosomas, el retículo endoplásmico y el complejo de Golgi y sus vesículas
cooperan en la síntesis, procesamiento químico, empaquetamiento y distribución
de macromoléculas y nuevo material de membrana.
Lisosomas
Los lisosomas, un tipo de vesícula relativamente grande, formada en el complejo
de Golgi, contienen enzimas hidrolíticas y están implicados en las actividades
digestivas intracelulares como son la degradación de proteínas, polisacáridos,
ácidos nucleicos y lípidos.
Peroxisomas
Los peroxisomas son otro tipo de vesícula relativamente grande presente en la
mayoría de las células eucarióticas; contienen enzimas oxidativas que remueven
el hidrógeno de pequeñas moléculas orgánicas y lo unen a átomos de oxígeno
formando peróxido de hidrógeno (H2O2), un compuesto que es extremadamente
tóxico para las células vivas. Otra de las enzimas, la catalasa, escinde
inmediatamente el peróxido de hidrógeno en agua e hidrógeno, evitando cualquier
daño a las células. Los peroxisomas son particularmente abundantes en las
células hepáticas, donde participan en la desintoxicación de algunas sustancias.
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12. Mitocondrias
Las mitocondrias son organelas limitadas por membrana en las cuales las
moléculas orgánicas que almacenan energía química (ATP) son degradadas y la
energía liberada es envasada en unidades más pequeñas.
Las mitocondrias pueden adoptar diferentes formas; están siempre rodeadas por
dos membranas, la más interna de las cuales se pliega hacia adentro. Estos
pliegues, conocidos como crestas, son superficies de trabajo para las reacciones
mitocondriales. Se reproducen por fisión binaria como las bacterias, tienen un
pequeño genoma que codifica para algunas de sus proteínas y tienen además
ribosomas similares a los procarióticos.
(Fig.7)
Citoesqueleto
La observación del interior de la célula en tres dimensiones ha revelado
interconexiones entre estructuras de proteínas filamentosas dentro del citoplasma
de células eucarióticas. Estas estructuras forman un esqueleto celular o
citoesqueleto que mantiene la organización de la célula, le permite moverse,
posiciona sus organelas y dirige el tránsito intracelular.
Se han identificado tres tipos diferentes de filamentos como integrantes principales
del citoesqueleto: los microtúbulos, los filamentos de actina (también conocidos
como microfilamentos) y los filamentos intermedios.
Los microtúbulos son tubos huecos, largos, organizados a partir de dímeros de
proteínas globulares, las tubulinas alfa y beta.
Los filamentos de actina son delicadas hebras de proteínas globulares. Cada
filamento está constituido por muchas moléculas de actina unidas en una cadena
helicoidal. Los filamentos de actina también pueden ser integrados y
desintegrados fácilmente por la célula y también desempeñan papeles importantes
en la división y la motilidad celular.(Fig.9)
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13. Esquema de un
microtúbulo, un
filamento de actina
y un filamento
intermedio. (Fig.9).
Cilios y los flagelos
Los cilios se originan en los cuerpos basales y consisten en una estructura de
microtúbulos 9 + 2. Los cuerpos basales originan los cilios y los flagelos y
consisten en 9 tripletes de microtúbulos ubicados en la periferia. Los cuerpos
basales no tiene microtúbulos centrales y no tienen “brazos” en ninguno de los
microtúbulos de los tripletes.
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14. Tabla 2-Organización general de la célula eucariota
Principales componentes Subcomponentes Función principal
Membrana celular Pared celular protección
Membrana plasmática Permeabilidad, endocitosis
y exocitosis
Cubierta celular Interacciones celulares
Núcleo cromosomas Genes
Nucléolo Síntesis proteica
Citoplasma
Citosol Enzimas solubles Glucólisis
Ribosomas Síntesis de Proteica
Citoesqueleto Microtúbulos - Forma y movilidad de la
Microfilamentos célula
Organoides microtubulares Centrosoma y centríolos División Celular
Cuerpos basales y cilios Motilidad Celular
Membrana nuclear Permeabilidad nuclear
Sistema de Retículo endoplasmático Síntesis y procesamiento
Endomembraneas
Complejo de Golgi Secreción
Lisosomas Digestión
Organoides de membrana Mitocondrias Síntesis de ATP
Cloroplastos Fotosíntesis
Peroxisomas Protección
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15. Tabla 3-Organización celular en procariotas y eucariotas
Células Células
Procariotas Eucariotas
Envoltura nuclear Ausente Presente
ADN Desnudo Combinado con
proteínas
Cromosomas Único Múltiples
Nucléolos Ausentes Presentes
División Celular Amitosis Mitosis o meiosis
Ribosomas 70S* 80S*
Endomembranas Ausentes Presentes
Mitocondrias Enzimas- Presentes
respiratorias y
fotosintéticas en la
mb.plasmática
Cloroplastos Ausentes Presentes
Pared celular No celulósica Celulósica en
célula vegetal
Exocitosis y Endocitosis Ausentes Presentes
Ciclo celular. División Celular.
Las células eucarióticas pasan a través de una secuencia regular de crecimiento y
división llamada ciclo celular.
El ciclo celular consiste en tres fases: interfase, mitosis, y citocinesis. Antes de que
una célula eucariótica pueda comenzar la mitosis y dividirse efectivamente, debe
duplicar su DNA , sintetizar histonas asociadas con el DNA de los cromosomas,
producir una reserva adecuada de organelas para las dos células hijas y
ensamblar las estructuras necesarias para que se lleven a cabo la mitosis y la
citocinesis. Estos procesos preparatorios ocurren durante la interfase, en la cual, a
su vez, se distinguen tres etapas: las fases Gl, S y G2. (Fig. 9). En la fase G1, las
moléculas y estructuras citoplasmáticas aumentan en número, en la fase S, los
cromosomas se duplican; y en la fase G2, comienza la condensación de los
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16. (Fig. 10)
cromosomas y el ensamblado de las estructuras especiales requeridas para la
mitosis y la citocinesis.
En los cromosomas, el material genético se encuentra organizado en secuencias
de nucleótidos llamadas genes. Los genes portan información esencial para el
funcionamiento de la célula.
En los organismos unicelulares, por este mecanismo aumenta el número de
individuos en la población. En las plantas y animales multicelulares, la división
celular es el procedimiento por el cual el organismo crece, partiendo de una sola
célula, y los tejidos dañados son reemplazados y reparados.
Por medio de la división celular el DNA de una célula se reparte entre dos nuevas
células hijas. La distribución de duplicados exactos de la información hereditaria
es relativamente simple en las células procarióticas en las que, la mayor parte del
material genético está en forma de una sola molécula larga y circular de DNA, a la
que se asocian ciertas proteínas específicas. Esta molécula constituye el
cromosoma de la célula y se duplica antes de la división celular. Cada uno de los
dos cromosomas hijos se ancla a la membrana celular en polos opuestos de la célula.
Cuando la célula se alarga, los cromosomas se separan. Cuando la célula alcanza
aproximadamente el doble de su tamaño original y los cromosomas están
separados, la membrana celular se invagina y se forma una nueva pared, que
separa a las dos células nuevas y a sus duplicados cromosómicos. En las células
eucarióticas, el problema de dividir exactamente el material genético es mucho más
complejo que en las procarióticas.
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17. Mitosis
La mitosis cumple la función de distribuir los cromosomas duplicados de modo tal
que cada nueva célula obtenga una dotación completa de cromosomas.
La mitosis comprende una serie de fases consecutivas: a) Interfase. La cromatina
ya está duplicada pero todavía no se ha condensado. Dos pares de centríolos se
encuentran justo al lado de la envoltura nuclear. b) Profase. Los centríolos
empiezan a moverse en dirección a los polos opuestos de la célula, los
cromosomas condensados son ya visibles, la envoltura nuclear se rompe y
comienza la formación del huso mitótico. c) Metafase temprana. Las fibras polares
y cinetocóricas del huso tiran de cada par de cromátides hacia un lado y otro. d)
Metafase tardía. Los pares de cromátides se alinean en el ecuador de la célula. e)
Anafase. Las cromátides se separan. Las dos dotaciones de cromosomas recién
formados son empujadas hacia polos opuestos de la célula. f) Telofase. La
envoltura nuclear se forma alrededor de cada dotación cromosómica y los
cromosomas se descondensan y adquieren, nuevamente, un aspecto difuso. Los
nucléolos reaparecen. El huso mitótico se desorganiza y la membrana plasmática
se invagina en un proceso que hace separar las dos células hijas.
La citocinesis es la división del citoplasma se produce por la contracción de un anillo
compuesto por filamentos de actina y miosina el anillo contráctil que se encuentra
unido a la cara citoplasmática de la membrana celular éste actúa en la membrana de
la célula materna, a la altura de su línea media, estrangulándola hasta que se
separan las dos células hijas.
Meiosis
Consiste en dos divisiones nucleares sucesivas, designadas meiosis I y meiosis II.
La meiosis es un tipo especial de división nuclear en el que se redistribuyen los
cromosomas y se producen células que tienen un número haploide de
cromosomas (n). La fecundación restablece el número diploide (2n) (Fig.10)
Cada una de las células haploides producidas por meiosis contiene un complejo
único de cromosomas, debido al entrecruzamiento y a la segregación al azar de
los cromosomas. De esta manera, la meiosis es una fuente de variabilidad en la
descendencia.
Cada organismo tiene un número de cromosomas característico de su especie.
Sin embargo, en estos los organismos y en la mayoría de las otras plantas y
animales conocidos, las células sexuales, o gametos, tienen exactamente la mitad
del número de cromosomas que las células somáticas del organismo. El número
de cromosomas de los gametos se conoce como número haploide, y en las
células somáticas, como número diploide. Las células que tienen más de dos
dotaciones cromosómicas se denominan poliploides. (Fig.11)
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18. Existen importantes diferencias entre
los procesos de mitosis y meiosis.
Durante la meiosis, cada núcleo
diploide se divide dos veces,
produciendo un total de cuatro
núcleos. Sin embargo, los
cromosomas se duplican sólo una
vez, antes de la primera división
nuclear. Por lo tanto, cada uno de los
cuatro núcleos producidos contiene la
mitad del número de cromosomas
presentes en el núcleo original.
(Fig.11)
A diferencia de lo que ocurre en la meiosis, en la mitosis, luego de la duplicación
de los cromosomas, cada núcleo de divide sólo una vez. En consecuencia, el
número de cromosomas se mantiene invariable.
Durante la interfase que precede a la meiosis, los cromosomas se duplican. En la
profase I de la meiosis, los cromosomas homólogos se aparean. Un homólogo de
cada par proviene de un
progenitor, y el otro
homólogo, del otro
progenitor. Cada
homólogo consta de dos
cromátides hermanas
idénticas, que se
mantienen unidas por el
centrómero. Mientras los
homólogos están
apareados, ocurre entre
ellos el entrecruzamiento,
dando como resultado el
intercambio de material
cromosómico.
(Fig.12)
Al finalizar la meiosis I, los cromosomas homólogos se separan. Se producen dos
núcleos, cada uno con un número haploide de cromosomas. Cada cromosoma, a
su vez, está formado por dos cromátides. En la segunda etapa de la meiosis, la
meiosis II, las cromátides hermanas de cada cromosoma se separan, como si
fuese una mitosis Cuando los dos núcleos se dividen, se forman cuatro células
haploides.
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19. Componentes químicos de la célula
Los componentes químicos de la célula se clasifican en orgánicos e inorgánicos.
La biología de la célula es inseparable de la de las moléculas, porque de la misma
manera que la células son los bloques con que se edifican los tejidos y los
organismos, las moléculas son los bloques con que se construyen las células. Al
principio el estudio de la composición química de la célula se hizo por análisis
bioquímico de órganos y tejidos enteros, como hígado, cerebro, la piel o el
meristema vegetal. En los últimos años el desarrollo de método de
fraccionamiento celular permitió aislar diferentes elementos subcelulares y recoger
una información más importante y precisa sobre la estructura de la célula.
Agua y Minerales
Los componentes químicos inorgánicos son el agua y los minerales, del total de
los componentes de las células un 75% a 85% es agua, entre el 2-3% son sales
inorgánicas.
El contenido de agua en un organismo está en relación con la edad y con la
actividad metabólica, es mayor en el embrión y disminuye con los años.
El agua sirve como solvente natural de iones minerales y como medio de
dispersión para la estructura coloidal de los componentes celulares.
El contenido del agua de la célula está dado por la suma de una fracción libre y
otra ligada. El agua libre representa el 95% del agua total y es la parte usada
principalmente como solvente para los solutos y como medio dispersante del
sistema coloidal que se da en la célula. El agua ligada representa solo 5%, y es la
que está unida laxamente a las proteínas por uniones de hidrógeno y otras
fuerzas. Además, el agua interviene en la eliminación de sustancias de la célula y
en la absorción de calor lo que evita cambios drásticos de temperatura en la
célula. Otra importante propiedad del agua es ionización en un anión hidroxilo
(OH-) y un ion hidrógeno o protón (H+).
Las sales disociadas en aniones (por ejemplo, Cl-) y cationes (Na+ y K+) son
importantes para mantener la presión osmótica y el equilibrio ácido-base de la
célula.
Algunos iones inorgánicos como el Mg2+ son indispensables como cofactores
enzimáticos.
Otros, como el fosfato inorgánico, forman parte del compuesto adenosina trifosfato
(ATP), que es la principal fuente de energía para los procesos vitales de la célula.
Además integra otras moléculas, como fosfolípidos, fosfoproteínas y azucares
fosforilados. Otros iones que existen en las células son el sulfato, el carbonato, el
bicarbonato, etc.
Ciertos minerales se encuentran en forma no ionizada. Así ocurre con el hierro,
que en la hemoglobina, la ferritina, los citocromos y en algunas enzimas se halla
ligado por uniones carbono-metal.
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20. Ácidos Nucleico
Los Ácidos Nucleicos son macromoléculas de suma importancia biológica. Todos
los organismos vivos contienen ácidos nucleicos en forma de ácido
desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN).
El ADN constituye el depósito fundamental de la información genética. Esta
información es copiada o transcripta en las moléculas de ARN, cuyas secuencias
de nucleótidos contiene el código para las secuencias específicas de aminoácidos.
Entonces se produce la síntesis de proteínas, en un proceso llamado traducción
del ARN. Esta serie de fenómenos ha recibido el nombre de dogma central de la
biología molecular, que puede resumirse de la siguiente manera:
ADN-------------transcripción-----------ARN-----------traducción----------------PROTEINA
En las células superiores el ADN se halla principalmente en el núcleo integrando
los cromosomas. Una pequeña cantidad se encuentra en el citoplasma, dentro de
las mitocondrias y los cloroplastos. El ARN se localiza tanto en el núcleo, donde se
forma, como en el citoplasma, donde tiene lugar la síntesis proteica.
Los ácidos nucleicos están formados por un azúcar (pentosa), una base
nitrogenada (purina o pirimidina) y ácido fosfórico.
La hidrólisis del ADN o del ARN genera:
ADN ARN
Pentosa desoxirribosa Ribosa
Bases--------Purinas adenina-guanina adenina-guanina
Bases--------Pirimidinas timina-citosina uracilo-citosina
Ácido fosfórico PO4H3 PO4H3
Watson y Crick propusieron un modelo doble hélice, para la estructura del ADN
que contempla las propiedades químicas y biológicas especialmente la capacidad
de duplicación de la molécula. La molécula de ADN está formada por dos cadenas
de ácidos nucleicos helicoidales con giro a la derecha, que componen una doble
hélice alrededor de un mismo eje central. Las dos cadenas son antiparalelas, lo
cual significa que sus uniones 3’,5’-fosfodiester siguen direcciones opuestas, las
bases están situadas en el interior de la hélice en un plano perpendicular al eje
helicoidal. Ambas cadenas se hallan unidas entre sí por medio de puentes de
hidrógeno establecidos entre las bases. Las secuencias de bases deben ser
complementarias, debido a esta propiedad, al separarse una cadena de la otra
durante la duplicación del ADN, cada una sirve de molde para la síntesis de una
nueva cadena complementaria. De este modo se generan dos moléculas hijas de
ADN de doble cadena que tiene la misma constitución molecular que la doble
cadena progenitora.
La estructura primaria del ARN es similar a la del ADN, excepto por la presencia
de ribosa en lugar de desoxirribosa y de uracilo en lugar de timina.
La molécula de ARN está formada por una sola cadena.
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21. Existen tres clases principales de ARN: 1) ARN mensajero (ARNm);
ARNribosómico (ARNr) y el ARN de transferencia (ARNt).Los tres intervienen en la
síntesis de proteica.
El ARNm lleva la información genética tomada del ADN que establece la
secuencia de los aminoácidos en la proteína. El ARNr representa el 50% de la
masa del ribosoma (el otro 50% son proteínas), que es el organoide que
proporciona el sostén molecular para las reacciones químicas que dan lugar a la
síntesis de proteica. El ARNt identifica y transporta a los aminoácidos hasta el
ribosoma. Las moléculas de ARN tienen extensas regiones con bases
complementarias esto le permite plegarse sobre sí mismas para formar unas
estructuras llamadas asas en horquilla.
Hidratos de Carbono
Los hidratos de carbono constituyen la principal fuente de energía para la célula,
están compuestos por, hidrógeno y oxígeno, son constituyentes de la pared celular
y de las sustancias intercelulares. Se clasifican de acuerdo con el número de
monómeros que contienen, en monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y
polisacáridos.
Los monosacáridos son azúcares simples con una fórmula general Cn (H2O)n , se
clasifican sobre la base del número de átomos de carbono que contienen, en
triosas, pentosas y hexosas. La glucosa que es una hexosa, constituye la fuente
primaria de enrgía para la célula. Los disacáridos son azúcares formados por la
combinación de dos monómeros de hexosa. Los oligosacáridos se hallan unidos a
lípidos y proteínas, de modo que en el organismo forman parte de glicolípidos y
glicoproteínas, estos forman cadenas ramificadas de compuestas por distintos
monosacáridos como: galactosa, glucosa, manosa, xilosa etc.
Los polisacáridos que resultan de la combinación de hexosas los más importantes
son el almidón y el glucógeno, que representan sustancias de reserva alimenticia
en células vegetales y animales.
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22. Lípidos
Los lípidos son un grupo de moléculas caracterizadas por ser insolubles en agua y
solubles en los solventes orgánicos. Tales propiedades se deben a que poseen
largas cadenas hidrocarbonadas alifáticas o anillos bencénicos, que son
estructuras hidrofobicas. Los lípidos más comunes son los triglicéridos, los
fosfolípidos, los glicolípidos y los esteroides.
Los triglicéridos son triésteres de ácidos grasos con glicerol. Los triglicéridos
sirven como reserva de energía para el organismo. Las cadenas hidrocarbonadas
liberan gran cantidad de energía cuando son oxidadas. Sus ácidos grasos están
constituidos por una cadena hidrocarbonada, cuya fórmula general es:
COOH
|
(CH2)n
|
CH3
En las células existen dos clases de fosfolípidos, los glicerofosfolípidos y los
esfingolípidos, los primeros tienen dos ácidos grasos unidos a una molécula de
glicerol ejemplo de estos son la fofatidilcolina, fosftidiletanolamina, fosfatidilinositol
y fosfatidilserina. Los segundos esfingofosfolipidos contienen un aminoalcohol
llamado esfingosina en reemplazo del glicerol El esfingolípido que nos interesa es
la esfingomielina.
Los fosfolípidos son los componentes de las membranas celulares, exhiben dos
largas colas hidrofobicas no polares y una cabeza hidrofílica polar por lo tanto son
moléculas anfipáticas, cuando se dispersan en agua adoptan espontáneamente
una organización en bicapa idéntica a la de las membranas celulares, con cabezas
polares hacia fuera y sus colas no polares enfrentadas entre sí.
Proteínas
Las proteínas son cadenas de aminoácidos ligados por uniones peptídicas. Las
uniones que componen las proteínas son aminoácidos. Un aminoácido es un ácido
orgánico en el cual el carbono unido al grupo carboxilo (-COOH), llamado carbono
ά, está unido también a un grupo amino (-NH2) .Además el carbono se halla ligado
a una cadena lateral (R), que es diferente en cada tipo de aminoácido.
R
|
H2 N—C —COOH
|
H
Existen cuatro niveles de organización estructural en las proteínas, estructura
primaria, comprende la secuencia de los aminoácidos que forman la cadena
proteica, estructura secundaria, es una configuración espacial de los aminoácidos
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23. tienen una estructura con forma de cilindro o en hélice ά, estructura terciaria está
determinada por la aparición de plegamientos entre las regiones hélice ά y hoja
plegada β de la cadena polipeptídica, la estructura cuaternaria es la combinación
de todas las anteriores, un ejemplo es la molécula de hemoglobina. Los cuatro
niveles de organización de las proteínas dependen de los diferentes tipos de
uniones químicas entre sus átomos. Así, se producen uniones covalentes, como
uniones peptídicas que unen a los aminoácidos en la secuencia primaria y los
puentes –S-S- y uniones no covalentes entre las que se encuentran: uniones
iónicas o electrostáticas, puente de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y de van
der Waals.
Enzimas
Las enzimas catalizan reacciones químicas, estas son catalizadores biológicos. Un
catalizador es una sustancia que acelera las reacciones químicas sin modificarse,
lo que significa que puede ser utilizado otra vez. Las enzimas (E) son proteínas
que tienen uno o más sitios activos, a los cuales se une el sustrato (S),es decir , la
sustancia sobre la que actúa la enzima. El sustrato es modificado químicamente y
convertido en uno o más productos en forma reversible. Una característica muy
importante de la actividad enzimática es su especificidad sobre el sustrato.
Algunas enzimas requieren de cofactores para poder actúa, éste puede ser un
metal o grupo prostético, otras enzimas necesitan moléculas denominadas
coenzimas. En la unión del sustrato al sitio de la enzima participan fuerzas
químicas de naturaleza covalente (uniones iónicas, puentes de hidrogeno, uniones
de van der Waals). En términos moleculares se consideran dos etapas en el
funcionamiento de una enzima: la formación del complejo específico, y la etapa
catalítica propiamente dicha, en la cual se producen las diferentes reacciones
catalíticas.
Generalidades de los diversos tipos de microscopia
Por ser de un tamaño muy pequeño, las células y las estructuras subcelulares
necesitan de microscopios para poder ser observadas por el ojo humano, de
limitado poder de resolución.
Los tres tipos principales son el microscopio óptico, el microscopio electrónico de
transmisión y el microscopio electrónico de barrido.
Se han desarrollado además otras técnicas microscópicas .Los sistemas ópticos
especiales de contraste de fase, de interferencia diferencial y de campo oscuro
hacen posible estudiar células vivas. Un avance tecnológico importante fue el uso
de computadoras y cámaras de video integradas a los microscopios.
¿Cuáles son las ventajas y desventajas de estudiar células con el microscopio
electrónico de transmisión y con el microscopio electrónico de barrido? ¿Y cuáles
las que presentan microscopios ópticos especiales como el de contraste de fase,
el de interferencia diferencial y el de campo oscuro?
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24. El microscopio electrónico de transmisión tiene la mejor resolución (0,2
nanometros) y provee una clara imagen del detalle ultraestructural. Las
desventajas incluyen la necesidad de teñir, fijar, cortar, deshidratar y, por lo tanto,
matar al espécimen.
El microscopio electrónico de barrido (poder de resolución=10 nanometros)
provee una imagen vívida de la estructura tridimensional de las células y de las
estructuras celulares. Sin embargo, la preparación de los especímenes es muy
trabajosa, y consiste en el sombreado y secado por congelamiento de los
especimenes. Este proceso no solamente resulta en la muerte del espécimen en
estudio, sino que también genera dudas acerca de cuán real es la imagen
observada.
Los microscopios de contraste de fases, de interferencia diferencial y el de campo
oscuro permiten estudiar organismos vivos. A pesar de que estos microscopios
tienen un limitado poder de resolución y, por ende, no son muy claros en cuanto al
detalle de lo que se observa, permiten a veces observar cosas que no son visibles
con los otros microscopios.
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25. AUTOEVALUACIÓN
Cuestionario:
1. Distinga entre los siguientes términos: membrana celular/pared celular;
núcleo/nucléolo; retículo endoplasmático liso/retículo endoplasmático
rugoso; lisosomas/peroxisomas; cloroplastos/mitocondrias; cilios/flagelos;
cuerpo basal/centríolo.
2. Describa la estructura de la membrana celular. ¿Cuál es la importancia
funcional de estas diferencias?
3. a) Dibuje una célula animal. Incluya las principales organelas y póngales
nombre. b) Prepare un dibujo similar con nombres de una célula vegetal. c)
¿Cuáles son las principales diferencias entre la célula animal y la vegetal?
4. ¿Cuáles son las funciones del citoesqueleto? Describa las similitudes y
diferencias entre microtúbulos, filamentos de actina y filamentos
intermedios.
5. Explique las funciones de cada una de las siguientes estructuras:
ribosomas, retículo endoplasmático, vesículas y complejos de Golgi.
¿Cómo es su interacción en la síntesis y envío del nuevo material de
membrana y en la exportación de proteínas por la célula?
6. En nuestros cuerpos y en los de la mayoría de los animales ocurren mitosis
y meiosis. ¿Cuáles son los productos finales de estos dos procesos?. ¿En
qué parte de nuestro cuerpo ocurren estos procesos?
Bibliografía
Biología.H.Curtis y N.S.Barnes.Directoras de la 6º edición del libro en español
Adrina Schnek y Graciela Flores.
Biología Celular y Molecular de De Robertis. De Robertis(h.)-HIB-PONZIO,sexta
edición.
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