Biología Celular: Estructura, Ciclo, Membrana y Técnicas de Estudio

Estructura y Función del Núcleo Interfásico

Observación y Características Generales

El núcleo interfásico es una estructura fundamental en las células eucariotas, visible tanto al microscopio óptico (MO) como al microscopio electrónico de transmisión (MET). Su número, forma y localización pueden variar según el tipo celular y su estado funcional.

Estructura Nuclear

El núcleo está delimitado por la envoltura nuclear, compuesta por una membrana nuclear externa (MNEXT) y una membrana nuclear interna (MNINT), separadas por el espacio perinuclear. Esta envoltura presenta poros nucleares, estructuras complejas que regulan el transporte de moléculas entre el núcleo y el citoplasma.

Poros Nucleares: Composición y Transporte

Los poros nucleares están formados por un conjunto de proteínas organizadas en dos anillos (uno citoplasmático y otro nuclear). Un tercer componente, a modo de unión entre ambos anillos, junto con un transportador central (a veces con un diafragma), regula el paso de sustancias. El transporte a través de los poros es un proceso activo y selectivo. Se distinguen dos mecanismos principales:

• Importación: Las proteínas destinadas al núcleo (con una señal de localización nuclear) se unen a proteínas transportadoras (importinas) que las introducen. La liberación de la carga requiere la interacción con otras proteínas (Ran-GTP).
• Exportación: Las moléculas que deben salir del núcleo (como el ARNm) se asocian a proteínas exportadoras (exportinas). La liberación de la carga en el citoplasma también está regulada.

Lámina Nuclear

La lámina nuclear es una red de filamentos intermedios (laminas) que proporciona soporte estructural al núcleo y participa en la organización de la cromatina. Su activación y desactivación están reguladas durante el ciclo celular.

Cromatina y Cromosomas

La cromatina es el material genético del núcleo, compuesto por ADN y proteínas (histonas y no histonas). Durante la división celular, la cromatina se condensa para formar los cromosomas. Cada cromosoma tiene un número característico de cromosomas, que varía según la especie. El centrómero es una región especializada del cromosoma, generalmente con ADN inactivo, crucial para la segregación cromosómica. Los telómeros son los extremos de los cromosomas, también con ADN inactivo, que se acortan con cada división celular (excepto en células germinales y tumorales, que poseen telomerasa). La condensación de la cromatina implica la modificación de las histonas (acetilación, metilación, etc.) y un empaquetamiento progresivo del ADN. Existen diferentes tipos de cromatina:

• Eucromatina: Menos condensada, transcripcionalmente activa.
• Heterocromatina: Más condensada, transcripcionalmente inactiva (constitutiva o facultativa).

La observación de la cromatina se puede realizar mediante diferentes técnicas (MO, MET, técnicas de tinción específicas).

Nucléolo

El nucléolo es una estructura subnuclear visible al microscopio, especialmente prominente en células con alta actividad de síntesis de proteínas (como las neuronas). Se compone de varias regiones:

• Organizador nucleolar (región del ADN que codifica para el ARNr).
• Centro fibrilar.
• Componente fibrilar denso.
• Componente granular.

El nucléolo es el sitio de síntesis y procesamiento del ARN ribosómico (ARNr).

Ciclo Celular y sus Mecanismos de Regulación

Fases del Ciclo Celular

El ciclo celular es la secuencia de eventos que conducen al crecimiento y división de una célula. Se divide en varias fases:

• G1 (Gap 1): La célula crece y duplica sus orgánulos (excepto el ADN).
• S (Síntesis): Se replica el ADN.
• G2 (Gap 2): La célula se prepara para la división, se sintetizan componentes esenciales y se duplican los centriolos. Se revisa si hay fallos en la replicación del ADN.
• M (Mitosis o Meiosis): División celular.
• G0 (Quiescencia): Estado de reposo o diferenciación celular, fuera del ciclo activo.

Control del Ciclo Celular

El ciclo celular está estrictamente regulado por un sistema de control que involucra diversas proteínas, como las quinasas dependientes de ciclinas (CDK) y las ciclinas. Existen puntos de control clave:

• Control G1: Proteínas como E2F regulan la transición a la fase S.
• Control G2: Proteínas como la ciclina B1 y CDK1 regulan la entrada en mitosis.

La acción de estas proteínas es transitoria y está finamente regulada.

Mitosis

La mitosis es la división celular que produce dos células hijas genéticamente idénticas a la célula madre. Se divide en varias fases: profase, prometafase, metafase, anafase y telofase. El centrómero y el cinetocoro (estructura proteica asociada al centrómero) son cruciales para la correcta segregación de los cromosomas. La proteína dineína, un motor molecular, participa en el movimiento de los cromosomas.

Meiosis

La meiosis es un tipo especial de división celular que produce gametos (óvulos y espermatozoides) con la mitad del número de cromosomas que la célula original. Consta de dos divisiones celulares consecutivas (meiosis I y meiosis II), cada una con sus propias fases. La gametogénesis es el proceso de formación de gametos.

Telómeros y Senescencia Celular

Los telómeros, mencionados anteriormente, juegan un papel crucial en la estabilidad cromosómica y la senescencia celular (envejecimiento celular). El acortamiento progresivo de los telómeros limita el número de divisiones celulares.

Proteína p53 y Apoptosis

La proteína p53 es un supresor tumoral clave que activa la transcripción de genes como p21, que inhibe el ciclo celular en respuesta a daño en el ADN. p53 también puede activar la apoptosis (muerte celular programada) si el daño es irreparable.

Apoptosis: Mecanismos y Características

La apoptosis es un proceso de muerte celular programada esencial para el desarrollo y la homeostasis de los tejidos. Existen diferentes tipos de apoptosis, que se activan por vías intrínsecas o extrínsecas. Las caspasas son una familia de proteasas que ejecutan la apoptosis. Existen caspasas iniciadoras y ejecutoras. Las caspasas degradan componentes celulares clave.

Cambios Morfológicos durante la Apoptosis

Durante la apoptosis, la célula se encoge, la cromatina se condensa, se forman cuerpos apoptóticos y la célula es fagocitada por células vecinas o macrófagos. No hay inflamación asociada, y la membrana plasmática se mantiene intacta (aunque se altera, exponiendo fosfatidilserina en la cara externa).

Necrosis

La necrosis es un tipo de muerte celular patológica causada por daño celular irreversible. Se caracteriza por la ruptura de la membrana plasmática, la liberación del contenido celular y la inflamación.

Metodología en Citología: Técnicas de Estudio de Células y Tejidos

Conceptos Básicos

La célula es la unidad estructural y funcional básica de los seres vivos. Su estudio se realiza mediante la citología, que en su enfoque moderno se integra con la biología celular, abarcando aspectos moleculares y bioquímicos.

Tejidos, Órganos y Sistemas

Un tejido es un conjunto de células similares que realizan una función específica. La metaplasia es la transformación de un tipo de tejido en otro. El estudio de los tejidos se denomina histología. Existen cuatro tipos principales de tejidos: epitelial, conectivo, muscular y nervioso. Un órgano es una estructura formada por diferentes tejidos que cooperan para realizar una función. Los órganos se organizan en aparatos o sistemas, cuyo estudio corresponde a la anatomía y la fisiología.

Diferencias entre Células Procariotas y Eucariotas

Las células procariotas (bacterias y arqueas) carecen de núcleo definido y de orgánulos membranosos, mientras que las células eucariotas (animales, plantas, hongos y protistas) poseen un núcleo verdadero y orgánulos. Otras diferencias incluyen el tamaño (las eucariotas son generalmente más grandes), la presencia de ribosomas de diferente tamaño y la localización de las enzimas respiratorias (en la membrana plasmática en procariotas y en las mitocondrias en eucariotas).

Sistema de Medidas en Microscopía

Las unidades de medida utilizadas en microscopía son el micrómetro (µm) y el nanómetro (nm). La resolución del microscopio óptico (MO) es de aproximadamente 0,2 µm, mientras que la del microscopio electrónico de transmisión (MET) es de 0,0001 µm (0,1 nm) y la del microscopio electrónico de barrido (MEB) es de 0,01 µm (10 nm).

Obtención y Procesamiento de Muestras

Las muestras para estudio citológico e histológico pueden obtenerse de humanos (biopsias, autopsias) o de animales de experimentación. El procesamiento de las muestras incluye:

1. Fijación: Preserva la estructura celular y tisular. Se utilizan fijadores químicos (ácidos, alcoholes, aldehídos como el formaldehído, tetróxido de osmio) o físicos (congelación).
2. Obtención de bloques: Las muestras se incluyen en un medio sólido para facilitar el corte. Se utilizan resina epoxi (para MET), parafina (para MO) o se realiza congelación.
3. Obtención de secciones: Se obtienen cortes finos de la muestra utilizando un micrótomo (para parafina), ultramicrótomo (para resina), criostato (para muestras congeladas) o vibratomo (para tejidos sin incluir).
4. Tinción: Se utilizan colorantes para resaltar las estructuras celulares y tisulares. Los colorantes más comunes son la hematoxilina y eosina (HE). También se emplean técnicas histoquímicas (para detectar sustancias específicas), tinciones argénticas (para fibras de reticulina y elementos nerviosos) e inmunohistoquímicas (para detectar antígenos específicos mediante anticuerpos).
5. Montaje: Las secciones teñidas se montan en portaobjetos y se cubren con un cubreobjetos para su observación al microscopio.

Es importante evitar la formación de artefactos (alteraciones estructurales no presentes en el tejido vivo) durante el procesamiento.

Tipos de Microscopios

Existen diferentes tipos de microscopios:

• Microscopios de campo claro:
  • Simples (una sola lente).
  • Compuestos (varias lentes): Incluyen el microscopio óptico convencional, de campo oscuro, de contraste de fases, de interferencia diferencial (Nomarski) y de luz polarizada.
• Microscopios electrónicos:
  • De transmisión (MET): Utiliza un haz de electrones que atraviesa la muestra.
  • De barrido (MEB): Utiliza un haz de electrones que barre la superficie de la muestra.

  El contraste en microscopía electrónica se logra mediante el uso de metales pesados como el uranilo, el osmio y el plomo.

Estructura y Función de la Membrana Celular

Características Generales

La membrana celular (o plasmática) es una estructura dinámica que delimita la célula, separándola del medio externo. Sus funciones principales son:

• Actuar como barrera selectiva.
• Compartimentalizar y separar orgánulos (en células eucariotas).
• Individualizar la célula.

Su composición varía según el tipo celular y su función. Por ejemplo, las membranas mitocondriales tienen una alta proporción de proteínas, mientras que la mielina tiene una alta proporción de lípidos. Para su visualización, se pueden utilizar técnicas como la tinción con HE, tetróxido de osmio, PAS (para glúcidos) e inmunohistoquímicas. La criofractura es una técnica que permite visualizar la estructura interna de las membranas.

Lípidos de Membrana

Los principales lípidos de membrana son los fosfolípidos, glucolípidos y colesterol. Los triglicéridos no son componentes estructurales de la membrana. La membrana se organiza según el modelo del mosaico fluido, que describe una bicapa lipídica con proteínas insertadas. Este modelo destaca la asimetría de la membrana (diferente composición en ambas caras) y su fluidez (movimiento de lípidos y proteínas). Los lípidos desempeñan funciones estructurales, actúan como segundos mensajeros, proporcionan aislamiento (como en la mielina) y, en el caso de la cardiolipina (en la membrana mitocondrial interna), confieren impermeabilidad. La síntesis de algunos lípidos, como los plasmalógenos, tiene lugar en los peroxisomas. Algunas patologías están relacionadas con alteraciones en los lípidos de membrana, como problemas en los neumocitos (células pulmonares) o en la síntesis de plasmalógenos. La mielina, una especialización de membrana, contiene lípidos como plasmalógenos, esfingomielina y cerebrósidos, y proteínas como la proteína básica de la mielina (PBM), la proteína proteolipídica (PLP) y la proteína P0.

Glucocáliz

El glucocáliz es una capa rica en glúcidos (oligosacáridos y polisacáridos) unida a lípidos y proteínas de la cara externa de la membrana. Desempeña funciones de reconocimiento celular y protección.

Proteínas de Membrana

Las proteínas de membrana pueden ser:

• Transmembrana: Atraviesan la bicapa lipídica (unipaso o multipaso). Los proteoglicanos son un tipo especial de proteína transmembrana.
• Periféricas: Se asocian a la membrana en la cara externa o interna.

Las proteínas de membrana desempeñan diversas funciones: transporte de moléculas, actividad enzimática, reconocimiento celular (como las lectinas, que se unen a glúcidos) y recepción de señales (receptores).

Transporte de Moléculas Pequeñas (Micropartículas)

El transporte de moléculas pequeñas a través de la membrana puede ser:

• Pasivo: No requiere energía.
  • Difusión simple: A favor de gradiente de concentración.
  • Difusión por canales: A través de proteínas canal (como las acuaporinas para el agua).
  • Difusión facilitada: Mediante proteínas transportadoras (permeasas).
• Activo: Requiere energía (generalmente en forma de ATP). Se realiza mediante bombas (como la bomba de sodio-potasio).

Balsas Lipídicas (Lipid Rafts)

Las balsas lipídicas son microdominios de la membrana enriquecidos en colesterol y esfingolípidos. Participan en la señalización celular y en la endocitosis. Las caveolas son un tipo especial de balsa lipídica que contiene la proteína caveolina y participa en la pinocitosis.

Renovación de la Membrana

La membrana celular se encuentra en un estado de constante renovación, con síntesis y degradación de sus componentes. Existe un equilibrio dinámico entre estos procesos.

Endocitosis y Exocitosis

La endocitosis es el proceso por el cual la célula internaliza moléculas o partículas del medio externo. Existen diferentes tipos:

• Macropinocitosis: Ingestión de grandes volúmenes de fluido extracelular.
• Pinocitosis: Ingestión de pequeñas vesículas con fluido y solutos.
• Fagocitosis: Ingestión de partículas grandes (como bacterias) por células especializadas (fagocitos).
• Endocitosis mediada por receptor: Proceso selectivo en el que las moléculas se unen a receptores específicos en la membrana. Puede ser mediada por clatrina (formación de vesículas recubiertas de clatrina) o independiente de clatrina. La endocitosis mediada por clatrina implica la unión del ligando al receptor, la asociación de clatrina a la membrana, la invaginación, la estrangulación de la vesícula (mediada por la dinamina), la pérdida de la cubierta de clatrina y la formación de un endosoma.

La exocitosis es el proceso inverso, por el cual la célula libera moléculas al medio externo. Puede ser constitutiva (continua) o regulada (en respuesta a una señal).

La hipercolesterolemia familiar es un ejemplo de enfermedad causada por un defecto en la endocitosis mediada por receptor (del colesterol LDL).

Transcitosis

La transcitosis es el transporte de moléculas a través de una célula, desde un dominio de la membrana a otro. Puede ser dependiente de clatrina (como en el transporte de anticuerpos) o independiente de clatrina (mediada por caveolinas).

Tráfico Vesicular

El tráfico vesicular es el movimiento de vesículas entre diferentes compartimentos celulares. Implica la participación de proteínas como la caveolina, clatrina, COP1 y COP2. Las etapas del tráfico vesicular son similares a las de la endocitosis/exocitosis: formación de la vesícula, transporte, reconocimiento de la membrana diana y fusión. El transporte de las vesículas se realiza a lo largo de filamentos de actina (con participación de miosina) o microtúbulos (con participación de quinesina y dineína). La fusión de las vesículas con la membrana diana está mediada por proteínas SNARE (v-SNARE en la vesícula y t-SNARE en la membrana diana) y proteínas Rab (activas unidas a GTP).

Especializaciones de la Membrana Celular

Generalidades

En los epitelios, la membrana celular se organiza en tres dominios: apical, lateral y basal. Las especializaciones de membrana a menudo involucran la interacción con el citoesqueleto, particularmente con haces y redes de filamentos de actina.

Microvellosidades

Las microvellosidades son proyecciones digitiformes de la membrana plasmática presentes en el polo apical de muchas células epiteliales. Aumentan la superficie de absorción. Contienen un núcleo de filamentos de actina unidos a proteínas como la miosina I, la fimbrina y la fascina.

Estereocilios

Los estereocilios son microvellosidades gigantes, más largas y menos móviles que las microvellosidades típicas. Desempeñan funciones de movimiento, absorción y mecanosensoriales (como en el oído interno). Pueden ramificarse. Su daño o pérdida (por ejemplo, por exposición a ruido intenso) puede causar problemas de audición, ya que no se regeneran.

Túbulos T

Los túbulos T son invaginaciones de la membrana plasmática presentes en las células musculares estriadas (esqueléticas y cardíacas). En las células musculares lisas, existen caveolas que cumplen una función similar. Los túbulos T participan en la transmisión del potencial de acción y en la acumulación de calcio, esencial para la contracción muscular.

Pliegues e Interdigitaciones

Los pliegues e interdigitaciones de la membrana plasmática aumentan la superficie de contacto entre células adyacentes o entre una célula y la matriz extracelular. Son comunes en células que participan en el transporte activo de iones, como las células de las glándulas salivales, donde se asocian a mitocondrias.

Cilios y Flagelos

Los cilios y flagelos son proyecciones móviles de la superficie celular. Los cilios son más cortos y numerosos que los flagelos. Ambos tienen funciones de movimiento (de fluidos o de la propia célula) y sensoriales. Ejemplos incluyen los cilios del epitelio respiratorio y el flagelo del espermatozoide. La estructura interna de cilios y flagelos se denomina axonema, que consiste en un patrón característico de microtúbulos (9 dobletes periféricos y un par central, disposición 9+2). El cuerpo basal es la estructura de anclaje del cilio o flagelo, con una estructura similar a la de un centriolo (9 tripletes de microtúbulos periféricos). Del cuerpo basal se extienden las raicillas ciliares. La dineína es una proteína motora asociada a los microtúbulos del axonema, responsable del movimiento ciliar y flagelar. El movimiento ciliar es coordinado y ondulante, mientras que el movimiento flagelar es helicoidal (gracias a la dineína).

Uniones Estrechas (Ocluyentes)

Las uniones estrechas (zonulae occludentes) sellan el espacio intercelular entre células epiteliales adyacentes, impidiendo el paso de moléculas entre ellas. Están formadas por proteínas transmembrana como la claudina, la ocludina y las proteínas JAM. Estas proteínas se unen a filamentos de actina del citoesqueleto a través de proteínas adaptadoras.

Uniones Adherentes (Zonulae Adherentes)

Las uniones adherentes proporcionan adhesión mecánica entre células vecinas. Están formadas por proteínas transmembrana como las cadherinas, que se unen a cateninas y a filamentos de actina del citoesqueleto.

Desmosomas Puntuales (Máculas Adherentes)

Los desmosomas puntuales son uniones focales que proporcionan una fuerte adhesión entre células. Están formados por proteínas transmembrana de la familia de las cadherinas (desmogleínas y desmocolinas), que se unen a filamentos intermedios del citoesqueleto (como citoqueratinas en células epiteliales y desmina en células musculares). Alteraciones en los desmosomas pueden causar enfermedades de la piel (como el pénfigo).

Uniones GAP (Comunicantes)

Las uniones GAP (nexos o uniones comunicantes) permiten el paso directo de pequeñas moléculas e iones entre células adyacentes. Están formadas por proteínas transmembrana llamadas conexinas, que se ensamblan formando canales (conexones).

Uniones Célula-Matriz Extracelular

Las células se unen a la matriz extracelular a través de:

• Contactos focales: Utilizan integrinas (proteínas transmembrana) para anclar filamentos de actina a componentes de la matriz extracelular.
• Hemidesmosomas: Utilizan integrinas para anclar filamentos intermedios a la lámina basal (un componente de la matriz extracelular).