Biología celular: estructura, membrana, orgánulos, metabolismo y división celular

Teoría celular

Teoría celular: Schleiden, Schwann (1839). La célula es la unidad morfológica (todos los seres vivos están formados por una o más células), la unidad fisiológica (la célula realiza todos los procesos metabólicos de la vida) y la unidad genética y autónoma de los seres vivos. Virchow (1855) afirmó que toda célula proviene de otra. Estructura: membrana plasmática, citoplasma y material genético.

Tipos de células

Células procariotas

Procariota: sin núcleo definido ni orgánulos delimitados por membranas. El nucleoide no está rodeado de membrana. Pared bacteriana gruesa y rígida; la membrana plasmática no contiene colesterol y posee enzimas que regulan el metabolismo y la duplicación de su ADN. El citoplasma tiene ribosomas y, en algunos casos, clorosomas, carboxisomas (que incorporan CO₂) y vacuolas de gas. El material genético está condensado en el nucleoide y, además, hay pequeños ADN plasmídicos.

Células eucariotas

Eucariota: en su interior presenta:

• Estructuras sin membrana: ribosomas, centrosoma y citoesqueleto.
• Sistema endomembranoso: retículo endoplasmático, aparato de Golgi, vacuolas y lisosomas.
• Orgánulos transductores de energía: mitocondrias y cloroplastos (doble membrana).
• Núcleo: nucleoplasma y doble membrana nuclear con poros; la cromatina está dispersa y en su interior se encuentran los nucléolos.

Algunas eucariotas tienen además una membrana de secreción en el exterior de la plasmática. La célula animal no suele presentarla, pero sí una matriz extracelular de mucopolisacáridos.

Diferencias entre célula vegetal y animal

• Vegetal: cloroplastos, pared celular, grandes vacuolas y núcleo desplazado lateralmente.
• Animal: citoesqueleto y núcleo central.

Núcleo celular

Estructura de las eucariotas que contiene la información genética en forma de ADN. En él se realiza la replicación del ADN y la síntesis de ARN. Su aspecto varía según el estado de la célula a lo largo del ciclo, que comprende dos momentos:

Interfase (fase no divisoria)

Etapa inicial, de larga duración. Es la fase en la que se observa el núcleo interfásico. La célula crece y sintetiza proteínas y enzimas; al final se produce la duplicación del ADN necesaria para la división, de modo que cada célula hija recibe el mismo ADN que la madre.

Fase de división

Fase corta con importantes cambios: las fibras de cromatina se condensan dando lugar a los cromosomas, desaparece la envoltura nuclear y los cromosomas se distribuyen en el citoplasma. Se produce la división del núcleo (mitosis) y del citoplasma (citocinesis).

Funciones de la envoltura nuclear

• Separa el nucleoplasma del citosol.
• Regula el intercambio de sustancias a través de los poros.
• Interviene en la constitución de cromosomas.
• Participa en la distribución de masas de cromatina en el nuevo núcleo.

Componentes del núcleo

• Nucleoplasma (carioplasma): medio interno del núcleo, con dispersión coloidal en forma de gel de agua, sales disueltas y proteínas. En él se produce la síntesis y empaquetamiento de ácidos nucleicos (ARN y ADN).
• Nucléolo: corpúsculo esférico sin membrana en el interior del núcleo.
• Cromatina: filamentos de ADN y proteínas que se forman a partir de los cromosomas al descondensarse tras la división nuclear. La heterocromatina no se descondensa completamente en la interfase.

Cromosomas

Formados por una fibra de cromatina enrollada sobre sí misma; representan el máximo grado de compactación de la cromatina. Constan de:

• Centrómero o constricción primaria: estrangulamiento de la cromátida que divide los brazos cromosómicos.
• Telómeros: extremos distales de los brazos.
• Constricción secundaria, que da lugar al satélite.
• Cinetocoro.

Su función es transmitir la información genética del ADN de la madre a las hijas mediante una duplicación previa.

Cromosomas plumulados

Aparecen en la ovogénesis de anfibios.

Ploidía

Las células somáticas de animales y vegetales son diploides (2n): tienen dos juegos de cromosomas, uno de cada progenitor. Las células haploides (n) son las células reproductoras sexuales, como gametos (óvulo y espermatozoide), meiosporas en hongos, etc.

Cariotipo

Conjunto de cromosomas en metafase de una célula. Existen dos tipos:

• Autosomas: no determinan el sexo.
• Cromosomas sexuales o heterocromosomas: determinan el sexo (X e Y).

Citoplasma

Parte de la célula no membranosa comprendida entre la membrana plasmática y la envoltura nuclear. Está formado por:

• Citosol (hialoplasma): medio líquido interno entre la membrana plasmática, la envoltura nuclear y las membranas de los orgánulos. Contiene aproximadamente 85% de agua con moléculas en dispersión coloidal: lípidos, glúcidos, ácidos nucleicos, aminoácidos y sales minerales. Según su contenido de agua presenta dos formas: sol (fluido) y gel (viscoso). Los cambios entre ambas se producen en función de las necesidades metabólicas. El citosol actúa como regulador del pH celular y en él ocurren reacciones metabólicas como la glucogénesis (síntesis de glucógeno), la glucogenólisis (degradación del glucógeno) o la biosíntesis de aminoácidos.
• Inclusiones citoplasmáticas: acumulaciones de sustancias hidrofóbicas sin membrana, de reserva: glucógeno en células animales (hepáticas y musculares), almidón en vegetales, gotas de grasa y látex.

Citoesqueleto

Red de filamentos proteicos con función esquelética, el andamio de la célula. Está formado por tres tipos de filamentos: microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos.

Centrosoma

También llamado centro celular, es el centro dinámico de la célula, ya que corresponde al centro organizador de microtúbulos (COM). En él se encuentran el material pericentriolar, el áster y el diplosoma.

Cilios y flagelos

Llamados también undulipodios, son prolongaciones citoplasmáticas móviles situadas en la superficie celular, con una estructura interna de 9 dobletes de microtúbulos y 2 centrales (patrón 9+2).

Ribosomas

Estructuras globulares sin membrana formadas por varios tipos de proteínas y ARNr sintetizado en el nucléolo. Son escasos en glóbulos rojos y espermatozoides maduros. Constan de dos subunidades, pequeña y grande, y son los responsables de la biosíntesis de proteínas.

Matriz extracelular

Propia de las células de los tejidos animales. Actúa como nexo de unión entre células para formar tejidos y entre tejidos para formar órganos. Puede acumular fosfato cálcico o quitina, rellena los espacios intercelulares y da consistencia a tejidos y órganos.

Pared celular

Cubierta gruesa y rígida que rodea las células vegetales, de hongos y bacterias. En los vegetales está formada por celulosa y una matriz de agua, sales, hemicelulosa y pectina. Las microfibrillas de celulosa en las eucariotas dan rigidez. La celulosa forma capas: lámina media, pared primaria y pared secundaria.

Membrana plasmática

Fina película que rodea a la célula y la separa del medio externo. Está formada por una doble capa lipídica con proteínas y moléculas anfipáticas, con zonas hidrofílicas y hidrofóbicas: en el medio polar, las cabezas polares se orientan hacia el medio acuoso y las colas lipofílicas hacia el interior. Está compuesta por fosfolípidos y glucolípidos, que dan fluidez a la membrana.

Colesterol

Impide la unión de los lípidos, evitando la cristalización y la ruptura de la membrana.

Proteínas de membrana

• Integrales: incrustadas en la bicapa, con una parte lipofílica.
• Periféricas: no se incrustan en la membrana y son solubles.

Funciones: mantienen separado el medio acuoso interno del externo, realizan endocitosis y exocitosis, regulan la entrada y salida de moléculas e iones, posibilitan el reconocimiento celular y realizan actividad enzimática.

Transporte a través de la membrana

La capa lipídica deja pasar sustancias apolares, lípidos y O₂, y ofrece resistencia a polares e iones. Las proteínas, mediante permeabilidad selectiva, permiten el paso de otras moléculas según su tipo, cantidad y momento.

• Transporte pasivo: proceso espontáneo de difusión de sustancias a través de la membrana desde el medio más concentrado al menos concentrado. Existen tres tipos: por gradiente de concentración, gradiente eléctrico y gradiente electroquímico.
• Transporte activo: necesita energía aportada por moléculas de ATP y permite el transporte de sustancias en contra de un gradiente.
• Endocitosis: entrada de macromoléculas y cuerpos extraños mediante la formación de vesículas membranosas en las que se integran.
• Exocitosis: mecanismo de expulsión de macromoléculas mediante la fusión de la membrana de la vesícula con la membrana plasmática. La célula expulsa así los desechos del metabolismo.

Sistema endomembranoso y orgánulos

Retículo endoplasmático (RE)

Sistema de membranas formado por una red de cisternas, vesículas y túbulos que se extienden por el citoplasma y se comunican con la membrana externa de la envoltura nuclear. Su espacio interno se denomina luz o lumen.

• Retículo endoplasmático liso (REL): túbulos sin ribosomas. Su membrana contiene numerosas enzimas que sintetizan lípidos.
• Retículo endoplasmático rugoso (RER): presenta ribosomas en su cara externa (citoplasmática) y realiza la síntesis de proteínas que formarán parte de la membrana y de las propias proteínas de secreción.

Aparato de Golgi

Situado próximo al núcleo y en animales rodea a los centriolos. Está formado por varios grupos de cisternas con vesículas de secreción; participa en el transporte, maduración, acumulación y secreción de proteínas.

Vacuolas

Vesículas delimitadas por una membrana, con interior acuoso. Se forman a partir del RE o del aparato de Golgi. Acumulan agua, reservan energía y producen desechos.

Lisosomas

Vesículas procedentes del Golgi que contienen enzimas digestivas (como lipasas y fosfatasa ácida) que digieren la materia orgánica.

Peroxisomas

Similares a los lisosomas, pero con enzimas oxidativas: contienen oxidasas y catalasa.

Mitocondrias

Orgánulos de las células eucariotas aerobias que obtienen energía mediante la respiración celular, produciendo ATP. Son orgánulos polimorfos, de forma esférica o alargada, con membrana mitocondrial externa e interna, espacio intermembranoso y matriz mitocondrial con enzimas e iones. Realizan la respiración mitocondrial, en la que la materia orgánica se oxida para obtener energía, en dos etapas:

• Ciclo de Krebs: se realiza en la matriz mitocondrial. Se libera CO₂; el ácido pirúvico obtenido en la glucólisis entra por transporte activo en la mitocondria, donde el sistema piruvato deshidrogenasa lo transforma en acetil-CoA.

Cloroplastos

Orgánulos de las células vegetales que captan la luz para la fotosíntesis (transformación de energía lumínica en química). Tienen cubierta de doble membrana, estroma, ADN plastidial y tilacoides.

Metabolismo

Metabolismo: conjunto de reacciones químicas que transforman biomoléculas en otras a fin de obtener materia y energía. Las rutas metabólicas están formadas por reacciones químicas, metabolitos (moléculas del proceso), productos y sustratos.

Catabolismo

Reacciones de degradación y oxidación que desprenden energía a partir de sustratos diferentes que forman los mismos productos, como CO₂, ácido pirúvico y etanol. Es un conjunto de vías metabólicas convergentes. Tipos: respiración aerobia y anaerobia, y fermentaciones.

• Glucólisis: la glucosa se divide en dos ácidos pirúvicos. En la primera fase se consumen 2 ATP y en la segunda se producen 4.

Coenzimas: las holoenzimas están formadas por una parte proteica (apoenzima) y una parte no proteica (coenzima), que actúa como transportador de grupos químicos. Las vitaminas son precursores de las coenzimas y moléculas activas en el metabolismo, por lo que son imprescindibles para su síntesis.

Anabolismo

Reacciones de síntesis y reducción que requieren gasto de energía, con pocos sustratos y muchos productos. Es un conjunto de vías divergentes.

Quimiosíntesis

Síntesis de ATP a partir de la energía desprendida en las reacciones de oxidación de sustancias inorgánicas. Propia de algunas bacterias.

División celular

Mitosis: división que genera células con el mismo número de cromosomas que la madre, precedida por una división nuclear.

Meiosis: división que genera células con la mitad de cromosomas que la madre.

Ciclo celular

Desde que se forma una célula hasta que se reproduce o muere. Consta de dos etapas:

• Interfase: larga duración y sin división. Comprende las fases G1, S y G2.
• Fase M (mitosis): etapa final y corta, en la que la célula madre da lugar a dos hijas. La cariocinesis es la división del núcleo y la citocinesis, la división del citoplasma, que se produce después de la mitosis.

Fases de la mitosis

Profase, metafase, anafase y telofase.

Genética básica

• Carácter: particularidad morfológica, fisiológica o molecular de un individuo.
• Gen: fragmento de ADN que contiene la información para determinar un carácter.
• Genotipo: conjunto de alelos de un individuo.
• Fenotipo: conjunto de manifestaciones de un carácter en un organismo.
• Homocigoto: individuo con dos alelos iguales.
• Retrocruzamiento: cruce de un individuo problema con un homocigoto recesivo.

Cuando se cruzan dos razas puras, los descendientes son iguales entre sí respecto a ese carácter. Esto corresponde a las leyes de Mendel:

• 1.ª ley: ley de la uniformidad de los híbridos de la F1.
• 2.ª ley: ley de la segregación de los caracteres.
• 3.ª ley: ley de la independencia de los caracteres.