Exploración de la Célula: Estructura, Función y Procesos Vitales
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Célula: Unidad Morfológica y Funcional de los Seres Vivos
La célula es la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo.
Célula Eucariota
Las células eucariotas poseen en su citoplasma compartimientos rodeados de membranas en los que se producen reacciones químicas específicas. El material hereditario está contenido en un compartimiento especial: el núcleo. Las células animales y vegetales son células eucariotas. Las células adquieren distintas formas dependiendo de la función que realizan; las células que no tienen una función específica suelen tener una forma esférica.
Morfología de la Célula
Membrana Plasmática
Permite intercambios de materia y energía con el exterior de la célula. Es individual y está formada por proteínas y lípidos polares. Las proteínas pueden estar en la superficie, metidas totalmente o medio metidas en la membrana (proteínas intrínsecas). Si se corta la célula, se observa que la distancia entre las membranas es de 75 Å. Tienen una permeabilidad selectiva y sufren adaptaciones.
Citoplasma
Está dividido en una gran variedad de compartimientos rodeados de membrana, de composición y estructura similar a la membrana plasmática, que se llaman orgánulos. Junto a ellos están las estructuras no membranosas (citoesqueleto, que da forma a la célula y es responsable de su movimiento, y centrosoma, que se encarga de organizar los filamentos).
Retículo Endoplasmático (RE)
Conjunto de túbulos y sacos aplanados, comunicados entre sí, que se extienden por todo el citoplasma celular.
RE Liso (REL)
Carece de ribosomas y está formado por túbulos. Se encarga de fabricar los lípidos de la membrana.
RE Rugoso (RER)
Está formado por sacos aplanados cubiertos exteriormente por ribosomas, que se encargan de la síntesis de proteínas.
Aparato de Golgi
Conjunto de pilas de sacos membranosos que se encuentran rodeados de vesículas. Procesa macromoléculas sintetizadas en el RE para ser expulsadas al exterior (secreción) o transportarlas a otros orgánulos.
Lisosomas
Son vesículas membranosas que contienen enzimas digestivas fabricadas por el RER. Son responsables de la digestión en el interior de la célula. Se fusionan a vesículas cargadas de materia orgánica incorporada del exterior o procedente del interior celular y transforman las macromoléculas en moléculas orgánicas sencillas. Hay un tipo específico de lisosoma que actúa destruyendo todo lo que a la célula no le sirve (autofagia).
Mitocondrias
Tienen forma cilíndrica y su número es muy variable dependiendo de la actividad de la célula. En las mitocondrias se produce la combustión de las moléculas orgánicas, en presencia de O2, para obtener la energía que las células necesitan para su mantenimiento. La matriz mitocondrial contiene ribosomas y pequeñas moléculas de ADN, por lo que puede fabricar algunas proteínas.
Núcleo
Está separado del citoplasma por una doble membrana que es continuación del RE. La membrana nuclear está perforada, lo que permite el intercambio de moléculas con el citoplasma. En el interior del núcleo se encuentra la cromatina, formada por fibrillas que contienen moléculas de ADN asociadas a proteínas. Cuando estas fibrillas se condensan, forman los cromosomas. También se encuentran los nucléolos, una o varias esferas de aspecto granular que participan en la formación de los ribosomas.
Metabolismo
Es el resultado de la interacción del anabolismo con el catabolismo.
Anabolismo
Proceso por el cual una célula fabrica sus propios componentes a partir de sustancias químicas que incorpora del medio. El anabolismo requiere energía, que la célula obtiene de diferentes fuentes (luz y energía química). Puede ser:
- Autótrofo: Células capaces de fabricar nutrientes orgánicos a partir de sustancias inorgánicas procedentes del medio.
- Heterótrofo: Células que necesitan incorporar materia orgánica del medio, elaborada por otros organismos.
Catabolismo
Proceso mediante el cual los compuestos químicos se transforman en componentes más sencillos y se libera la energía contenida en sus enlaces.
Fotosíntesis
Proceso anabólico utilizado por organismos autótrofos para fabricar materia orgánica a partir de materia inorgánica.
Fase Luminosa
Sucede en las membranas de los tilacoides y solo puede realizarse en presencia de luz. La energía de la luz solar, captada por la clorofila, se utiliza para sintetizar moléculas de ATP, romper moléculas de agua y obtener H, que se utiliza en la siguiente fase, y O2, que se libera al medio.
Fase Oscura
Sucede en el estroma y puede realizarse en la oscuridad. Se parte de la existencia de ribulosa y, a partir de ella, se inicia el ciclo de Calvin: La ribulosa pasa a ser ribulosa-1,5-bisfosfato. Formada ésta, el CO2 se une y se condensan, formándose dos moléculas de ácido 3-fosfoglicérico, una de las cuales lleva el CO2 incorporado y, por tener la enzima, se llama ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa (RuBisCO).
Quimiosíntesis
Proceso de obtención de energía a partir de la oxidación de compuestos inorgánicos, empleándose dicha energía en la síntesis de ATP, que a su vez proporciona la energía necesaria para fijar el CO2. Según el sustrato, hablamos de ferrobacterias (oxidan el Fe de ferroso a férrico y viven en aguas ferruginosas), sulfobacterias (oxidan compuestos de S convirtiéndolos en S elemental) y nitrificantes (bacterias que utilizan la energía producida por la oxidación del NH3, al que transforman primero en nitritos para después pasarlos a nitratos, que son los que quedan incorporados al suelo).
Respiración Celular
Proceso catabólico mediante el cual las células utilizan nutrientes para obtener energía.
Respiración Aerobia
Es aquella en la que el último aceptor de protones y electrones es el O2 (aunque pueden ser S u otras sustancias orgánicas los receptores).
Respiración Anaerobia
Es aquella en la que el último aceptor de protones y electrones no es el O2. Primero ocurre la glucólisis. Tenemos glucosa-6-fosfato y se rompe dando dos moléculas de 3 carbonos. Las moléculas que se forman acabarán dando ácido pirúvico, y esto ocurre en el citoplasma de la célula. Segundo, ocurre en la mitocondria el ciclo de Krebs. Tercero, la cadena de transporte electrónico.
Glucólisis
Consiste en la conversión de una molécula de glucosa a dos ácidos pirúvicos. El proceso es que la glucosa, activada por el ATP, pasa a glucosa-6-fosfato y ésta pasa a fructosa-6-fosfato por acción de una isomerasa. Ésta pasa, por acción del ATP, a fructosa-1,6-bisfosfato. La glucosa se escinde dando un fosfogliceraldehído y una fosfodihidroxiacetona. El fosfogliceraldehído se gasta para conseguir el equilibrio del aldehído y la cetona. El fosfogliceraldehído forma un glicerato-1,3-bisfosfato, pero no hay consumo de ATP. Éste se oxida a ácido 1,3-difosfoglicérico. Es en este proceso donde se pierden protones que son recogidos por el NAD, que pasa a NADH. El ácido 1,3-difosfoglicérico cede un ácido fosfórico y pasa a formar ácido 3-fosfoglicérico. Por isomerización, el 3-fosfoglicérico pasa, por formación de un doble enlace y pérdida de una molécula de agua, a fosfoenolpirúvico y éste, por pérdida del ácido fosfórico, pasa a ácido pirúvico.
Ciclo de Krebs
A partir del ácido pirúvico se separan dos vías de la respiración: las que entran en la mitocondria y las que no. La que entra tiene O2 como último aceptor (vía aerobia) y la que no entra (anaerobia). Cuando el ácido pirúvico no entra en la mitocondria, se producen fermentaciones. Para que el pirúvico pueda entrar en la vía aerobia, es preciso que se convierta en ácido acético y para ello debe producirse una descarboxilación con un desprendimiento de CO2; además se produce una reducción de NAD a NADH. A partir de ese momento el ácido acético puede ingresar en el ciclo de Krebs, si previamente es activado a una forma llamada acetil-CoA, que se consigue mediante el coenzima A. El acetil-CoA se condensa con el ácido oxalacético, que está dentro de la matriz mitocondrial, y se produce el ácido cítrico, que es el primer ácido tricarboxílico. Éste, por isomerización, pasa a formar ácido isocítrico. Éste, por degradación (pérdida de H), da lugar al ácido oxalosuccínico. Este ácido es el último de los tricarboxílicos. Del oxalosuccínico, por descarboxilación, se origina ácido α-cetoglutárico. Éste sufre una segunda descarboxilación y una deshidrogenación originándose ácido succínico y una liberación de GTP (guanosín trifosfato). El ácido succínico pasa a ácido fumárico con la formación de FADH2. El ácido fumárico pasa a ácido málico y éste nuevamente origina ácido oxalacético.
Cadena de Transporte Electrónico
Las sustancias reducidas obtenidas en el ciclo de Krebs ingresan en un sistema de reacciones redox en el que cada compuesto reduce al siguiente, quedando él mismo oxidado, al pasar los protones de una molécula a otra hasta llegar al O2, que es el último aceptor. En cada una de esas transferencias se libera energía que, en algunos procesos de interferencia, es suficiente para la síntesis de ATP. El potencial energético superior corresponde al NADH, que transfiere protones al FAD, de éste al citocromo B, de éste al citocromo C y hasta llegar al último, que es el O2. De esta cadena respiratoria se deduce que cada molécula de NADH o NADPH que ingresa origina 3 ATP; por lo tanto, el rendimiento energético de la respiración es, a partir de 1 molécula de glucosa, que será 2 de ácido acético y 2 de CO2, 2 de ATP y 4 de NADH.
Fermentación
Es un proceso en el que la energía que se obtiene es pequeña porque no entra el ácido pirúvico en la mitocondria. El aceptor final de protones es un compuesto orgánico dotado de energía, por lo que la vía de fermentación proporciona a la célula solo una parte de la energía contenida en la molécula de glucosa. Las más importantes son:
Fermentación Láctica
Ocurre en el músculo cuando éste no tiene O2 suficiente y la primera parte de la degradación de la glucosa es común a un proceso de respiración aerobia. Formado el ácido pirúvico, no entra en la mitocondria y se recupera el NAD a forma oxidada por reducción del ácido pirúvico a ácido láctico.
Fermentación Alcohólica
Se produce una descarboxilación del ácido pirúvico y se pasa a acetaldehído y éste, por reducción, pasa a formar alcohol etílico. Este tipo de fermentación se produce en las levaduras.
Mitosis
Proceso de división celular en el que las dos copias de ADN se separan para formar dos núcleos hijos con la misma información genética que la célula progenitora, y así tener el mismo número y los mismos cromosomas.
Profase
La envoltura nuclear comienza a destruirse y la cromatina se condensa. El centriolo, ya duplicado, se divide y cada centriolo hijo emigra a un polo celular; entre éstos se organiza un sistema de microtúbulos que dará lugar al huso acromático. La envoltura nuclear desaparece.
Metafase
La cromatina alcanza el máximo de condensación, los cromosomas son claramente visibles y se comprueba que están replicados en dos cromátidas. Los cromosomas se unen a los microtúbulos del huso por un punto cercano al centrómero y emigran al plano ecuatorial, donde se ordenan formando la placa metafásica.
Anafase
Los microtúbulos del huso se acortan y tiran en sentido contrario de cada una de las cromátidas de cada cromosoma. Las cromátidas, ya separadas, son arrastradas hacia su respectivo polo celular. Al desplazarse, sus brazos se retrasan con respecto al centrómero y adoptan una característica forma de V con el vértice dirigido hacia los polos.
Telofase
Las cromátidas, convertidas en cromosomas hijos y situadas ya en las proximidades de los polos, se rodean de una nueva membrana nuclear y comienzan a descondensarse. Desaparecen los microtúbulos del huso y finalmente quedan constituidos los dos núcleos hijos.
Meiosis
Proceso de división celular en el que se producen dos divisiones nucleares sucesivas en las que el número de cromosomas de las células hijas se reduce de 2n a n. Pueden formarse gametos y esporas.