Explorando la Célula: Membranas, Orgánulos y Mecanismos Vitales

Biología Celular: Estructura, Función y Procesos Fundamentales

Membrana Plasmática

La membrana plasmática es una envoltura continua que delimita la célula y la separa de su entorno. Su estructura básica es una bicapa lipídica, en la que se incluyen proteínas y glúcidos. Los principales lípidos de membrana son los fosfoglicéridos, esfingolípidos y colesterol (en células animales), mientras que en vegetales y hongos predominan el estigmasterol y ergosterol, respectivamente. Gracias a su composición, la membrana tiene propiedades como fluidez, autoensamblaje, autosellado y funciona como barrera impermeable a iones y moléculas polares.

Funciones y Clasificación de las Proteínas de Membrana

Las proteínas de membrana cumplen diversas funciones: transporte de moléculas, recepción y transmisión de señales químicas, actividad enzimática y conexión con el citoesqueleto o la matriz extracelular. Se clasifican en:

• Proteínas integrales o transmembrana (de paso único o múltiple)
• Proteínas periféricas (asociadas a lípidos o proteínas)

Su movilidad puede ser lateral o fija, pero rara vez ocurre un movimiento de "flip-flop".

Modelo de Mosaico Fluido

El Modelo de Mosaico Fluido, propuesto por Singer y Nicolson en 1972, describe la membrana como una estructura asimétrica y dinámica, donde los lípidos y proteínas se distribuyen en mosaico. Esta membrana no solo delimita la célula, sino que regula el paso de sustancias, controla la comunicación con el entorno y permite el funcionamiento óptimo de proteínas como enzimas, receptores y transportadores.

Especializaciones de la Membrana Plasmática: Uniones Intercelulares

Las especializaciones de la membrana plasmática incluyen uniones intercelulares, que permiten la interacción entre células. Existen tres tipos principales:

• Desmosomas: Proporcionan resistencia mecánica.
• Uniones estrechas: Sellan el espacio intercelular.
• Uniones comunicantes: Permiten el intercambio de iones y pequeñas moléculas para coordinar la actividad celular.

Transporte de Sustancias a Través de la Membrana

El transporte de sustancias a través de la membrana se divide en transporte pasivo y transporte activo.

• Transporte Pasivo: No requiere energía e incluye:
  • Difusión simple: Paso de moléculas pequeñas como O₂ y CO₂.
  • Difusión facilitada: A través de proteínas canal o permeasas.
  • Ósmosis: El agua se mueve por acuaporinas.
• Transporte Activo: Necesita ATP y permite mover moléculas en contra del gradiente de concentración.
  • Ejemplo: La bomba de Na⁺/K⁺, que expulsa 3 Na⁺ y permite la entrada de 2 K⁺, manteniendo el potencial eléctrico celular.
  • También existe cotransporte, que puede ser simporte (dos solutos en la misma dirección) o antiporte (dos solutos en direcciones opuestas).

Transporte de Macromoléculas: Endocitosis y Exocitosis

Las macromoléculas y partículas se transportan por endocitosis (entrada) y exocitosis (salida).

• Endocitosis: Puede ser de tres tipos:
  • Fagocitosis: Ingestión de partículas sólidas, común en macrófagos.
  • Pinocitosis: Absorción de líquidos.
  • Endocitosis mediada por receptor: Utiliza proteínas como la clatrina.
• Exocitosis: Permite la eliminación de desechos celulares o la secreción de sustancias como hormonas.

Glucocálix o Cubierta Celular

El glucocálix o cubierta celular es una red de oligosacáridos en la cara externa de la membrana celular. Su función es clave en el reconocimiento celular, la adhesión entre células, la interacción con virus y bacterias y la identificación de antígenos específicos.

Pared Celular

La pared celular fue observada por Robert Hooke en 1665 y es exclusiva de células vegetales. Está compuesta principalmente por celulosa, un polímero de glucosa que le da resistencia. Otros componentes incluyen:

• Hemicelulosa: Polímero de xilosa y arabinosa.
• Pectina: Capacidad gelificante.
• Lignina: Rigidez.
• Cutina y suberina: Impermeabilización.
• Ceras: Protección.

Capas de la Pared Celular

La pared celular tiene diferentes capas:

• La lámina media, formada por pectinas, es la primera en formarse.
• La pared primaria, flexible y con microfibrillas de celulosa, permite el crecimiento celular.
• La pared secundaria, más gruesa y rígida, contiene tres capas de microfibrillas con orientación diferente, lo que la hace más resistente y frecuentemente lignificada.

Funciones de la Pared Celular

Las funciones de la pared celular incluyen:

• Protección y soporte estructural.
• Adhesión entre células.
• Regulación osmótica mediante la turgencia.
• Lignificación para el soporte de plantas leñosas.
• Cutinización y suberificación para evitar la pérdida de agua.
• Función defensiva contra patógenos y sustancias tóxicas.

Citosol y Citoesqueleto

Citosol

El citosol es el medio acuoso del citoplasma donde se encuentran los orgánulos celulares. Representa más del 50% del volumen celular y es esencial para el metabolismo celular, ya que en él ocurren numerosas reacciones químicas.

Citoesqueleto

El citoesqueleto es una red de estructuras proteicas que otorgan forma, resistencia y movilidad a la célula. Está compuesto por tres tipos principales de filamentos:

• Filamentos de actina (microfilamentos)
• Filamentos intermedios
• Microtúbulos

Cada uno con funciones específicas dentro de la célula.

Filamentos de Actina

Los filamentos de actina son los responsables de diversas funciones celulares. Están involucrados en:

• La contracción muscular mediante la interacción con la miosina.
• El movimiento ameboide gracias a la formación de pseudópodos.
• El refuerzo de la membrana plasmática.
• El sostenimiento de las microvellosidades intestinales.
• La participación en el movimiento de ciclosis en células vegetales.
• La formación del anillo contráctil que permite la división celular.
• La contribución a la forma y deformabilidad de los eritrocitos.

Filamentos Intermedios

Los filamentos intermedios tienen una estructura similar a cuerdas y proporcionan resistencia mecánica, aunque no participan en el movimiento celular. Existen varios tipos, entre ellos:

• Los neurofilamentos.
• Los filamentos de vimentina y desmina.
• Los filamentos de la lámina nuclear, que refuerzan la membrana nuclear.
• Los filamentos de queratina, presentes en la piel.

Microtúbulos

Los microtúbulos pueden encontrarse dispersos en la célula o formando estructuras como cilios, flagelos y centríolos. Son dinámicos y están asociados a proteínas motoras que permiten el transporte intracelular. Sus principales funciones incluyen:

• El movimiento de cilios y flagelos.
• El transporte de orgánulos y vesículas.
• El mantenimiento de la posición de los orgánulos.
• La formación del huso mitótico.
• La organización del citoesqueleto.

Las proteínas motoras cinesina y dineína permiten el desplazamiento de vesículas y orgánulos, como las mitocondrias, a lo largo de los microtúbulos.

Cilios y Flagelos

Los cilios y flagelos son estructuras especializadas formadas por microtúbulos. Los cilios son cortos y numerosos, mientras que los flagelos son largos y escasos, aunque ambos tienen la misma estructura. Están formados por el axonema, con una disposición 9+2 (nueve dobletes periféricos más un par central), y el corpúsculo basal, con una estructura 9+0 (tripletes periféricos sin par central). Su movimiento se genera por el deslizamiento de los dobletes, impulsado por la dineína, mientras que la nexina limita el deslizamiento para producir flexión. Este proceso requiere gasto energético (ATP).

Centrosoma

El centrosoma es el centro organizador de microtúbulos y se localiza cerca del núcleo en células eucariotas animales. Está formado por dos centríolos perpendiculares, cada uno compuesto por nueve tripletes de microtúbulos (9+0). Su función principal es:

• La formación de cilios y flagelos.
• La organización del huso mitótico durante la división celular.
• La coordinación del arreglo de los microtúbulos dentro de la célula.

Núcleo Celular

Función Principal del Núcleo

El núcleo es el orgánulo de las células eucariotas que alberga la información genética en forma de ADN y regula tanto el desarrollo como la división celular. Su función principal es la compartimentalización del material genético, lo que permite la síntesis y el procesamiento del ARN antes de su salida al citoplasma. Su número, tamaño y morfología varían según el tipo celular; algunas células pueden contener un solo núcleo, mientras que otras, como las musculares, pueden presentar múltiples núcleos. Su forma también es variable, pudiendo ser esférica, ovalada o adoptar configuraciones especializadas según la célula.

Estructura del Núcleo

La estructura del núcleo se compone de:

• Una envoltura nuclear formada por una doble membrana que regula el intercambio de sustancias con el citoplasma a través de los poros nucleares.
• En su interior, el nucleoplasma actúa como el medio interno donde se encuentran otras estructuras como la cromatina y el nucléolo.

La cromatina es el material genético en su estado no condensado y se compone de ADN asociado a proteínas histonas. Se diferencia en eucromatina, que está activa transcripcionalmente, y heterocromatina, que permanece inactiva. El nucléolo, una región densa dentro del núcleo, es el responsable de la síntesis y ensamblaje de ribosomas, fundamentales para la producción de proteínas.

Organización del Material Genético

El material genético se organiza en cromosomas, estructuras altamente empaquetadas de ADN y proteínas. El ADN está compuesto por nucleótidos emparejados en una doble hélice (A-T, G-C). Su empaquetamiento comienza con los nucleosomas, donde el ADN se enrolla alrededor de histonas formando una fibra de 10 nm. Posteriormente, esta estructura se compacta en una fibra de 30 nm y se organiza en niveles superiores hasta la formación de los cromosomas en el proceso de división celular. Los cromosomas pueden clasificarse según la posición del centrómero en:

• Metacéntricos
• Submetacéntricos
• Acrocéntricos
• Telocéntricos

En sus extremos se encuentran los telómeros, secuencias repetitivas que protegen la información genética y previenen su degradación con cada división celular.

Ciclo Celular

El ciclo celular es el proceso mediante el cual una célula crece y se divide en células hijas. Se compone de dos fases principales: la interfase y la división celular. La interfase es la etapa más larga y consta de tres fases:

• G1: Donde la célula crece y desarrolla su metabolismo.
• S: En la que se replica el ADN.
• G2: En la que la célula se prepara para la división.

Regulación del Ciclo Celular

El ciclo celular está estrictamente regulado por proteínas como las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclinas (Cdk). Existen puntos de control que garantizan que cada fase se complete correctamente antes de avanzar a la siguiente. Mutaciones en los genes reguladores pueden provocar una división celular descontrolada, lo que puede derivar en cáncer.

Orgánulos Membranosos

Los orgánulos membranosos son estructuras celulares delimitadas por membranas que permiten compartimentar funciones específicas dentro de la célula. Estos incluyen el retículo endoplasmático, el aparato de Golgi, los lisosomas, las vacuolas, las mitocondrias y los cloroplastos. Cada uno de estos organelos desempeña funciones esenciales para la célula, asegurando el correcto funcionamiento metabólico y estructural.

Retículo Endoplasmático (RER y REL)

El retículo endoplasmático es una red de membranas que se extiende por el citoplasma y se divide en dos tipos:

• El retículo endoplasmático rugoso (RER): Tiene ribosomas adheridos a su superficie y participa en la síntesis y transporte de proteínas destinadas a la membrana plasmática o a la secreción celular.
• El retículo endoplasmático liso (REL): No tiene ribosomas y se encarga de la síntesis de lípidos, la detoxificación de sustancias y el almacenamiento de calcio.

Aparato de Golgi

El aparato de Golgi es un conjunto de sacos membranosos apilados cuya función principal es el procesamiento, modificación y distribución de proteínas y lípidos provenientes del retículo endoplasmático. Este organelo empaqueta sustancias en vesículas que pueden ser enviadas a distintos destinos dentro o fuera de la célula. Además, el aparato de Golgi es responsable de la formación de los lisosomas.

Lisosomas

Los lisosomas son vesículas membranosas que contienen enzimas hidrolíticas encargadas de la digestión intracelular. Su función es degradar moléculas complejas, eliminar orgánulos dañados mediante el proceso de autofagia y participar en la defensa celular contra agentes patógenos. Gracias a estas enzimas, los lisosomas pueden descomponer proteínas, lípidos, carbohidratos y ácidos nucleicos.

Vacuolas

Las vacuolas son estructuras membranosas que sirven para almacenar sustancias como agua, nutrientes, iones y productos de desecho. En células vegetales, la vacuola central es fundamental para mantener la presión osmótica, almacenando también compuestos tóxicos, pigmentos y otras sustancias que contribuyen a la supervivencia de la planta.

Mitocondrias

Las mitocondrias son los organelos encargados de la respiración celular y la producción de ATP, la principal fuente de energía celular. A través del proceso de fosforilación oxidativa, las mitocondrias transforman la energía química de los nutrientes en ATP. Estos organelos contienen su propio ADN y ribosomas, lo que les permite sintetizar algunas de sus proteínas de manera autónoma.

Cloroplastos

Los cloroplastos son organelos exclusivos de células vegetales y algunas algas, donde se lleva a cabo la fotosíntesis. En su interior, se encuentran los tilacoides, estructuras membranosas donde ocurre la fase luminosa de la fotosíntesis, y el estroma, donde se desarrolla la fase oscura.

Fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas, algas y algunas bacterias convierten la energía lumínica en energía química almacenada en forma de glucosa. Se divide en dos fases: la fase luminosa y la fase oscura.

Fase Luminosa

La fase luminosa ocurre en los tilacoides del cloroplasto y requiere luz solar para activarse. Durante este proceso, los electrones de la clorofila se excitan debido a la energía de la luz y se transfieren a través de la cadena de transporte de electrones, lo que permite la producción de ATP y NADPH mediante la fotofosforilación. Como subproducto, se libera oxígeno debido a la fotólisis del agua, un proceso en el cual la molécula de agua se divide en oxígeno, protones y electrones.

Fase Oscura (Ciclo de Calvin)

La fase oscura, también llamada ciclo de Calvin, ocurre en el estroma del cloroplasto y no necesita luz directa. En esta fase, el ATP y el NADPH generados en la fase luminosa se utilizan para fijar el dióxido de carbono (CO₂) y sintetizar glucosa. El ciclo de Calvin consta de tres etapas principales:

1. Fijación del CO₂ a la ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP).
2. Reducción del 3-fosfoglicerato (3-PGA) a gliceraldehído-3-fosfato (G3P).
3. Regeneración de la RuBP para que el ciclo continúe.