Estructura y funcionamiento celular.
Introducción y teoría celular.
La célula es muy pequeña, tanto, que escapa a la vista humana por lo que no se decubrieron hasta que no tuvieron las técnicas necesarias necesarias para su observación. Cuando se obtuvieron estas células se descubrió su concepto y teoría celular.
Esta historia comienza en el siglo XVII con Leevnwenhoek (1632-1723). Fue el inventor de un juguete para adultos que fue el primer microscopio y lo hizo aplicando el principio de los lentes covergentes que habían sido descubiertos por los hermanos Jansen en 1590. Consistía en unir las lentes convergentes que permitían ampliar las imágenes y ,con ello, conservar las células. Jugó a observar muchas células como las del semen o el agua de las charcas, además de observarlas también las dibujaba pero sus observaciones estaban mediatizadas por sus convinciones religiosas pseudocientíficas. Para entonceslos descubrimientos científicos se basaban en la biblia también y ello hizo que dibujase las células con cara por lo que realmente no las descubrió. Por aquel entonces se creía en las generaciones espontáneas.
La primera aproximación al concepto de célula fue Hook en 1665 y lo hizo con el microscopio de Leeunwenhoex observando un corcho. Observó que habían unas celdas poliédricas que le recordaba a paneles de abejas y a aquellas las llamaba cells(celda en latín).
Lo que este realmente observaba eran huecos de las células al morir.
A medida que avanzaba el tiempo se fue mejorando las técnicas de observación como el microscopio óptico ya que usa la luz para formar las imágenes que es distinto al microscopio electrónico que se descubrió mucho más adelante.
Otra técnica de observación que se fue mejorando fue utilizar los corte ultrafinos mediante microtomos(ranura donde se introducía el material genéticopara poder ser observado.)
Otra técnica de finales del S.XIX era la posibilidad de hacer tinciones selectivas, tiñiendo orgánulos de forma distinas.
Todo esto permitió que se dieran numerosos descubrimientos (núcleo, citoplasma, aparato de Golgi.)
Entre los años 1838-1839, dos invenstigadores alemanos por separado, Schleiden y Schwan. El primero era botánico y el segundo zoólogo. Se dedicaron a observar tejidos vegetales y animales y elaboran con elos la teoría celular.
Lo que venía a decir esta teoría era que las células de Hook eran la unidad estructural y funcional de los seres vivos capaces de tener una vida independiente.
Cuando se descubre la célula(teoría celular), la pseudociencia(basada en la religión) no le quedó más remedio que admitir la existencia de la célula ya que se veían, pero su origen era por generación espontánea.
Lo que Scheilden y Schwan era como se originaba la célula.
En 1858 Virchow se dedicó a observar muchos animales y plantas y cómo se originaban éstas y observó que siempre procedían de una primera célula.
``OMNIS CÉLULA E CÉLULA´´--->Todas las células proceden de una anterior.
Con Vorchow se cerraba el problema de la teoría celular: la célula es la unidad anatómica y fisiológica de los seres vivos. Las células son capaces de realizar las funciones vitales independientemente (autonomía), se nutren, relacionan y reproducen por sí mismos. Esto también ocurre en los pliuricelulares si se les da las condiciones adecuadas. Además toda célula procede de otra.
Origen estructural general y niveles de organización celular.
1.Niveles de organización:
De los seres vivos comparamos lo vivo con lo muerto:
- Partículas elementales,
- Átomos.
- Moléculas ---> pequeñas, amorfas o cristalinos= mineral.
- macromolécula extraordinaria complejas.(proteínas, ácidos nucleicos) no están vivos (no nivel de organización biótico)
Sólo la célula posee una elevada complejidad para realizar las funciones vitales, es decir, ser autónoma. Este sería el primer nivel biótico de los seres vivos.
Según du complejidad hay dos tipos que son lo virus.
Los virus son extraordinariamente sencillo. Su nivel de organización es es el de complejo supramolecular. Está compuesto por un ácido nucleico y una proteína. Como son tan sencillos no son capaces de realizar por ellas mismas las funciones vitales: no tienen metabolismo, no se nutren, no se reproducen (por ellas mismos) sólo se relacionan, son parásitos obligados.
Un virus dentro de una célula se comporta como un ser vivo y fuera de la célula como un ser inerte, por eso se dice que está en el límite de ser vivo.
2.Origen y estructura general de las células.
Las células surgieron hace 3500000000 de años en la atmósfera primitiva reductora rica en CH4, NH3, H2,H2O(aq). Esta procedía de los volcanes y además, esa atmósfera era muy energética debido a que recibía rayos uva más descargas eléctricas.
En estas condiciones se formaban unos monómeros que caían al océano primitivo denominado sopa prigmigenia.(Aminoácidos, ácidos grasos y nucñeótidos--->proteínas, lípidos y ácidos nucleicos).
Todo esto se a comprobado en el laboratorio.
Cuando un ADN junto con una proteína quedaron envuelto por una bicapa lipídica, se dio lugar a la primera célula.
La primera célula fue procariota y se había originado la primera bacteria que sería heterótrofa, fermentativa y anaeoróbica. Se alimentaba de ,ateria orgánica del océano primitivo sin oxígeno(ya que no existía). Empezó a escasear el alimento (1º crisis enegética). En esta situación la selección natural favoreció a unso procariotas capaces de fabricar su propio alimento a partir de la materia inorgánica mediante la fotosíntesis. Habían aparecido las algas cianofíceas(verdes azuladas). Estas aseguraban la perpetuación sobre la vida en la Tierra.
En cambio para la célula eucariótica, apareció hace 1500 000 000 años mediante la fusión de dos tipos de bacterias que contenían núcleo y orgánulos membranosos primitivos. Posteriormente el eucariota primitivo adquirió la capacidad de fagocitosis para alimentarse. Cuando se comió un procriota heterótrofo que en vez de digerirlo lo que hizo éste fue mediante monómeros aportarle energía a la célula.(mitocoondria). Éste después se comió una alga cianofícea que a cambio de aportarle materia orgánica, esto dio lugar a los cloroplastos.
Cuando la mitocoondria y esl cloroplasto transfirieron a la célula los genes necesarios para su independencia a ser de una célula independiente a un orgánulo celular eucariota.
Célula eucariota se origina por una simbiosis mediante la célula= Teoría Endosimbiótica.
Las células procariotas son más sencillas que las eucariotas. Son más primitivas . Presentan una pared celular (distinta a la eucariota)que es no celulósica. Poseen una membrana plasmática, ribosomas 70s (único orgánulo que posee la célula procariota, es el más fundamental). Su ADN no está combinando con proteínas , sino que forman un único cromosoma circular que está desnudo(sin membrana nuclear) y suele encontrarse en una posición central. Se le conoce por el nombre de nucleóide.
Pro= antes, primitivo.
Carión=núcleo.
Carecen de membrana nuclear pero no de núcleo y poseen flagelos.(proteína distinta a eucariota).
La estructura general de los eucariotas es más compleja(10-100 millonésimas de diámetro, es mayor).
La diferencia principal entre procariota y eucariota es la compartición que son los orgánuls membranosos. Estos orgánulos permiten que la célula permiten que la célula eucariota realice más funciones que la célula procariota ya que se producen distintas reacciones químicas y esto hace que sean incompatibles.
Presentan membrana nuclear (núcleo, un compartimento más).
Eu significa verdadero y carión significa núcleo.
El ADN está asociado a proteínas (cromatina que es igual a cromosomas en división). Posee un nucleolo en el que se lleva a cabo la síntesis del ADNribosómico.
El núcleo es un orgánulo membranoso. También posee el retículo endoplasmático que se encarga de la síntesis y tratamiento de los lípidos y proteínas, aparato de Golgi que se encarga de la síntesis de glúcidos y el tratamiento de sustancias de exportacón o almacenamiento (lisosomas), ribosomas 80s(síntesis de proteínas), la mitocoondria que realiza la respiración celular(monómeros +O2 --> CO2+H2=+Energía).
En cuanto a los eucariotas vegetales, todo esto es similiar a las células animales pero además poseen pared celular (celulosa), plastos(de almidón y de pigmentos fotosintéticos-->cloroplastos) los cloroplastos llevan a cabo la fotosíntesis.
En las células vegetales las vacuolas ocupan el 90% de la célula mientras que en la animal sólo el 10%.
Las células vegetales no poseen centrosoma. Se encarga de realizar el movimiento de los cromosomas durante la división.
Sólo las bacterias y las algas verdesazuladas(cianofíceas) son procariotas. Todos los demás poseemos células eucariotas.
La gran variedad de estructuras y de funciones celulares en las distintos tejidos se debe a la diferenciación celular. Todas nuestras células poseen el total el total de la información genética gracias a la represión irreversible del 90% de los gene + 10% (cualquier célula realiza cualquier función pero reversión reversible. La información genética queda sólo una pequeña parte que hace que de ellos dependa en estructura y función).
3.Orgánulos, membranas,etc.
3.1.Membranas celulares(plasmáticas).
La primera membrana que apareció espontáneamente dio lugar a la primera célula.
Los ácidos nucleicos más las proteínas dieron lugar a la primera célula.
La membrana celular es frontera entre el interior y exterior de la frontera que mediatiza los cambios con el medio.
En ella se localizan una serie de reacciones químicas que tienen otras funciones que la membrana y que no tiene nada que ver con las ideas pasivas de esta.
Estas funciones se conoce hace relativamente pero ya que sólo se observa con un microscopio electrónico. Para su estudio se suele utilizar un tipo de célula que son los eritocitros (glóbulos rojos). En realidad estos son semicélulas. Poseen muchas membranas y por ello se utilizan para el estudio de las membranas. Una vez purificada la membrana se observa que su composición es de u 40% de lípidos y un 60% de proteínas(semejante a la mayoría de las membranas). Hay membranas que están más especializadas en alguna función.
La mayor parte son fosfolípidos, glucolípidos y colesterol en animales y fitoesteroides en células vegetales.
Todos los lípidos tienen un doble carácter que es apolar y polar(hidrófila/lipófila)-->anfipático.
La cabeza son ácidos fosfóricos y bases nitrogenadas y las colas son ácidos grasos. Su comportamiento en el medio formaba bicapas y micelas.
Esto también permite la endocitosis.
Como se observa en la imagen las capas se autoensamblan aunque las membranas también autosellan.
La fluidez de la membrana es otra propiedad de las membranas.
No es pasiva ni sólida o rígida , sino, no habría transporte o la entrada y salida de sustancias. Son más o menos líquidos (es una dispersión) debido a que poseen lípidos de bajo punto de fusión. Si los ácidos grasos eran cortos e insaturados, poseían fuerzas por Van der Walls.
Esto hace que las membranas sean fluídas.
Los enlaces por fuerzas de Van der Walls (hidrofóbicos) esto permite la fluidez y flexibilidad.
Esto tiene una consecuencia, permite a las moléculas de las membranas moverse(difusión lateral).
Si esto ocurre también le da lugar(túnel) a la diferenciación arriba/abajo pero no es posible por el papel del colesterol.
El colesterol posee un OH en uno de sus extremos que hace que sea polar ese mismo extremo mientras que el resto de el colesterol es apolar, debido a esto el extremos polar se une a la cadena de el fosfolípido.
Esto hace que se estabilice la bicapa e impide que se convierta en monocapa y al mismo tiempo la diferenciación arriba/abajo.
Los lípidos son impermeables ya que son apolares y separan capa polares y/o cargas. También es impermeable para las moléculas que son muy grandes que llevan un sistema de transporte específico.
3.1.2. proteínas 60%.
Los lípidos le dan a las membranas las propiedades de su estructura. La myoría de sus funciones se deben a las proteínas. Las posiciones de la proteína dentro de la membrana dependen de lo lipófila que sean o apolar. Si es así se encuentran dentro de la bicapa mientras que si es lo contrario estará entremedias o en la cabeza.
La facilidad/dificultad de separar las proteínas dependerán también de su posición.
Las proteínas lipófilas o hidrófobas que se sitúan atravesando la bicapa se denominan intrínsecas y quellas que son lipófobas e hidrófobas se deniminan extrínsecas. Estas se sitúan en al periferia.Al igual que con los lípidos, también poseen difusión lateral(proteínas de túnel) en cuyo caso difunden pero más despacio debido a su mayor peso.
3.1.3.Oligosacáridos.
Son adenas entre 2-10 monosacáridos. Se encuentran combinados con algunos lípidos y proteínas de la membrana que son los glucolípidos/glucoproteínas. Estas se encuentran típicamente en la cara externa de la membrana y constituyen lo que se llama l glicocálix.
3.1.4.Modelo mosaico fluído.
Lo dieron Singer y Nichocson en 1972 como modelo de la membrana vigente.
3.1.5.Funciones de la membrana.
Las funciones se deben a las proteínas. La membrana tiene un papel durante la división celular pero sus funciones más importantes tienen que ver con el intercambio con el medio y las reacciones químicas que se localizan en ella. Estas reacciones químicas tienen que ver con el intercambio de materia y/o información con el medio y otros que tienen que ver con el movimiento de la célula.
Las proteínas actúan como transportadores de sistancias con el medio.
Actúan como responsables de identificación celular (como un D.N.I.) Esto permite al reconocimiento celular rechazar lo extraño atacándolo. Esto se consigue mediante el glicálix.
Poseen los receptores hormonales no lipídicos.
Los receptores hormonales de la hormona son específicos. Las hormonas son sistemas químicos de transmisión de información que transcurre por la sangre y afecta sólo a las células que contengan ese receptor específico.
La adrenalina sería un ejemplo de hormona al que se le denomina primer mensajero. Al llegar al receptor se traduc en AMPc (segundo mensajero) que hace que desencadene la respuesta celular a la hormona. La respuesta que da la célula al AMPc lo que hace es:
- modificar la permeabilidad de la membrana.
- aumenta la velocidad del metabolismo.
- regula la expresión genética (teoría de operón) u constituyentemente la síntesis de proteínas.
- activa las enzimas reguladoras.
Siempre que hay una transmisión química de información (hormonas, neurotransmisores). Para que esta funcione bien debe ser destruída ya que sino su efecto se realizaría constántemente y esto sería inútil.
Existe una encima fosfodiesterasa que destruye el AMPc y, a su vez, la cafeína inhibe a la fosfodiesterasa y mantiene el AMPc y aumenta el estado de excitación adrenalinada.
Actividad ATPásica:
H20-->ATP <--> ADP + Pi + E --->hidrólisis de ATP.
Estos se da en la membrana y sirve para el transporte y con los movimientos celulares debido a proteínas contráctiles(músculos).
- Transporte de pequeñas moléculas
Las membranas son impermeables para las grandes moléculas y para otras moléculas polares y/o con cargas.
El transporte puede ser pasivo, o sea, espontáneo sin consumo de energía, o activo, con consumo de energía.
Independientemente de esto, la membrana ejerce el control de las sustancias.
- transporte pasivo.
Si encontramos mucho soluto, hay muchas cargas, las positivas se acercan a las negativas y viceversa(gradiente eléctrico). Si encontramos ambos casos se denomina gradiente electroquímico.
Cuando hablamos de:
Gradiente de concentración=gradiente químico.
Gradiente donde hay cargas=gradiente eléctrico.
Gradiente donde existen ambos casos=gradiente electroquímico.
La difusión puede ser simple. Es la forma que tiene de atravesar las membranas las sustancias apolares(ácidos grasos, O2,N2,hormonas lipídicas,insecticidas,etc).
Como son apolares, se disuelven en la membrana en los lípidos que la atraviesan por difusión.
Las sustancias polares(H2O,iones) no se disuelven en los lípidos de las membranas. Lo que hace es utilizar las proteínas intrínsecas mediante difusión. Estas proteínas se denominan canales acuosos para el H2O o ionófonos para los iones.
La difusión facilitada permite entrar a moléculas de mayor tamaño y/o polares. Estas moléculas (aminoácidos, monosacáridos)necesitan la ayuda de un transportador , que son proteínas de las membranas que, como todas las proteínas son específicas de su ligando(aminoácido,monosacárido).
- transporte activo
Con moléculas más grandes como virus o bacterias, llevan a cabo otros mecanismos específicos de transporte:pinocitosis, fagocitosis, etc.
3.2.Pared celular.
Está formada por sustancias secregadas por la célula. Es un ``orgánulo extracelular´´. Toda secreción se realiza a través del aparato de Golgi(que también sintetiza los componentes de la pared celular). La formación de la pared celular comienza desde el momento en que se divide una célula. La pared celular comienza a formarse a partir de ua lámina media (citocinesis por tabicación). Esta lámina media está formada por un polisacárido y glucoproteínas. Sobre la lámina media se forman capas que son las que van a constituír la pared. Se añaden nuevas capas mediante aposición. Por aposición se juntan entre 1 y 3 capas que están formadas de celulosa y cemento. La celulosa a su vez estaba formada por haces paralelos en cada capa y cruzados con la capa anterior y posterior. Esto aporta a la celulosa una estructura consistente y cuasicristalina.
Además de la celulosa, está formado por el cemento que a su ez está formado por polisacáridos, henicelulosa, proteínas y sales. Esto lo que constituye se denomina pared primaria. Esta pared se caracteriza porque predomina el cemento sobre la celulosa. Esta pared es típica de las células embrinoarias.
Este tipo de pared es estándar pero sobre esta pared algunas células producen modificaciones. Las células que hacen de sostén y vasos circulan Lignina(proteína rígida). Las células vegetales que forman parte de la pared celular poseen epidermis Cutina(cera). Las semillas de las gramineas acumulan en su pared celular : silicio, CaCO3, etc. para endurecer la semilla para que no sea comestible, en el corcho se acumula suberina(impermeabilizante, inhífugo)
3.2.1. Funciones de la pared.
La pared celular sostiene la rigidez y la forma a la célula vegetal. No precisan de esqueleto debido a que la pared vegetal las sostienen. También protege a las células vegetales del choque osmótico. Cuando el agua las infla por ósmosis, no explota la célula debido a la pared celular, en su lugar se produce la Turgescencia.
La pared celular es muy útil además de impermeable. Las células vegetales se comunican entonces gracias a que poseen unos orificios que atraviesan la pared(punteaduras) que están en contacto con las membranas. En el caso de células más evolucionadas, lo que ocurre en la división celular es que no es completada y comparte el retículo endoplásmico(plasmodemodesmo) gracias a los orificios.
3.3.Hialoplasma soluble.
En el interior de la célula se encuentra el hialoplasma (líquido) que se encuentra entre la membrana celular y la membrana nuclear.[el citoplasma es el espacio más los orgánulos]. Es un líquido gelatinoso y dipersiones coloidales en estado de sol. Por eso al hialoplasma se le conoce como citosol.
El citosol sería el medio interno de la célula. Presenta una estructura amorfa estructurada por el citoesqueleto(esqueleto de las células). Si a una célula le quitamos el citoesqueleto y las inclusiones(almidón/glucógeno envuelto en membrana, gotar de lípidos desnudos,cristales de pigmentos o de proteínas), lo que nos queda sería el hialoplasma soluble.(Hialino translúcido)
El hialoplasma soluble está formado en un 85% de H2O, monómeros ,metabolitos (sustancias intermedias del metabolismo) más ARNs y muchas sustancias del metabolismo del hialoplasma: donde ocurren síntesis de proteñinas de ribosomas, catabolismo anaerobio de los azúcares(glucolísis o fermentación) y la conversión mecanoquímica de la energía (la energía químia de ATP se convierte en energía mecánica.(movimiento).(dibujo de encrucijada metabolica)
A--->B--->C---->D--->E color verde=metabolitos(las sustancias intermedias).
El metabolismo del hialoplasma es un metabolismo intermedio que comienza y termina en un orgánulo, posee sólo partes intermediarias en el hialoplasma.
Célula animal (hialoplasma de este color).
En la imagen D y E ocurre en el hialoplasma (metabolismo intermediario). Por ello, el hialoplasma es una encrucijada metabólico.
4Orgánulos no membranosos.
4.1.Citoesqueleo y estructuras afines.
El citoplasma está ocupado es un líquido viscoso,coloide,dispersión en estado de sol. No es amorfo, todo esto es el hialoplasma. Está estructurado por una red de proteínas(citoesqueleto) que da forma a la célula, sostiene a los orgánulos y está relcionado con los movimientos celulares.
Relacionados en el citoesqueleto hay ciertas estrcuturas distintas pero semejantes entre sí y a los filamentos de las células musculares. Son inhibidos por un metabolito(sustancia de metabolito) citocolasina B(de un moho).
Cuando a una célula se le añade la citocolasina B, deja de llevarse a cabo la fagocitosis, exocitosis,anillo contráctil,ciclosis,movimiento cromosomas,cilios-flagelos, contraccines musculares...
Dado que todos los procesos son inhibidos, se llega a la conclusión de que están formados por proteínas parecidas que realizan interacciones semejantes.
Esto lo deducimos gracias a las contracciones musculares ya que la conocemos bien y eso ayuda a conocer a los demás procesos.
La contracción muscular.
Las células musculares están formadas por filamentos miofibrillas de proteínas. Si ampliamos estos filamentos, observamos la repetición de una estructura llamada sarcómeros. Son la unidad estructural y funcional de la célula muscular.
Un sarcómero está formado por dos tipos de filamentos:los filamentos gruesos están formados por miosina. Su característica importante es que son fijos por la base.
Existen otros filamentos llamados delgados que están formados por la actina. Estos se encuentran entre los filamentos gruesos y no están unidos a nada.
Durante la contracción las cabezas de la miosina se unen a los filamentos delgados.
Después se produce un cambio en la orientación de las cabezas con consumo de energía.
Se produce un deslizamiento en los filamentos delgados(flotantes).No se acortan los filamentos, se deslizan unos sobre otros y se acorta el sarcómero. Toda la célula muscular se acorta y se acorta el músculo.
Todo esto es el modelo de los filamentos deslizantes que explican la contracción muscular.
Los movimientos celulares se deben a estructuras derivadas del citoesqueleto producidas portres tipos de filamentos.
1.microfilamentos.
Tienen un diámetro de 4nanometros(40 x 10^(-9)m). Los filamentos están formados de Actina--->proteína globular que polimerizan.
El microfilamento polimeriza en dos hebras helicoidales. Son los responsables de los cambio de longitud de las membranas, enocitosis y exocitosis(invaginación y evaginación de las membranas).
La endocitosis(unión):
La citocinesis también es producida por microfilamentos.
Tienen un diámetro entre 8-10 um y hay muchos tipos según el tipo celular.
- Las neurofibrillas en las neuronas que utilizan la sinapsis.
- La queratina en las células epidérmicas.(resistencia a la piel).
- citoesqueleto que produce la cicosis(corrientes citoplasmáticas) para mover cosas en la célula o a la misma célula.
Tienen un diámetro de 25um formados por una proteína globular llamado tubulina que se caracteriza porque se polimeriza en tñubulos. Esta tubulina está organizado en distinto modo. Son responsables de los movimientos del cromosma. Son responsables de los movimientos del cromosoma durante la división que forman los cilios, flagelos, centriolos, corpúsculos basales y las bases de sustentación del citoesqueleto, los filamentos están basados en microtúbulos.
Algunos de estas estructuras son complejas. Una de estas son lábiles(se rompen fácilmente) que son las que da forma a la célula.
Esto permite a la célula adaptarse a las condiciones de vida. Estas formas son prestables(cilios,flagelos,centriolos). Tienen la característica de que se ensamblan en cierta orientación gracias a la tubulina.(polaridad).
3.1.Todos estos elementos se forman a partir de centro organizador de los microtúbulos que se encuentra en un orgánulo exclusivo animal llamado centrosoma.
El centrosoma es un pequeó orgánulo con forma estrellada que se encuentra en la periferia del núcleo y rodeado del aparato de golgi.
Todo esto ocurre en las células animales. Los vegetales no poseen centrosoma pero sí centro organizador de los microtúbulos que se encuentran en zonas más densas y amorfas en los polos de la célula.
3.2.Cilios y flagelos.
Lo presentan las células tanto vegetales como ananimales. Se diferencian (cilios/flagelos) en el número, longitud y tipo de movimiento que realizan.
Los flagelos pueden haber 1 ó 2 y son largos y producen un movimiento de propulsión mientras que los cilios son muchos, cortos, y reman.
Extrardinariamente son semejante estructural y funcionalmente.
