El concepto de célula, como se entiende en nuestros días, surgió entre 1830 y 1880. El perfeccionamiento de la microscopía óptica permitió rápidos e importantes procesos en la Biología Celular. El término célula fue introducido por Robert Hooke en 1665, al observar un trozo de corcho en un rudimentario microscopio construido por él. Más tarde, Marcello Malpighi (1670) y Antoni Van Leewenhoeck (1674) describieron las células vegetales y los protozoos, respectivamente.
Teoría Celular
En 1831, en su “Ensayo sobre Fitogénesis”, Mathías Jacob Schleiden postuló que “Todas las plantas son aglomeraciones de células”. Por otra parte, Theodor Schwann, estudiando al microscopio diversos tejidos animales, concluyó en 1839 que “Todos los seres vivos, plantas o animales, consisten en células o sustancias segregadas por las células”. Con estos postulados cambia el concepto estático de célula, derivado de las observaciones hechas por Hooke, por el concepto de que la célula es LA BASE FÍSICA DE LA VIDA, lo que queda comprendido en la llamada “Teoría Celular” de Schleiden y Schwann (1839), la cual fue completada por Virchow en 1855, quien agrega que “toda célula se origina de otra célula preexistente”.
Postulados de laTeoría Celular
La célula es la unidad estructural de todos los seres vivos, es decir, todos los organismos vivos están constituidos por células y productos celulares.
La célula es la unidad funcional de todos los seres vivos, pudiendo desarrollar su actividad en forma individual (organismos unicelulares) o asociarse a otras células, interactuando y complementándose para constituir organismos complejos (multicelulares).
Toda célula proviene de una célula preexistente, a través de la reproducción celular. Por lo tanto, la mínima unidad capaz de expresar la vida es la célula.
La construcción del microscopio electrónico de transmisión, por Ernst Ruska y colaboradores en 1931, ha permitido el estudio ultraestructural de la célula y, a partir de éste, la comprensión de muchas de sus funciones.
A pesar del variado espectro de formas y tamaños, la organización fundamental de las células es relativamente uniforme. Esta generalización puede establecerse en la actualidad gracias al desarrollo del microscopio electrónico.
De este modo, se observó que sólo se presentan dos modelos básicos de organización celular: células procariontes y eucariontes.
Células rodeadas por una membrana plasmática, no poseen un núcleo organizado dentro de una membrana nuclear o carioteca, ni organelos citoplasmáticos a excepción de los ribosomas. Como no poseen mitocondrias, sus procesos de obtención de energía los realizan en unas invaginaciones de su membrana plasmática llamadas mesosomas. Su ADN se encuentra libre en el citoplasma, en forma circular y no asociado a proteínas. Todos los procariontes presentan una gruesa pared celular, localizada por fuera de la membrana plasmática. Ej: Bacterias, algas verde-azules, actualmente denominadas cianobacterias.
Las bacterias son células menos evolucionadas que las eucariontes que, de todos modos, presentan una serie de estructuras que les han permitido sobrevivir por millones de años.
A continuación se presenta una serie de elementos estructurales que presentan las bacterias.
Elementos estructurales de un bacteria
Cápsula
Se presenta en muchas bacterias, sobre todo patógenas. Es una cápsula viscosa compuesta por sustancias glucídicas. Tiene función protectora de la desecación, de la fagocitosis o del ataque de anticuerpos.
Pared bacteriana
Formada por péptidoglucanos y otras sustancias. Es una envoltura rígida que soporta las fuertes presiones osmóticas a las que está sometida la bacteria. Por la estructura de su pared destinguimos las bacterias Gram+ y Gram-.
Membrana plasmática
Similar en estructura y composición a la de células eucariotas. Presenta unos repliegues internos llamados mesosomas.
Mesosomas
Repliegues de la membrana con importantes funciones pues contienen importantes sustancias responsables de procesos metabólicos como el transporte de electrones, la fotosíntesis o la replicación del ADN.
Ribosomas
Similares a los de la célula eucariota aunque de menor tamaño. Intervienen en la síntesis de las proteínas, son de tipo 70s
Cromosoma
Está formado por una molécula de ADN de doble hélice, circular y no asociado a histonas.
Plásmidos
Moléculas de ADN extracromosómico también circular.
Inclusiones
Depósitos de sustancias de reserva.
Flagelos
Estructuras filamentosas con función motriz, formados por fibrillas proteicas.
Fimbrias o pili
Filamentos huecos largos y huecos con funciones relacionadas con el intercambio de material génico y la adherencia a sustratos.
Son células delimitadas por una membrana plasmática con un núcleo verdadero. Existe una membrana nuclear o carioteca que encierra al ADN asociado a proteínas, constituyendo la cromatina. Poseen un sistema interno de membranas que divide a la célula en compartimentos específicos llamados organelos. A este grupo pertenecen los protozoos y las células animales y vegetales.
Las células eucariontes son compartimentalizadas. Esto quiere decir que cuentan con dos partes morfológicamente bien distintas: el citoplasma y el núcleo, entre las cuales existe un tránsito constante de moléculas diversas en ambos sentidos.
Una característica importante de las células eucariontes es su riqueza de membranas, formando compartimientos que separan los diversos procesos metabólicos, gracias al direccionamiento de las moléculas absorbidas y a las diferencias enzimáticas entre las membranas de varios compartimientos. Una célula eucarionte es como una fábrica organizada en secciones de montaje, pintura, embalaje, etc., aparte de aumentar la eficiencia, la separación de las actividades permite que las células eucariontes adquieran un mayor tamaño sin perder sus funciones.
Características que diferencian células animales de vegetales
Las células animales y vegetales son eucariontes. Sin embargo, existen algunas diferencias entre ambas:
Presencia de paredes. Las células vegetales contienen paredes rígidas que les confieren una forma constante y protegen al citoplasma contra agresiones mecánicas, de parásitos, etc.
Presencia de plastidios. Una de las principales características de las células vegetales es la presencia de plastidios, que son organelos mayores que las mitocondrias, delimitadas por dos membranas. Cuando no tienen pigmentos se denominan leucoplastos. Los cromoplastos son aquellos que los poseen, como es el caso de los cloroplastos.
Vacuolas citoplasmáticas. Las células vegetales suelen tener vacuolas de mayor tamaño que las de animales, pudiendo ocupar gran arte del volumen celular.
Presencia de almidón. En el caso de células animales el polisacárido de reserva es el glucógeno.
Presencia de plasmodesmos. Estos representan tubos de 20 a 40 nm de diámetro que comunican a células vecinas.
Está constituido por la matriz citoplasmática o citosol, elcitoesqueleto y los organelos celulares.
El citosol es principalmente agua en la que se disuelven sustancias orgánicas (aminoácidos, glucosa, etc.) e inorgánicas (iones, sales minerales, etc.) Desde el punto de vista físico-químico, el protoplasma presenta características y propiedades coloidales. Un coloide es un tipo de solución en que las partículas disueltas miden entre 0,1 a 0,0001 micrones. Son sistemas altamente estables, que presentan cambios físicos reversibles, pudiendo hallarse en estado Sol o estado Gel.
En el estado gel las partículas disueltas o dispersas se encuentran muy juntas, constituyendo una verdadera red que deja una cantidad de agua retenida y la solución se hace más espesa y viscosa. Por el contrario, en el estado sol, las partículas disueltas se encuentran muy separadas, permitiendo que el solvente se disponga en forma continua; la cantidad de agua retenida es pequeña quedando agua libre, lo que hace la solución más fluida.
Citoesqueleto
Las células eucariontes presentan un alto grado de organización; sin embargo, son capaces de modificar su forma, reubicar sus organelos según sus necesidades metabólicas e incluso, en ciertos casos, desplazarse de un lugar a otro.
Estas características dependen de una intrincada red de proteínas filamentosas conocida como citoesqueleto, el cual está formado por:
Microfilamentos.
Filamentos intermedios.
Microtúbulos.
Más detalles sobre el citoesqueleto se estudian en la parte electiva de Biología.
Esta sección de los contenidos de Biología apunta a la organización que adquiere la célula eucarionte para especializar distintas funciones. Cada membrana interna se relaciona con una actividad particular, manteniendo una interdependencia entre los distintos sistemas.
Se encuentra en todas las células eucariotas y ocupa hasta el 10% del espacio interior de éstas. Es un conjunto de cavidades, túbulos y vesículas conectadas entre sí y con la envoltura nuclear. El espacio que queda limitado en el interior se denomina lumen. Junto al aparato de Golgi y la envoltura nuclear forman el sistema de endomembrana de la célula, el cual separa los diferentes sectores del citoplasma celular.
Existen dos tipos de retículo:
Retículo Endoplasmático Liso (REL) Se presenta como una intrincada red de túbulos y sistemas membranosos, cuya extensión y localización dependen de la actividad metabólica de la célula.
Realiza las siguientesf funciones: Síntesis de lípidos, como esteroides (por ejemplo, colesterol), triglicéridos, fosfolípidos, entre otros, excepto ácidos grasos. Los fosfolípidos para las numerosas membranas de la célula se forman en el REL.
Detoxificación de sustancias provenientes del medio externo, como drogas, medicamentos, aditivos alimenticios y pesticidas. La detoxificación consiste en la anulación de la actividad de dichas sustancias por modificación de su estructura química, contribuyendo a su excreción. En los vertebrados tiene lugar en el hígado, los pulmones, el intestino, los riñones y la piel.
Regulación del calcio presente en el citoplasma de las células musculares. En éstas, recibe el nombre de retículo sarcoplásmico (almacena calcio). El retículo liso es el principal almacén de calcio en la célula.
Retículo Endoplasmático Rugoso (RER) Está formado principalmente por cisternas (sacos membranosos aplanados) interconectadas, las cuales presentan ribosomas adosados a su superficie externa, lo que le confiere el aspecto rugoso. Los ribosomas están adheridos a la membrana por su subunidad mayor.
La síntesis proteica en los polirribosomas adheridos al retículo endoplasmático se caracteriza por incorporar dentro de las cisternas del retículo las cadenas polipeptídicas sintetizadas, permaneciendo así separadas del resto del citoplasma.
La cantidad de retículo endoplasmático es directamente proporcional a la intensidad de la síntesis proteica y es un buen indicador de la actividad de esa célula.
El proceso de incorporación de las proteínas en las cisternas del RER tiene una gran importancia funcional, porque separa del citosol las moléculas que están destinadas a ciertos organelos o que deben ser exportadas de las células.
Una vez dentro de las cisternas del RER, las cadenas polipeptídicas pasan, en el propio RER y en el complejo de Golgi, por una serie de modificaciones. El destino de las proteínas sintetizadas en los polirribosomas y segregadas o no en el RER es variable.
La extensión y distribución del RER es variable y depende de la actividad metabólica de la célula.
Es la envoltura del núcleo y se continúa con el RER. Se puede considerar que la membrana nuclear es una especialización del retículo. Está constituida por 2 membranas, una externa y otra interna. Presenta poros que le permite dejar entrar y salir macromoléculas entre el núcleo y el citoplasma, como es el caso de distintas clases de ARN que se desplazan hacia el citoplasma y de diversas proteínas que lo hacen en el sentido contrario (hacia el nucleoplasma).
La membrana nuclear constituye una extensión del retículo endoplasmático rugoso, lo que queda demostrado por la presencia de ribosomas en la cara externa de la membrana.
La función principal de la membrana nuclear es albergar el material genético de la célula, el cual se concentra en esta región.
El nucléolo es una estructura no membranosa densa localizada en el núcleo, sólo se observa en la interfase, porque se disipa durante la división celular. Posee ARN ribosomal y proteínas en abundancia. Posee cantidades pequeñas de ADN, que es inactivo. No suele haber más de dos o tres nucléolos por célula, sin embargo, su número, tamaño y forma se relacionan con la actividad de síntesis de la célula.
Corresponden a organelos que se encuentran tanto en células procariontes como eucariontes, lo que evidencia la importancia de la función que realizan: síntesis de proteínas.
Están formados por una asociación de proteínas y ARN ribosómico. Existen dos clases principales: el 70s, que es propio de células procariontes, mitocondrias y cloroplastos, y el 80s que es propio de células eucariontes.
El ribosoma está formado por dos subunidades, mayor y menor, que se ensamblan sólo al momento de la síntesis proteica. Dentro del ribosoma se lee el ARN mensajero para traducirlo en una proteína. Los ribosomas se encuentran unidos a membrana (nuclear y del retículo) y libres en el citoplasma.
La cantidad de ribosomas que se encuentran en una célula es indicativo del nivel de actividad que ella posee.
Está formado por una serie de vesículas en forma de saco denominadas cisternas, las cuales se apilan en grupos de cuatro a seis formando un dictiosoma. En las proximidades de los dictiosomas, se halla una gran cantidad de pequeñas vesículas que se forman y se desprenden de las cisternas. Habitualmente se le encuentra cerca del núcleo y de los centríolos.
Está presente en casi todas las células, pero es más abundante en las secretoras. El origen del aparato de Golgi está en las vesículas de secreción del retículo endoplasmático rugoso.
Sólo a través del microscopio electrónico se ha podido conocer la real estructura del aparato de Golgi. Está formado por estructuras semejantes a sacos membranosos, aplanados y apilados. Sus membranas no poseen ribosomas.
Las membranas se ordenan de tal forma que se curvan, determinando una cara cóncava y otra convexa. La cara convexa se llama cara cis, en contraposición con la cara opuesta, cóncava, de donde se originan vesículas grandes, conteniendo material procesado y que recibe el nombre de cara trans. En la cara cis del aparato de Golgi se forma la red pre-golgiana y en la cara trans la red post-golgiana.
También se distinguen numerosas vesículas esféricas, de aproximadamente 60 nm de diámetro, que transportan material desde el retículo endoplasmático hacia el aparato de Golgi, de una cisterna del Golgi a otra y también desde el aparato de Golgi a otros organelos. En virtud de esta función se les denomina vesículas transportadoras.
Las membranas del aparato de Golgi contienen numerosas enzimas para la síntesis de glicoproteínas, sulfatación y fosforilaciones.
Las funciones del aparato de Golgi son:
Maduración y acondicionamiento de las sustancias provenientes del retículo endoplasmático. Este acondicionamiento consiste principalmente en la unión de proteínas y lípidos sintetizados en el retículo, con pequeñas cadenas de glúcidos para obtener glucoproteínas y glucolípidos. Este proceso se denomina glicosilación.
Formación del acrosoma en los espermatozoides.
Concentración y empaquetamiento de las enzimas hidrolíticas dentro de una vesícula. De esta manera, el aparato de Golgi da origen a los lisosomas primarios.
Formación de la placa divisoria al finalizar la división celular en células vegetales.
También sintetiza algunos hidratos de carbono de la pared celular vegetal (excepto la celulosa).
Son vesículas o vacuolas que se originan del aparato de Golgi. Sin embargo, su contenido proteico es sintetizado en el RER. Contienen enzimas hidrolíticas capaces de degradar diversas sustancias. Las células serían fácilmente destruidas si las enzimas de los lisosomas no estuvieran contenidas en un organelo envuelto en una membrana. Las hidrolasas lisosomales sólo actúan en presencia de las sustancias a digerir y a un pH ácido, por lo que se les llama hidrolasas ácidas.
Los lisosomas son responsables de la digestión celular. Las sustancias a digerir pueden provenir de la misma célula (autofagia) o pueden ser incorporadas desde el exterior por endocitosis (heterofagia). Gracias a la autofagia la célula puede eliminar organelos envejecidos de su propio citoplasma (remodelación celular).
Cuando las sustancias son incorporadas por endocitosis, se forma una vacuola, la que se fusiona con un lisosoma primario (inactivo) para constituir una vacuola digestiva (lisosoma secundario). En su interior, las enzimas digestivas actúan sobre las sustancias endocitadas. Los productos de degradación útiles para la célula pasan al citoplasma por transporte a través de la membrana del lisosoma, y los productos de desecho se eliminan a través de la misma vacuola por exocitosis. La digestión que llevan a cabo puede ser para eliminar células extrañas al organismo, como lo que ocurre con los leucocitos, encargados de eliminar bacterias. Por ejemplo, los macrófagos, que fagocitan y eliminan elementos extraños al cuerpo.
Peroxisomas
Organelos presentes en todas las células eucariontes. Están limitados por una sola membrana y en su interior contienen numerosas enzimas de tipo oxidativas. También se les denomina microcuerpos.
Su función principal es proteger a la célula de la acumulación de peróxido de hidrógeno (H2O2), un fuerte agente oxidante. Contienen una enzima llamada catalasa, que participa en la degradación del H2O2 a agua y oxígeno. También tienen otras enzimas que utilizan el H2O2 para reacciones de oxidación como, por ejemplo, la oxidación de sustancias tóxicas como los fenoles, etanol, formaldehído, entre otros, las cuales van a ser posteriormente eliminadas.
Vacuolas Además de las vacuolas digestivas y de secreción, existen en las células vegetales otro tipo de vacuolas, las cuales son de almacenamiento, que contienen agua y ocupan gran parte del citoplasma.
Organelos presentes en todas las células eucariontes, excepto en los glóbulos rojos maduros. Su número y forma es variable, dependiendo del tipo celular. Su tamaño fluctúa entre 0,3-0,8 µm de largo.
Están formadas por dos membranas, una externa lisa y continua y otra interna que se pliega hacia el interior, formando las crestas mitocondriales, las cuales varían en forma en los distintos tipos de mitocondrias. Al microscopio electrónico, se observan sobre estas crestas unas pequeñas partículas redondeadas llamadas partículas elementales o partículas F, donde se encuentran las enzimas necesarias para la fosforilación oxidativa.
El espacio interior de las mitocondrias contiene un material gelatinoso denominado matriz mitocondrial. Aquí se encuentran las enzimas encargadas del ciclo de Krebs. En la matriz también se encuentran ADN y ribosomas, lo que les permite autoduplicarse y sintetizar algunas proteínas específicas. Sin embargo, hay cierta dependencia de la información nuclear de la mitocondrias.
La función principal de las mitocondrias es generar ATP a través de un proceso conocido como respiración celular. Además, las mitocondrias poseen otras funciones como remoción de Ca+2 del citosol, síntesis de algunos aminoácidos a nivel de los hepatocitos, síntesis de esteroides en algunas células de la corteza suprarrenal, los ovarios y los testículos.
En las células vegetales, en la parte exterior de la membrana plasmática, se encuentra la pared celular vegetal. Ésta es rígida, fuerte y muy porosa.
La pared celular es compleja y está muy diferenciada en ciertos vegetales. Está compuesta por tres tipos de polisacáridos (celulosa, hemicelulosa y pectina) y varias glucoproteínas. Todas estas moléculas están englobadas en una matriz hidratada que permite que las sustancias solubles y de pequeño tamaño difundan a través de ella. Por esta razón, las moléculas que participan en el metabolismo de las plantas son de pequeño tamaño.
Funciones:
Protege la célula de tracciones mecánicas. Como cada pared celular está unida a la pared de las células vecinas, entre todas constituyen un armazón que da consistencia a los diferentes órganos de la planta.
Actúa como límite resistente que impide la exagerada distensión de la membrana plasmática y su posible ruptura, debido a una excesiva entrada de agua.
Los plasmodesmos son puentes citoplasmáticos que establecen continuidad entre células vegetales adyacentes. Estos puentes atraviesan la pared celular.
La presencia de estos puentes permite la libre circulación de líquidos y solutos, importantes para mantener la tonicidad de la célula vegetal.
Plastidios
Son organelos citoplasmáticos limitados por membrana que están presentes en las células de las plantas y algas (vegetales). Las más importantes son los cloroplastos, que se caracterizan por poseer pigmentos y por su papel en la fotosíntesis.
Cloroplastos: Es un tipo de plastidio que se encuentra exclusivamente en las células vegetales fotosintéticas. Tienen forma variable, aunque, a menudo, son ovoidales. Tiene un tamaño mayor que el de las mitocondrias, por lo general, de 3 micrometros de diámetro y 10 micrometros de largo. El microscopio electrónico ha revelado que la estructura del cloroplasto se compone de tres partes principales: la envoltura, el estroma y los tilacoides.
La envoltura de los cloroplastos presenta dos membranas: una externa muy permeable y otra interna lisa y sin crestas, menos permeable que la externa.
El estroma: Es la cavidad interna del cloroplasto y está compuesta por enzimas implicadas en el metabolismo fotosintético y por aquellas que regulan y controlan la replicación, transcripción y traducción del material genético del cloroplasto. Contiene, además, un DNA tipo procarionte, circular y desprovisto de proteínas. Este DNA y la presencia de diversos RNA y ribosomas tipo procarionte, le da al cloroplasto la capacidad de síntetizar algunas proteínas estructurales y enzimáticas del cloroplasto. Otras sustancias encontradas en el estroma son sustancias como almidón y gotas lípídicas.
Los tilacoides son sacos aplanados agrupados como pilas de monedas. Estas pilas se denominan granas. Hay tilacoides que atraviesan el estroma, los cuales se conectan entre sí formando una red de cavidades (espacio tilacoidal). La membrana de los tilacoides contiene los pigmentos fotosintéticos (clorofila y carotenoides), la cadena transportadora de electrones, la enzima ATP sintetasa, entre otros.
Además de los cloroplastos, existen otros plastidios con pigmentos, denominados como cromoplastos. En los pétalos, frutos y raíces de ciertas plantas superiores hay cromoplastos amarillos o anaranjados. Éstos tienen, en general, menor actividad fotosintética.
Los plastidios incoloros o leucoplastos se encuentran en las células embrionarias y en las células de los órganos que no reciben luz y corresponden a vacuolas limitadas por dos membranas, cuya función principal es el almacenamiento de sustancias de reserva, como el almidón en amiloplastos y los aceites en los oleoplastos, etc.
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