Tema 7: Estudio morfo-funcional de la célula

Las células son las unidades fundamentales de la vida. Las bases biológicas del comportamiento dependen de millones de células.

• Las células son las unidades más pequeñas que manifiestan las propiedades de la vida.

• Todos los seres vivos están compuestos por células.

• Todo organismo ha sido alguna vez una única célula.

Aunque las células difieren en tamaño, forma y función; tienen muchas cosas en común. Es en estas cosas en las que nos vamos a centrar.

Las células no fueron descubiertas hasta tener medios (microscopios) para ello. En el S. XVII se desarrollaba la óptica. Se atribuye a Robert Hooke (1665) la primera descripción de las células. Lo que observó lo llamó «cell» (porque le recordaba la celdilla de un panal). Leeuwenhoek (1674) fue el primero que reconoció células libres.

Sin embargo no fue hasta el S. XIX cuando se reconoció, gracias al perfeccionamiento de los microscopios, que los tejidos animales también estaban formados por células. Schleiden (1838) y Schwann (1839) postularon la Teoría Celular. Luego Virchow (1856) añadió que toda célula procede de otra célula. En el siglo XX se inventó el microscopio electrónico, que permitió un mayor conocimiento: el descubrimiento de orgánulos.

La célula es una estructura organizada, con orgánulos con funciones específicas. La célula es una pequeña masa viscosa, y en el interior existen unos orgánulos con funciones muy diversas y muy específicas.

Con un microscopio óptico se ve a la célula de tamaño de una canica. Esto nos permite distinguir núcleo y citoplasma.

Núcleo

Es un orgánulo aproximadamente esférico de posición casi siempre central que aparece en todas las células. Se puede decir que es proporcional a la cantidad de citoplasma de la célula. Es la parte más importante, el “cerebro” donde se elaboran las órdenes para los demás orgánulos. Fundamentalmente contiene ADN.

Con colorantes adecuados y el microscopio óptico se distinguen 2 estructuras:

• Cromatina: una maraña de aspecto fibroso que llena prácticamente todo el espacio del núcleo, y está compuesto de ADN. Los cromosomas son cromatina condensada.

• Nucleolo: orgánulo más o menos esférico, denso y que contiene ARN. Se cree que es aquí donde se sintetiza el ARN.

Citoplasma

Es el espacio que rodea al núcleo pero que está dentro de la célula. Con las tinciones adecuadas y el microscopio óptico se pueden distinguir:

• Mitocondrias: orgánulos que está en el límite de resolución del microscopio óptico. Son las “centrales energéticas” de las células.

• (Vacuolas): orgánulos más propios de células vegetales que animales.

Con el microscopio electrónico la célula aparece del tamaño de un balón. El citoplasma aparece lleno de tubos, canales, fibras, sacos... A cada una de estas estructuras (los orgánulos) se les dio un nombre. Se han conseguido aislar y estudiar con detalle algunos orgánulos.

Membrana celular

Sólo se ve con el microscopio electrónico. No es lisa, sino que muestra pliegues, invaginaciones, microvellosidades...

La célula está rodeada por la membrana celular o plasmática, que la aísla o delimita del exterior. Sin embargo no funciona como una coraza, puesto que controla las sustancias que entran y salen. Además en las células nerviosas son particularmente importantes en la transmisión del mensaje. Todo intercambio entre la célula y el exterior está mediado por la membrana. Cuando la membrana pierde el control de este intercambio la célula muere.

En la composición química de la membrana entran:

• Lípidos (40%): los más abundantes son los fosfoglicéridos (ácido graso+fosfoglicerina). Éstos tienen un extremo denso y polar (el fosfato) y otro ligero (los ácidos grasos).

• Proteínas (52%): muchas de ellas tienen una función de transporte.

• Glúcidos (8%): son polisacáridos. Nunca están libres, sino siempre unidos a una proteína (glucoproteínas) o a un lípido (glucolípidos).

Al microscopio electrónico la membrana parece tener 2 partes (2 líneas oscuras y una clara en medio). Las líneas oscuras corresponden a las terminaciones densas y polares de las moléculas de lípidos. La línea clara corresponde a las terminaciones ligeras.

Parece haber 2 capas de lípidos. El modelo molecular de la membrana que hoy se acepta fue propuesto en los 70 como el modelo de mosaico fluido. Según este modelo los lípidos forman una doble capa (Bicapa lipídica) en la que las moléculas están orientadas con los grupos polares hacia el exterior y hacia el interior. Las proteínas se disponen de manera irregular y asimétrica. Las proteínas pueden atravesarla, asomar por los dos lados, por uno solo... La membrana es bastante asimétrica, irregular. Esta asimetría se acentúa porque las cadenas de glucoproteínas y glucolípidos sobresalen.

Además, estos componentes no están estructurados de manera rígida, sino que la membrana presenta un alto grado de fluidez -sus componentes son móviles-.

Los lípidos y proteínas integrales están dispuestas en mosaico con las proteínas intercaladas dentro de la bicapa lipídica, que es más o menos regular.

Concepto de fluidez. Tanto los lípidos como las proteínas pueden realizar movimientos de traslación dentro de la membrana. Sólo están mantenidos mediante interacciones débiles (enlaces de hidrógeno). El concepto de fluidez supone que lípidos y proteínas pueden realizar grandes movimientos laterales, pero el movimiento vectorial está muy limitado. Esta propiedad se deriva de los lípidos, está relacionada con el estado físico según el grado de saturación y temperatura.

Asimetría. Propiedad fundamental. Significa que entre la membrana interna y la externa los componentes se van a disponer de manera irregular. Por ejemplo, la capa externa puede contener un tipo de fosfolípidos característico y la interna otro. Esta asimetría es estable -hay poco intercambio entre capas-. Los glúcidos sólo están en la capa exterior.

Las proteínas se reparten muy asimétricamente. Se las clasifica como proteínas intrínsecas (o integrales) y extrínsecas (o periféricas). Las proteínas extrínsecas se separan mediante procedimientos suaves (p. ej., disolución en agua), no están mezcladas con los lípidos y se encuentran sobre la superficie del citoplasma. Ej.: espectrina y citocromo C.

Las proteínas intrínsecas (el 70%) se separan mediante procedimientos más drásticos (disolventes orgánicos como el benceno). Son insolubles en soluciones acuosas, están asociadas a lípidos y también a glúcidos. Ej.: banda 3 (principal proteína intrínseca que atraviesa toda la mediana, contiene pocos glúcidos) y glucoforina (principal glucoproteína de la membrana).

Enzimas de la membrana

En la membrana también hay enzimas, que son importantes en la transmisión de iones a través de la membrana (p. ej. la Na+yK+ATPasa; cuya actividad depende de la presencia de lípidos). Hay también otro tipo de enzimas en la superficie externa, como la acetilcocinesterasa; y en la interna, como la proteinoquinasa y la adenilciclasa.

Paso de moléculas a través de la membrana celular

La membrana es permeable, lo cual es fundamental para el funcionamiento de la célula. Es esta permeabilidad la que permite la entrada y la salida de sustancias a la célula. La salida se realiza por un proceso llamado exocitosis, el ingreso por otro llamado endocitosis. La presencia de la membrana establece la diferencia entre el líquido intracelular y el extracelular. Tiene misiones como mantener la presión osmótica, el equilibrio entre el interior de la célula y el exterior, etc.

El transporte de moléculas a través de la membrana es muy específico. La permeabilidad de ésta está muy relacionada con la estructura química de la molécula. Así, teniendo el mismo tamaño 2 moléculas una logra entrar y otra no por tener distinta estructura tridimensional. Hay 2 mecanismos por los que una molécula puede atravesar la membrana:

De un modo pasivo, sin gasto de energía, basándose en las leyes físicas de la difusión.

Por transporte activo, con gasto de energía.

Transporte por difusión

Las moléculas van a pasar de la zona donde hay mayor concentración a donde hay menor, de manera que hay una tendencia a que se igualen las concentraciones. La velocidad de difusión va a depender de las diferencias en la concentración, del tamaño de la molécula, de la carga de la molécula, de la solubilidad de la molécula en los lípidos de la membrana...

Se ha observado también que hay algunas moléculas que atraviesan la membrana a favor del gradiente, pero a velocidad mayor de la que cabría esperar (p. ej. es lo que ocurre con azúcares o ácidos nucleicos). Esto se explica porque estas moléculas no se difunden por sí mismas, sino con ayuda de una proteína transportadora. Este fenómeno recibe el nombre de difusión facilitada.

Transporte activo

Es fundamental para entender por qué existen concentraciones elevadas de determinadas moléculas en el interior de las células. Por ejemplo, en los glóbulos rojos hay 20 veces más potasio que en su medio, y en el medio 20 veces más sodio que dentro de ellos; esto funciona así gracias a que hay un proceso de transporte activo.

En el transporte activo interviene una proteína transportadora y hay consumo de energía. Se trata de un proceso similar a hacer subir agua contracorriente mediante una bomba, la cual consume energía. A estas proteínas transportadoras se las llama también proteínas translocadoras o permeasas. La selectividad del transporte en la membrana se atribuye a éstas. Se cree que funcionan de manera similar a las enzimas, ya que: a) reconocen la sustancia; b) aceleran su transporte; c) imparten selectividad de las moléculas que van a ser transportadas; d) no se consumen, permanecen invariables después de transportar.

No se conocen los detalles exactos de cómo funcionan estas proteínas translocadoras, pero se han sugerido 2 hipótesis:

1. Mecanismo translocador. La molécula se une a la proteína translocadora en la superficie externa. Una vez unida, el complejo sufre una rotación y luego una translocación.

Sin embargo, este mecanismo es poco probable por varias razones: es muy difícil que se produzca una rotación, pero más aún que se de una translocación de la proteína (una molécula difícilmente pasa de la bicapa externa a la interna).

2. Mecanismo de poro fijo. Supondría un menor gasto energético que el anterior. El translocador sería una proteína integral que atraviesa la membrana. Esta proteína se une a las moléculas y sufre unos cambios en su conformación que van a permitir que la molécula pase a través de ella. Este segundo mecanismo parece el más adecuado.

Cubierta celular (glucocálix)

No se debe confundir con membrana celular. En la mayoría de las células animales la membrana está cubierta por el glucocálix (cubierta celular), formado por muchos glúcidos (las cadenas de polisacáridos de los glucolípidos y los glucoprótidos de la membrana). En algunos casos hay incluso una última capa formada por excreciones celulares (hidratos de carbono).

Aunque no es fundamental para la integridad de la célula ni para la permeabilidad de la membrana (su papel es secundario), la cubierta celular cumple varias funciones:

Filtración: regular el paso de moléculas de acuerdo con su tamaño. La cubierta constituye una primera barrera.

Microambiente: puede modificar la concentración de determinadas sustancias debido a su carga (carga negativa).

Enzimática: posee enzimas que intervienen en la digestión (catálisis) de hidratos de carbono y proteínas.

Reconocimiento molecular: es capaz de distinguir las células del propio organismo de otras extrañas. Esta es la razón del rechazo a los injertos, atrae las células propias y rechaza las extrañas.

Asociación de las células del mismo tejido: no sólo reconoce las células propias del organismo, sino que también hace que las células del mismo tejido tiendan a juntarse.

Esta función de reconocimiento es viable gracias a que existen muchas combinaciones posibles de monosacáridos, y éstas proporcionan una especie de “señal dactiloscópica” de organismo.

Membranas internas

Existen muchas membranas en el interior de la célula similares a la membrana externa. A veces hay una continuidad con ésta. Estas membranas internas en ocasiones aparecen rodeando a orgánulos, y otras, formando endomembranas. El sistema de endomembranas tiene 3 componentes:

Retículo endoplasmático

Aparato de Golgi

Envoltura nuclear

Retículo endoplasmático

Es similar a la membrana celular. Forma todo un sistema de membranas que forma canales, vesículas... Sólo es visible al microscopio electrónico. Su tamaño varía: en las células embrionarias es casi inexistente, pero a medida que se van diferenciando va creciendo. Algunas de las membranas que lo forman tienen aspecto rugoso y otras liso.

• Retículo endoplasmático rugoso: Es rugoso porque tiene adheridos unos orgánulos (ribosomas), que le dan ese aspecto. En los ribosomas es donde se traducen los mensajes que llegan del núcleo para la síntesis de proteínas específicas. Más del 50% de su masa la forma el ARNr (ARN ribosómico). El retículo endoplasmático rugoso tiene 2 proteínas que no posee el liso: riboforinas I y II, que se supone que intervienen como mediadores en la adherencia de los ribosomas al retículo endoplasmático rugoso.

• Retículo endoplasmático liso: En él se produce la síntesis de lípidos.

Ambos retículos (rugoso y liso) intervienen en el transporte intracelular de sustancias. Las proteínas sintetizadas por los ribosomas pueden ser transportadas al exterior, o bien incorporarse a los orgánulos o a la membrana.

Aparato de Golgi

Forma parte del sistema de endomembranas, y está espacialmente unido al retículo endoplasmático; por medio de unas vesículas secretoras se puede llegar a fusionar con la membrana plasmática. El aparato de Golgi está formado por sacos, cuyo número y tamaño depende del tipo de célula. Estos sacos están formados por unidades que se denominan dictiosomas, que se disponen en forma de pilas. Los sacos están asociados con vesículas secretoras.

Existe una íntima relación entre este aparato y la secreción celular. Constituye una estructura única bastante extensa, que suele ocupar una posición bien definida entre el núcleo y el polo por donde se secreta.

Esta relacionado con la síntesis de polisacáridos. A través del aparato de Golgi hay un continuo tránsito de sustancias que a veces son sintetizadas en otros lugares de la célula. Aquí van a ser modificadas y “empaquetadas” (se forman glucolípidos y glucoprótidos). Una vez “empaquetadas”, las proteínas dejan el aparato de Golgi en forma de vacuolas y van a diversos lugares. Algunos ven este aparato como un centro de selección de las proteínas que van a ser expulsadas, las que se van a incorporar a otros orgánulos o las que se van a incorporar a la membrana.

Mitocondrias

Son orgánulos presentes en el citoplasma de todas las células -eucariotas-, aunque son más comunes en las células animales. Cuando se observan al microscopio se ve que tienen una estructura bastante compleja. Constan de una doble membrana: una externa y otra interna. La interna forma pliegues que se denominan crestas. La forma y la disposición de las mitocondrias, así como su número, varían de unas células a otras y están relacionadas con la actividad de cada célula.

El compartimento interno es la matriz mitocondrial, constituida por un material proteínico bastante denso. La membrana interna posee gran cantidad de enzimas implicadas en los procesos de degradación de moléculas. Lo que hace esta membrana interna es ofrecer un sustrato donde puedan darse reacciones químicas.

Anteriormente se había pensado que la mitocondria era un orgánulo cerrado, que “iba por libre”. Ahora se ha observado que son muy dinámicas e interaccionan con otros sistemas celulares. Son los indicadores más sensibles del malfuncionamiento de una célula, es decir, son de los primeros sistemas en verse afectados.

Las mitocondrias son las “centrales energéticas” de las células, y tienen más de 70 enzimas diferentes en su interior. Se trata de un sistema transductor que proporciona energía para los procesos celulares. En la mitocondria se da un proceso de oxidación de las sustancias alimenticias. La oxidación consiste en la pérdida de electrones, que van a pasar al oxígeno. En este proceso se va a liberar gran cantidad de energía que las mitocondrias van a almacenar en los enlaces de moléculas de ATP.

ADP + P + Energía ! ATP

(Ver el tema 6, sobre el metabolismo celular).

Otros orgánulos

Citoesqueleto

Es el esqueleto de la célula, está en el citoplasma. Hoy día se sabe que el citoplasma contiene un citoesqueleto formado por largos procesos en forma de tubos (microtubos), por largos y finos filamentos (microfilamentos) y por fibras de diferentes tamaños; que forman, todos ellos, una red muy fina (red microtrabecular) que comunica todos los elementos de la célula, dando consistencia, integridad y forma (permitiendo cambios) a la célula. El citoesqueleto está implicado en todas las actividades dinámicas de la célula.

Todas las partes de la célula están en este medio fluido. 3 proteínas:

Microtúbulos !	Tubulina
Microfilamentos !	Actina
	Miosina

Son las responsables de estas propiedades dinámincas. Son contráctiles. Son proteínas globulares capaces de ensamblarse y desensamblarse (formando fibras), lo que produce los cambios de forma.

Los microtúbulos constituyen también los cilios y flagelos que permiten el movimiento de la célula en medios líquidos.

Además estas proteínas pueden formar orgánulos (es el caso del centriolo).

Centriolo

El centriolo está formado por tres grupos de microtúbulos, dispuestos de forma paralela y muy próximos entre sí. Sólo aparece en células animales y sólo aparece en el huso mitótico (ambos influyen en la división celular).

Los centriolos se encuentran en parejas y en ángulo recto. No se dividen con la célula y se generan unos a otros.

Núcleo

Tuvieron que pasar muchos años para que se entendiera su función como la de centro de información de la célula. En él se localiza el material genético (ADN).

El núcleo está rodeado por 2 membranas, una doble membrana que le separa del citoplasma. Están separadas por el espacio perinuclear. Esta doble membrana tiene numerosos poros que facilitan el transvase de moléculas entre el núcleo y el citoplasma, pero que seleccióna cuáles entran y cuáles no (su principal función es la de selección). Por ejemplo, impide la entrada de ribosomas activos en el núcleo. Sin embargo, otras estructuras grandes formadas en el núcleo, como los precursores del ribosoma, pueden salir a través de la membrana del nucleo. El ARN mensajero también puede.

Parte de las proteínas han de entrar en el núcleo para realizar su función. Incluso hay proteínas específicas del núcleo, como la ARNpolimerasa, la ADNpolimerasa y las histonas, que son sintetizadas en el citoplasma.

No se sabe muy bien a qué se debe esta selección. Quizás algún tipo de señal en su estructura les permite entrar, siendo indiferente su peso molecular o tamaño.

Dentro del núcleo hay una masa más densa, que es el nucleolo. Tiene una gran concentración de ARN y proteínas. NO hay membrana que lo delimite. Es el lugar de transcripción de los ARN ribosómicos, donde se empiezan a armar los ribosomas.

El principal componente genético, el ADN, lleva la información genética de una célula u organismo a otras. Estas largas moléculas de ADN se alojan en el núcleo, un lugar reducido. Esto es posible porque se asocian a otras moléculas que logran su empaquetamiento (fundamentalmente, aunque no siempre, proteínas). Forman así la cromatina.

La cromatina se llama así por la facilidad de teñirla. Tiene el aspecto de una maraña de fibras que ocupa todo el núcleo. Las zonas más densas y compactas se llaman heterocromatina, y las más lasas eurocromatina.

Heterocromatina: es la cromatina más compacta. Suele adherirse en la parte interna del envoltorio nuclear y en el exterior del nucleolo. Su conformación depende de su función.

Cuando la célula se va a dividir y transmitir su información genética a las células hijas, la cromatina se condensa enormemente (unas 7000 veces) y da lugar a los cromosomas. Estos cromosomas sólo serán visibles durante la mitosis (división celular) y no en el resto de la vida de la célula.

La cromatina puede aislarse y aparece como una sustancia gelatinosa que contiene ADN, ARN y proteínas (histonas y no histonas).

• No-histonas: son muy heterogéneas, y contienen ADNpolimerasa y ARNpolimerasa.

• Histonas: las más abundantes. 1/1 en peso con el ADN. Se piensa que su principal función es estructural. Son pequeñas proteínas básicas (captan H) y poseen entre un 10% y un 20% de arginina y lisina (aminoácidos básicos). Por ser básicos se unen al ADN. Hay 5 clases:

H1 !	No es común a todas las especies
H2A
H2B	Común a diversas especies
H3
H4

La interacción de las histonas y el ADN forma los nucleosomas, que dan aspecto arosariado a las fibras de cromatina.

Se pensó que estas estructuras circulares (nucleosomas) estaban unidas por ADN, pero posteriormente se descubrió que era un artificio del estiramiento. En realidad se tocan entre sí:

La información genética dentro del núcleo se almacena en los cromosomas (o cromatina). El número es fijo y específico de cada especie. Todas las células de un organismo pluricelular tienen igual número de cromosomas.

La cromatina aparece, descondensada, en los periodos de interfase y se condensa formando cromosomas en los periodos de división celular. El material genético tiene que dividirse en 2 partes iguales (para las células hijas), pero lo que es mejor que esté condensado.

Cromosomas

Un cromosoma es una estructura alargada de aspecto doble y formado por 2 partes idénticas que se denominan cromátidas, unidas por un centrómero.

Cada cromátida contiene una única y larga cadena de ADN (doble hélice) muy plegada y asociada con las proteínas correspondiente. Ambas son idénticas porque provienen de la duplicación del ADN parental. Las dos tienen la misma formación, cada cromosoma tiene la información duplicada. Las dos cromátidas de un cromosoma se llaman cromátidas hermanas.

En el periodo de división celular, se observó que aparecían cromosomas dispersos por la célula (fruto de la condensación de cromatina), y que eran emparejables 2 a 2. Los cromosomas emparejables son `homólogos'. Los homólogos no son idénticos, pero contienen información equivalente.

El número de cromosomas es fijo, constante y característico de cada especie. Todas las células de un organismo tienen el mismo número de cromosomas. Pueden distinguirse 4 tipos de cromosomas según su forma (posición del centromero):

• Telocéntrico: el centrómero está en uno de los extremos.

• Acrocéntrico: tiene un brazo muy corto con respecto al otro.

• Submetacéntrico: tiene brazos desiguales (el corto no es tan corto como en el acrocéntrico).

• Metacéntrico: tiene los brazos de igual tamaño.

Se denomina telómero a los extremos del cromosoma. Son extremos que tienen una estructura muy especial, distinta de la del resto del cromosoma.

11

Exterior

Interior

Primer momento

Tercer momento

Segundo momento

Interior

Exterior

NO

SÍ

idénticos

idénticos

equivalentes