Para estudiar la estructura y funcionamiento celular, hay que incursionar en el mundo microscópico dadas las escasas dimensiones de la unidad fundamental de los seres vivos. Para acometer esta acción es necesario acudir a instrumentos que permiten superar las limitaciones del ojo del observador para discriminar, que dos puntos que se encuentran muy próximo entre sí, se aprecian como entidades separadas (poder de resolución).
Componentes Principales de la Célula
El contenido interno de la célula está delimitado por la membrana plasmática. El citoplasma está compuesto por una solución acuosa, el citosol y una variedad de compartimientos limitados por membranas biológicas: los orgánulos. En la organización del citoplasma podemos encontrar 4 niveles de organización subcelular: subunidades monoméricas, macromoléculas, complejos supramoleculares y orgánulos.
Membrana Plasmática
La membrana plasmática define la periferia de la célula, separando su contenido de su entorno. Es una barrera dinámica que permite el paso de iones inorgánicos y la mayoría de los compuestos polares. Participa en el transporte de sustancias de un lugar de la membrana a otro, ejemplo, acumulando sustancias en lugares específicos de la célula que le puedan servir para su metabolismo. La membrana plasmática, envuelve a la célula y define sus límites, manteniendo las diferencias entre el medio extracelular y el citoplasma. Las membranas celulares son cruciales para mantener a la célula viva. Todas las membranas tienen una estructura general similar, compuesta por una bicapa de fosfolípidos con moléculas proteicas. Las membranas celulares son dinámicas y fluidas. Los fosfolípidos corresponden al 50% de la masa de las membranas animales, son anfipáticos, es decir, tienen una zona polar hidrofílica y una zona apolar hidrofóbica.
Núcleo
El núcleo es un orgánulo que contiene varios tipos de complejos supramoleculares incluyendo la cromatina. El núcleo de una célula eucarionte es un orgánulo membranoso que contiene la mayor parte del contenido genético de las células, organizado en múltiples moléculas lineales de ácido desoxiribonucleico (ADN). Posee una envoltura nuclear formada por 2 membranas concéntricas. La cromatina está compuesta de 2 tipos de macromoléculas, ADN y proteínas, las cuales a su vez están compuestas de subunidades de aminoácidos y nucleótidos. Las histonas son responsables de generar el primer nivel de organización de la cromatina y forma los nucleosomas. El nucléolo es un complejo macromolecular subnuclear y como tal no está rodeado de membrana. Es la estructura más visible que se observa en el núcleo de una célula eucarionte por microscopía óptica en interfase. Está formado por proteínas y ARN ribosomal.
Ribosomas
Los ribosomas son complejos macromoleculares y no se definen como orgánulos, porque no poseen membranas en su estructura. El esquema muestra de manera jerárquica la composición molecular de los ribosomas. Las subunidades de aminoácidos y nucleótidos forman macromoléculas como proteínas y RNA y el conjunto de macromoléculas forman un complejo macromolecular como el ribosoma. Los ribosomas se elaboran en el núcleo, pero cumplen su función en el citosol, en la cual se polimerizan aminoácidos para sintetizar proteínas. La secuencia de los aminoácidos es definida por la información de la información genética que se transcribe a partir del ADN y trasmitida al citosol en forma ARN mensajero (ARNm). Los ribosomas están presentes en todas las células de los pluricelulares, excepto los espermatozoides.
Retículo Endoplásmico (RE)
El retículo endoplásmico está presente sólo en las células eucariontes. En las células eucariontes, la membrana nuclear externa de la envoltura, es continua con la membrana del Retículo Endoplasmático (RE) el cual presenta la estructura de sacos aplanados. Cuando el RE tiene unido ribosomas se conoce como RE rugoso (RER). La función del RER está vinculada con la síntesis de proteínas, las cuales puede ser destinadas a secreción en el medio extracelular (producción de mucus), como proteínas estructurales de orgánulos o como proteínas citosólicas (enzimas o componentes del citoesqueleto). Una vez sintetizadas las proteínas en el RER, éstas se trasportadas al Aparato de Golgi, el cual está encargado de su procesamiento (modificaciones post-traduccionales), destinación y envío al destino final con modificaciones covalentes, como las glicosilaciones.
Aparato de Golgi
Consiste en una estructura sacular y membranosa formada por cisternas, que se apilan una encima de la otra. El aparato de Golgi al modificar las proteínas provenientes del RER contribuye a la destinación definitiva de las proteínas que contribuyen a generar las modificaciones de estructuras celulares, como son la membrana plasmática, lisosomas y vesículas secretoras, entre otras. Las proteínas y lípidos se mueven a lo largo de las cisternas del Aparato de Golgi (desde el cis hacia el trans). Este movimiento ocurre por transporte vesicular.
Lisosomas
El RE, el aparato de Golgi y los lisosomas, se distinguen de otros orgánulos por su relación con el procesamiento de proteínas y su interconexión mediante transporte vesicular. Las proteínas se sintetizan en los ribosomas, posteriormente la información o señales que especifican la localización de cada proteína se incorpora en la estructura de destino final según señales específicas. Son estructuras relacionadas con el procesamiento de desechos sólidos y materiales de almacenamiento. Las enzimas lisosomales son capaces de digerir partículas grandes como por ejemplo bacterias y también otras sustancias que entran en la célula, ya sea por fagocitosis, u otros procesos de endocitosis. Eventualmente, los productos de la digestión son tan pequeños, que pueden atravesar la membrana del lisosoma, volviendo al citosol donde son reciclados. Los lisosomas utilizan sus enzimas para reciclar los diferentes orgánulos y orgánelos de la célula, englobándolas, digiriéndolas y liberando sus componentes en el citosol (autofagocitosis).
Peroxisomas
Los peroxisomas son orgánulos pequeños globulares rodeados por una membrana, presentes en todas las células eucariontes, morfológicamente son muy parecidos a los lisosomas y difieren de las mitocondrias o cloroplastos en que no poseen ADN o ribosomas y una membrana simple y que se ensamblan en el RE. Son los encargados de las reacciones oxidativas conteniendo enzimas oxidativas como la catalasa y la urato carboxilasa. La mayor función de reacciones oxidativas desarrollada por los peroxisomas, es la ruptura de moléculas de ácidos grasos. En muchos caso los productos de las reacciones de oxidación incluyen peróxido de oxigeno (agua oxigenada, H2O2), el cual es altamente corrosivo y por lo tanto dañino para la estructura de la célula. Si el peróxido de oxigeno se escapa de los peroxisomas rápidamente puede dañar orgánulos y la membrana plasmática. En el interior de los peroxisomas existe una enzima, la llamada catalasa, que es capaz de convertir de H2O2 en agua y oxigeno. Por ejemplo, los peroxisomas del hígado contienen una variedad de enzimas que oxida compuestos tóxicos como el alcohol, generando productos derivados de reacciones oxidativas que no son tóxicos y se excretan fácilmente por la orina.
Mitocondrias
Las mitocondrias poseen su propio ADN. Ocupan una porción substancial del volumen del citoplasma (alrededor del 20%), tienen un tamaño 0,5-1mm que es similar al de una bacteria. Están rodeados de una doble membrana. La membrana externa define la superficie del orgánulo, mientras que la membrana interna está en contacto con las crestas mitocondriales. El espacio que queda delimitado por la membrana interna se llama matriz mitocondrial. En los organismos eucariontes, la mayoría de las enzimas y maquinaria molecular encargada de la formación de ATP se encuentran embebidas en las membranas de las crestas o suspendidas en la matriz. Son los encargados de generar la mayoría del ATP, necesario para las reacciones que necesitan energía.
Cloroplastos
Muchos de los organismos autótrofos (vegetales), poseen otro tipo de orgánulo con doble membrana, muy similar a las mitocondrias, son los cloroplastos. Estos son los encargados de realizar fotosíntesis, usando la energía del sol para sintetizar energía química a partir del CO2 atmosférico y agua. En el interior de los cloroplastos están presentes unas estructuras membranosas, como vesículas o discos aplanados, llamadas tilacoides. En las membranas de los tilacoides se encuentran los pigmentos, enzimas y la maquinaria molecular encargada de convertir la energía luminosa en hidratos de carbono (fotosíntesis).
Organización Celular: Eucariontes vs. Procariontes
Los organismos vivos pueden ser clasificados en base a su estructura celular, en 2 grupos: los organismos eucariontes y los organismos procariontes. La mayoría de los organismos procariontes son pequeños (unos pocos micrones) y simples en su apariencia, típicamente redondos o en forma de bastón. Están rodeados por una pared celular compuesta de un complejo carbohidrato/ proteínas llamado peptidoglicanos y una membrana plasmática que separa el citoplasma del entorno. En el citoplasma podemos encontrar ADN, ARN, ribosomas y moléculas más simples necesarias para la vida. Los organismos eucariontes, a diferencia de los organismos procariontes mantienen su ADN en un compartimiento intracelular membranoso conocido como núcleo, presentan un citoplasma organizado en orgánulos.
Composición Molecular de la Célula
Los aminoácidos son las unidades básicas de las proteínas. Cada aminoácido tiene distintas propiedades químicas ya que tienen distintos grupos R. con carga negativa (ácido aspártico, ácido glutámico). Proveen soporte para la célula y los tejidos. Los eritrocitos contienen hemoglobina proteína encargada del transporte de O2. Los nucleótidos son las subunidades de ADN o ARN, están compuestos de un anillo nitrogenado unido a un azúcar de 5 carbonos (bases nitrogenadas), este azúcar puede ser ribosa o desoxirribosa. Los nucleótidos que contienen ribosa, se conocen como ribonucleótidos (ARN) y los que contienen de desoxirribosa se conocen como desoxirribonucleótidos (ADN). Las bases nitrogenadas puedes ser pirimidinas como la citosina, timina y uracilo y purinas como guanina y adenina. El rol más importante de las nucleótidos es almacenar y recuperar la información genética. Sirven como bloques para la construcción de los ácidos nucleicos.
El termino hidrato de carbono, comprende tanto los monómeros que se conocen como monosacáridos como los polímeros conocidos como polisacáridos. La glucosa es la fuente primaria de obtención de energía de las células, es el componente principal de polímeros estructurales como la celulosa y almacenamiento de energía como los polímeros de almidón y el glucógeno. La pared celular de algas, plantas, bacterias, hongos está compuesta de uno o más polisacáridos. La formula química de los hidratos de carbono es (CH2O)n en donde n corresponde al número de monómeros de hidrato de carbono, que puede ser 3,4,5,6,7 u 8 unidades. Están involucrados en una serie de funciones como: almacenar energía química, actuar como pigmentos que capturan o responden a la luz solar, servir como señales entre células, formar una capa “a prueba de agua” en hojas y piel, actuar como vitaminas, etc.
Volumen Subcelular
El mayor porcentaje en volumen de la célula lo ocupan principalmente el citosol, las mitocondrias, el RER, el núcleo y el RE liso junto con el aparato de Golgi. Estos porcentajes pueden variar dependiendo del tipo celular, ya que cada célula tiene una función distinta en el organismo y sus componentes subcelulares están relacionado con ello. Cuando comparamos el número de mitocondrias en varios tipos celulares, se concluye que es directamente relacionado con la actividad fundamental de este tipo celular. Esto lo podemos deducir de acuerdo a la función que desempeña este orgánulo. Por ejemplo, las células epiteliales (las de recubrimiento), no tienen un gasto de energía considerable, las células adiposas tienen una función de almacenamiento principalmente y tampoco requieren demasiada energía, en cambio las células del hígado tienen varias funciones desde la síntesis de proteínas plasmáticas hasta la eliminación de sustancias nocivas para el organismo, por lo que su requerimiento energético es mucho mayor que las otras.
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