Facultad de Agronomía y Veterinaria
Ingreso 2010
MEDICINA VETERINARIA MÓDULO DE BIOLOGÍA
Facultad de Agronomía y Veterinaria - Ruta 36 Km 601 Río Cuarto - Córdoba -
Argentina -(Cp. X5804BYA) -Tel :
0358-4676206
Ingreso 2010
FACULTAD DE AGRONOMÍA Y VETERINARIA
“Biología Celular y Molecular”
NOTA: Compilación de textos orientativos para el alumno, no obstante los mismos
deben consultar la bibliografía sugerida al final de este apunte.
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Las células: Introducción
En algún momento de la historia de este planeta aparecieron sistemas biológicos
capaces de producir descendientes y evolucionar, un hecho íntimamente asociado
con los cambios que sufrió la Tierra. Las células son las unidades
estructurales y funcionales de todo ser vivo. Todos los organismos están
conformados por células. La vida se caracteriza por una serie de propiedades
que emergen en el nivel de organización celular. La teoría celular constituye
uno de los principios fundamentales de la biología y establece que: todos los
organismos vivos están formados por una o más células que constituyen las
unidades morfológicas y fisiológicas de los organismos. las reacciones químicas
de un organismo vivo, incluyendo los procesos liberadores de energía y las
reacciones biosintéticas, tienen lugar dentro de las células. las células se
originan de otras células. las células contienen la información hereditaria de
los organismos de los cuales son parte y estainformación pasa de la célula
progenitora a la célula hija. la unidad más pequeña de la vida es la célula.
Tabla 1.Clasificación de los organismos y las células
Reino Organismos representativos Moneras Bacterias Algas verde azules Protistas
Protozoos Hongos Mohos Hongos Vegetales Algas verdes Algas rojas Algas pardas
Biófitas Traqueófitas Eucariotas Animales Metazoos
Clasificación celular
Procariotas
Eucariotas
Eucariotas
Eucariotas
Organización de las células
En la naturaleza existe una sorprendente diversidad de tipos celulares que, a
la vez, tienen una notable similitud. Cada célula es capaz de llevar a cabo
esencialmente los mismos procesos: obtener y asimilar nutrientes, eliminar los
residuos, sintetizar nuevos materiales, moverse y reproducirse. Las células son
las unidades básicas de la estructura y función biológica pero pueden diferir
grandemente en su tamaño , forma y organización según se trate de células
Procariotas o Eucariotas Las células procarióticas están constituidas por una
pared celular externa
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rígida elaborada por la propia célula (contienen polisacáridos y polímeros
complejos conocidos como peptidoglicanos, formados a partir de aminoácidos y
azúcares); por debajo de ella está la membrana plasmática que limita al
citoplasma. Éste carece de citoesqueleto y no está dividido en compartimientos
por membranas; tiene una apariencia granular fina debida a la presencia de
complejos moleculares proteicos de RNA llamados ribosomas. También se localiza
en él, el material genético que se presenta enforma de una molécula grande y
circular de DNA que puede estar débilmente asociada con una pequeña cantidad de
RNA y proteínas no histónicas. Dicho material genético no está contenido dentro
de un verdadero núcleo ya que no existe una membrana nuclear. Por lo tanto, la
región donde está ubicado se denomina nucleoide. Un ejemplo de células
procariotas es la bacteria Escherichia coli y las cianobacterias, (grupo de
procariotas fotosintéticos) llamadas antes algas azules. La E. coli es un
procariota que resulta ser el más estudiado de todos los organismos vivos.(Fig
1).
Célula procariota E. coli. (Fig. 1). El material genético (DNA) se encuentra en
la zona más clara, en el centro
de cada célula. Esta región no delimitada por membrana se llama nucleoide. Los
pequeños granos del
citoplasma son los ribosomas. Las dos células del centro se acaban de dividir y todavía no
se han separado completamente. Las células eucarióticas propias de los hongos,
plantas y animales poseen la siguiente organización: * pared celular (hongos y
plantas); * membrana plasmática; * citoplasma (citoesqueleto, organelas); *
núcleo con su envoltura o membrana nuclear (material genético). Al actuar
conjuntamente con el citoplasma, el núcleo ayuda a regular las actividades de
la célula.
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Pared Celular
Una distinción fundamental entre las células vegetales (Fig.2) y animales
(Fig.3) es que las células vegetales están rodeadas por una pared celular que
se encuentra por fuera de la membrana plasmática y es construida por la propia
célula. Está compuesta porpectinas (los compuestos que constituyen el gel de
las gelatinas) y por otros polisacáridos .Contiene, principalmente, moléculas
de celulosa asociadas en haces de microfibrillas, a medida que la célula
madura, frecuentemente contiene otras moléculas, como la lignina, que sirven para reforzarla.
Los materiales químicos que en principio estaban vivos, a menudo mueren,
quedando la pared externa solamente como
una obra arquitectónica de la célula. (Las paredes celulares que contienen
celulosa también se encuentran en muchas algas). Los plasmodesmos, que son
canales que atraviesan las paredes celulares, permiten una conexión
citoplasmática entre células contiguas. La estructura más prominente en muchas
células vegetales es una vacuola grande, llena con una solución de sales, en
las células vegetales maduras, la vacuola ocupa la mayor parte de la célula
manteniendo la rigidez de la pared celular. La estructura de la pared celular
determina La forma final de la célula.
Una célula vegetal, interpretada según fotomicrografías electrónicas. (Fig. 2)
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Una célula animal, interpretada según fotomicrografías electrónicas. (Fig.3)
Membrana Celular o Plasmática
La membrana celular o plasmática es esencial en la vida celular ya que no sólo
define los límites de la célula, sino que además permite que la misma exista como una entidad diferente
de su entorno. La membrana regula el tránsito de sustancias hacia fuera y hacia
adentro de la célula a través de procesos de exocitosis y endocitosis,
respectivamente. Actúa como
una barreraselectivamente permeable respecto al medio circundante. Contribuye a
la integridad estructural y funcional de la célula. En las células
eucarióticas, además, define los compartimientos y organelas, lo que permite
mantener las diferencias entre su contenido y el citosol. La membrana celular, como todas las membranas
biológicas, consiste en una delgada capa de fosfolípidos y proteínas; tiene
entre 7 y 9 nanómetros de grosor y no es visible al microscopio óptico. En
cambio, con el microscopio electrónico, puede verse como una doble línea delgada y continua. Las
membranas están rodeadas por un medio acuoso, lo que hace que las moléculas de
fosfolípidos se dispongan formando una bicapa. Los fosfolípidos se ubican con
sus colas hidrofóbicas apuntando hacia el interior y sus cabezas hidrofílicas
apuntando hacia el exterior. Inmersas entre ellos se encuentran
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moléculas de colesterol y proteínas. Las membranas celulares son estructuras
fluidas y dinámicas y este modelo de estructura de membrana se conoce como el Modelo del
mosaico fluido. (Fig. 4)
Estructura de la membrana celular- Modelo del mosaico fluido. (Fig. 4)
Citoplasma
La célula era vista como una bolsa de fluido que
contenía enzimas y otras moléculas disueltas, juntamente con el núcleo, unas
pocas mitocondrias Con el desarrollo del
microscopio electrónico se han identificado estructuras dentro del citoplasma,
altamente organizadas. Ocupando todo el citoplasma se encuentra el
citoesqueleto que es una red altamente estructurada y compleja de filamentos
proteicos, que mantiene laorganización de la célula, le permite moverse,
posiciona las organelas y dirige el tránsito intracelular. Entre sus
componentes están los microtúbulos, que tienen aspecto de bastones, los
filamentos intermedios, que son estructuras filiformes que se concentran cerca de
la membrana celular y los filamentos de actina o microfilamentos. Los
microtúbulos son tubos huecos, largos, organizados a partir de dímeros de
proteínas globulares, las tubulinas alfa y beta. Los filamentos de actina son
delicadas hebras de proteínas globulares. Cada filamento está constituido por
muchas moléculas de actina unidas en una cadena helicoidal. Los filamentos de
actina también pueden ser integrados y
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desintegrados fácilmente por la célula y desempeñan papeles importantes en la
división y motilidad celular.(Fig.5)
Esquema de un microtúbulo, un filamento de actina y un filamento intermedio.
(Fig.5).
El Citoplasma está situado entre la membrana plasmática y la membrana nuclear.
Constituido por un medio líquido o citosol donde están dispersos los orgánulos
celulares. Está atravesado y subdividido por un complejo sistema de
endomembranas (retículo endoplásmico, complejo de Golgi, vacuolas, lisosomas).
Otras organelas: son las mitocondrias, peroxisomas, plástidos (cloroplastos) y
ribosomas.
Sistema de Endomembranas Las células eucarióticas poseen sistemas membranosos
internos que las dividen en compartimientos u organelas que constituyen el
sistema de endomembranas: vacuolas y vesículas, retículo endoplasmático,
complejo de Golgi y lisosomas. *Retículo Endoplásmico (Fig.6): es una red de
sacos aplanados, tubos y canales conectados entre sí. La cantidad de retículo
endoplásmico de una célula no es fija, sino que aumenta o disminuye de acuerdo
con la actividad celular. En las células eucarióticas muchos ribosomas están
unidos a la superficie del retículo endoplásmico, produciendo el retículo
endoplásmico rugoso (RER); mientras que el retículo endoplásmico que carece de
ribosomas se denomina RELiso y es abundante en células especializadas en la
síntesis lipídica o metabolismo de lípidos. * Complejo de Golgi (Fig.7): es un
centro de procesamiento y compactación de materiales que se mueven a través de
la célula y salen de ella. Cada complejo de Golgi recibe vesículas del retículo
endoplasmático, modifica sus membranas y sus contenidos e incorpora los
productos terminados en vesículas de transporte que los llevan a otras partes
del sistema de endomembranas, a la superficie celular y
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al exterior de la célula. Las diferentes etapas de este procesamiento químico
ocurren en diferentes cisternas del
complejo de Golgi y los materiales son transportados de una cisterna a la
siguiente por medio de las vesículas. Después de completarse el procesamiento
químico, el nuevo material de membrana, compactado dentro de las vesículas, es
enviado a su destino final. Interacción : Retículo Endoplásmico. Complejo de
Golgi. Ribosomas. (Fig.6)
Los ribosomas, el retículo endoplásmico y el complejo de Golgi y sus vesículas
cooperan en la síntesis, procesamiento químico, empaquetamiento ydistribución
de macromoléculas y nuevo material de membrana.
Fig.7: Interpretación gráfica a partir de una fotomicrografía electrónica de un
complejo de Golgi. Nótense las vesículas que se segregan de los bordes de las
cisternas aplanadas.
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* Lisosomas (Fig.8): son vesículas relativamente grande, formada en el complejo
de Golgi, contienen enzimas hidrolíticas y están implicados en las actividades
digestivas intracelulares como
son la degradación de proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos y lípidos.
Fig.8.- Acción de los lisosomas
Peroxisomas (Fig.9): son otro tipo de vesícula relativamente grande presente en
la mayoría de las células eucarióticas; en ellos se realizan reacciones de
oxidación similares a las producidas en las mitocondrias. Sin embargo la
energía producida, se disipa en forma de calor en lugar de almacenarse en forma
de ATP. Contienen enzimas oxidativas que remueven el hidrógeno de pequeñas
moléculas orgánicas y lo unen a átomos de oxígeno formando peróxido de
hidrógeno (H2O2), un compuesto que es extremadamente tóxico para las células
vivas. Otra de las enzimas, la catalasa, escinde inmediatamente el peróxido de
hidrógeno en agua e hidrógeno, evitando cualquier daño a las células. Los
peroxisomas son particularmente abundantes en las células hepáticas, donde
participan en la desintoxicación de algunas sustancias.
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Fig.9.-Peroxisoma
Mitocondrias (Fig.10): son organelas limitadas por membrana y pueden adoptar
diferentes formas; están siempre rodeadas por dos membranas, la másinterna se
pliega hacia adentro formando lo que se conoce como crestas (son superficies de
trabajo para las reacciones mitocondriales); el líquido que contienen se llama
matriz mitocondrial,y está formado por agua, sales inorgánicas y diversos tipos
de proteínas, principalmente enzimas, pueden encontrarse también diferentes
sustancias como aminoácidos, glúcidos y productos del metabolismo de estas
sustancias. Se reproducen por fisión binaria como las bacterias, tienen un pequeño genoma
que codifica para algunas de sus proteínas y poseen además ribosomas similares
a los procarióticos. En la mitocondria tienen lugar un gran número de
reacciones del catabolismo celular y también
la síntesis del
ATP necesario para todas las actividades celulares que consumen energía. El
proceso global de producción de ATP se denomina 'respiración
celular'. La etapa concreta de síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato
inorgánico 'Pi' (fosforilación oxidativa) es realizada por la
ATP-sintetasa, una enzima que está situada en la membrana mitocondrial interna.
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Fig.10- Esquema de una mitocondria
Plástidos; son organelas limitadas por membrana y se encuentran sólo en los
organismos fotosintéticos. Los plástidos maduros son de tres tipos:
leucoplastos, cromoplastos y cloroplastos. Los cloroplastos (Fig.11) (chloro
significa 'verde') son los plástidos que contienen clorofila y en los
cuales se produce energía química a partir de energía lumínica, en el proceso
de fotosíntesis. Las moléculas de clorofila están situadas en las membranas
tilacoidesque forma una serie de compartimientos y superficies de trabajo
dentro de los cloroplastos.
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Fig.11.- Esquema de un cloroplatos
Ribosomas (Fig.12) : son las organelas más numerosas (tanto en procariotas como en eucariotas) y
están constituidos por dos subunidades, cada una de las cuales está formada por
un complejo de RNA ribosomal y proteínas .Los ribosomas son los sitios en los
cuales ocurre el acoplamiento de los aminoácidos que forman las proteínas.
Cuánto más proteína esté fabricando una célula, más ribosomas tendrá.
Fig.12.- Esquema de un ribosoma
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Núcleo
El núcleo (Fig. 13)es un cuerpo grande, frecuentemente esférico, es la
estructura más voluminosa dentro de las células eucarióticas. Está rodeado por
la envoltura nuclear, constituida por dos membranas concéntricas, cada una de
las cuales es una bicapa lipídica a intervalos frecuentes, las membranas se
fusionan creando pequeños poros nucleares, por donde circulan los materiales
entre el núcleo y el citoplasma. Está compuesto por el nucleoplasma o matriz
nuclear que es una dispersión coloidal en estado gel, compuesta por proteínas
que están relacionadas con la síntesis y el empaquetamiento de los ácidos
nucleicos; por material genético (DNA o ácido desoxiribonucleico) que es lineal
y está fuertemente unido a proteínas básicas llamadas histonas, con las cuales
forman estructuras granulares (10nm) denominadas nucleosomas. Cada molécula de
DNA con sus histonas constituye un cromosoma. Otro componente es el nucléolo
que es el sitio enel que se construyen las subunidades que constituyen los
ribosomas. Visto con el microscopio electrónico, el nucléolo aparece como un conjunto de
delicados gránulos y fibras diminutas. Estos gránulos y fibras están
constituidos por filamentos de cromatina, RNA ribosómico que está siendo
sintetizado y partículas de ribosomas inmaduros. La función esencial del núcleo son:
almacenamiento de la información genética, duplicación del ADN y transcripción
del ADN.
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Fig.13.- Esquema de núcleo celular
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Tabla 2-Organización general de la célula eucariota
Principales componentes Pared celular Membrana plasmática Subcomponentes
Función principal protección Permeabilidad, endocitosis y exocitosis
Citoplasma Citosol Enzimas solubles Ribosomas Citoesqueleto Microtúbulos
Microfilamentos Organoides microtubulares Centrosoma y centríolos Cuerpos
basales y cilios Membrana nuclear Sistema de Endomembraneas Retículo
endoplasmático Complejo de Golgi Lisosomas Organoides de membrana Mitocondrias
Cloroplastos Peroxisomas Núcleo cromosomas Nucléolo Glucólisis Síntesis de
Proteica Forma y movilidad de la célula División Celular Motilidad Celular
Permeabilidad nuclear Síntesis y procesamiento Secreción Digestión Síntesis de
ATP Fotosíntesis Protección Genes Síntesis proteica
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Tabla 3-Organización celular en procariotas y eucariotas Células Procariotas
Envoltura nuclear ADN Cromosomas Nucléolos División Celular Ribosomas
Endomembranas Mitocondrias Ausente Desnudo Único Ausentes Amitosis70S* Ausentes
Enzimasrespiratorias y fotosintéticas en la mb.plasmática Ausentes No
celulósica Ausentes
Células Eucariotas
Presente Combinado con proteínas Múltiples Presentes Mitosis o meiosis 80S*
Presentes Presentes
Cloroplastos Pared celular Exocitosis y Endocitosis
Presentes Celulósica en célula vegetal Presentes
Ciclo celular. División Celular. Las células eucarióticas pasan a través de una
secuencia regular de crecimiento y división llamada ciclo celular. El ciclo
celular consiste en tres fases: interfase, mitosis, y citocinesis. Antes de que
una célula eucariótica pueda comenzar la mitosis y dividirse efectivamente,
debe duplicar su DNA , sintetizar histonas asociadas con el DNA de los
cromosomas, producir una reserva adecuada de organelas para las dos células
hijas y ensamblar las estructuras necesarias para que se lleven a cabo la
mitosis y la citocinesis. Estos procesos preparatorios ocurren durante la
interfase, en la cual, a su vez, se distinguen tres etapas: las fases Gl, S y
G2. (Fig. 14). En la fase G1, las moléculas y estructuras citoplasmáticas
aumentan en número, en la fase S, los cromosomas se duplican; y en la fase G2,
comienza la condensación de los
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(Fig. 14) cromosomas y el ensamblado de las estructuras especiales requeridas
para la mitosis y la citocinesis. En los cromosomas, el material genético se
encuentra organizado en secuencias de nucleótidos llamadas genes. Los genes
portan información esencial para el funcionamiento de la célula. En los
organismos unicelulares, por este mecanismoaumenta el número de individuos en
la población. En las plantas y animales multicelulares, la división celular es
el procedimiento por el cual el organismo crece, partiendo de una sola célula,
y los tejidos dañados son reemplazados y reparados. Por medio de la división
celular el DNA de una célula se reparte entre dos nuevas células hijas. La
distribución de duplicados exactos de la información hereditaria es
relativamente simple en las células procarióticas en las que, la mayor parte del material genético
está en forma de una sola molécula larga y circular de DNA, a la que se asocian
ciertas proteínas específicas. Esta molécula constituye el cromosoma de la
célula y se duplica antes de la división celular. Cada uno de los dos
cromosomas hijos se ancla a la membrana celular en polos opuestos de la célula.
Cuando la célula se alarga, los cromosomas se separan. Cuando la célula alcanza
aproximadamente el doble de su tamaño original y los cromosomas están
separados, la membrana celular se invagina y se forma una nueva pared, que
separa a las dos células nuevas y a sus duplicados cromosómicos. En las células
eucarióticas, el problema de dividir exactamente el material genético es mucho
más complejo que en las procarióticas.
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Mitosis La mitosis cumple la función de distribuir los cromosomas duplicados de
modo tal que cada nueva célula obtenga una dotación completa de cromosomas. La
mitosis comprende una serie de fases consecutivas: a) Interfase. La cromatina
ya está duplicada pero todavía no se ha condensado. Dos pares decentríolos se
encuentran justo al lado de la envoltura nuclear. b) Profase. Los centríolos
empiezan a moverse en dirección a los polos opuestos de la célula, los
cromosomas condensados son ya visibles, la envoltura nuclear se rompe y
comienza la formación del
huso mitótico. c) Metafase temprana. Las fibras polares y cinetocóricas del huso tiran de cada
par de cromátides hacia un lado y otro. d) Metafase tardía. Los pares de
cromátides se alinean en el ecuador
de la célula. e) Anafase. Las cromátides se separan. Las dos dotaciones de
cromosomas recién formados son empujadas hacia polos opuestos de la célula. f)
Telofase. La envoltura nuclear se forma alrededor de cada dotación cromosómica
y los cromosomas se descondensan y adquieren, nuevamente, un aspecto difuso.
Los nucléolos reaparecen. El huso mitótico se desorganiza y la membrana
plasmática se invagina en un proceso que hace separar las dos células hijas. La
citocinesis es la división del
citoplasma, se produce por la contracción de un anillo compuesto por filamentos
de actina y miosina (el anillo contráctil que se encuentra unido a la cara
citoplasmática de la membrana celular). Éste actúa en la membrana de la célula
materna, a la altura de su línea media, estrangulándola hasta que se separan
las dos células hijas. Meiosis Consiste en dos divisiones nucleares sucesivas,
designadas meiosis I y meiosis II. La meiosis es un tipo especial de división
nuclear en el que se redistribuyen los cromosomas y se producen células que
tienen un número haploide de cromosomas (n). La fecundación restablece el
número diploide(2n) (Fig.15) Cada una de las células haploides producidas por
meiosis contiene un complejo único de cromosomas, debido al entrecruzamiento y
a la segregación al azar de los cromosomas. De esta manera, la meiosis es una
fuente de variabilidad en la descendencia. Cada organismo tiene un número de
cromosomas característico de su especie. Sin embargo, en estos los organismos y
en la mayoría de las otras plantas y animales conocidos, las células sexuales,
o gametos, tienen exactamente la mitad del
número de cromosomas que las células somáticas del organismo. El número de cromosomas de
los gametos se conoce como número haploide, y en
las células somáticas, como
número diploide. Las células que tienen más de dos dotaciones cromosómicas se
denominan poliploides. (Fig.16)
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Existen importantes diferencias entre los procesos de mitosis y meiosis.
Durante la meiosis, cada núcleo diploide se divide dos veces, produciendo un
total de cuatro núcleos. Sin embargo, los cromosomas se duplican sólo una vez,
antes de la primera división nuclear. Por lo tanto, cada uno de los cuatro
núcleos producidos contiene la mitad del
número de cromosomas presentes en el núcleo original. (Fig.15) A diferencia de
lo que ocurre en la meiosis, en la mitosis, luego de la duplicación de los
cromosomas, cada núcleo de divide sólo una vez. En consecuencia, el número de
cromosomas se mantiene invariable. Durante la interfase que precede a la
meiosis, los cromosomas se duplican. En la profase I de la meiosis, los
cromosomas homólogos se aparean. Un homólogo de cadapar proviene de un
progenitor, y el otro homólogo, del
otro progenitor. Cada homólogo consta de dos cromátides hermanas idénticas, que
se mantienen unidas por el centrómero. Mientras los homólogos están apareados,
ocurre entre ellos el entrecruzamiento, dando como resultado el intercambio de material
cromosómico. (Fig.16) Al finalizar la meiosis I, los cromosomas homólogos se
separan. Se producen dos núcleos, cada uno con un número haploide de
cromosomas. Cada cromosoma, a su vez, está formado por dos cromátides. En la
segunda etapa de la meiosis, la meiosis II, las cromátides hermanas de cada
cromosoma se separan, como si fuese una mitosis Cuando los dos núcleos se
dividen, se forman cuatro células haploides.
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Componentes químicos de la célula Los componentes químicos de la célula se
clasifican en orgánicos e inorgánicos. La biología de la célula es inseparable
de la de las moléculas, porque de la misma manera que la células son los
bloques con que se edifican los tejidos y los organismos, las moléculas son los
bloques con que se construyen las células. Al principio el estudio de la
composición química de la célula se hizo por análisis bioquímico de órganos y
tejidos enteros, como
hígado, cerebro, piel o meristema vegetal. En los últimos años el desarrollo de
método de fraccionamiento celular permitió aislar diferentes elementos
subcelulares y recoger una información más importante y precisa sobre la estructura
de la célula. Agua y Minerales Los componentes químicos inorgánicos son el agua
y los minerales, del
total de loscomponentes de las células un 75% a 85% es agua, entre el 2-3% son
sales inorgánicas. El contenido de agua en un organismo está en relación con la
edad y con la actividad metabólica, es mayor en el embrión y disminuye con los
años. El agua sirve como solvente natural de
iones minerales y como
medio de dispersión para la estructura coloidal de los componentes celulares.
El contenido del
agua de la célula está dado por la suma de una fracción libre y otra ligada. El
agua libre representa el 95% del agua total y es la parte usada principalmente
como solvente para los solutos y como medio dispersante del sistema coloidal
que se da en la célula. El agua ligada representa solo 5%, y es la que está
unida laxamente a las proteínas por uniones de hidrógeno y otras fuerzas.
Además, el agua interviene en la eliminación de sustancias de la célula y en la
absorción de calor lo que evita cambios drásticos de temperatura en la célula.
Otra importante propiedad del agua es la
ionización en un anión hidroxilo (OH-)
y un ion hidrógeno o protón (H+). Las sales disociadas en aniones (por ejemplo,
Cl-) y cationes (Na+ y K+) son importantes para mantener la presión osmótica y
el equilibrio ácido-base de la célula. Algunos iones inorgánicos como el Mg2+ son indispensables como cofactores enzimáticos. Otros, como el fosfato inorgánico, forman parte del compuesto adenosina trifosfato (ATP),
que es la principal fuente de energía para los procesos vitales de la célula.
Además integra otras moléculas, como
fosfolípidos, fosfoproteínas y azúcares fosforilados. Otros iones que existen
enlas células son el sulfato, el carbonato, el bicarbonato, etc. Ciertos
minerales se encuentran en forma no ionizada. Así ocurre con el hierro, que en
la hemoglobina, la ferritina, los citocromos y en algunas enzimas se halla
ligado por uniones carbono-metal.
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Ácidos Nucleicos Los Ácidos Nucleicos son macromoléculas de suma importancia
biológica. Todos los organismos vivos contienen ácidos nucleicos en forma de
ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). El ADN constituye
el depósito fundamental de la información genética. Esta información es copiada
o transcripta en las moléculas de ARN, cuyas secuencias de nucleótidos contiene
el código para las secuencias específicas de aminoácidos. Entonces se produce
la síntesis de proteínas, en un proceso llamado traducción del ARN. Esta serie
de fenómenos ha recibido el nombre de dogma central de la biología molecular,
que puede resumirse de la siguiente manera:
ADN-------------transcripción-----------ARN-----------traducción-----------PROTEÍNA
En las células superiores el ADN se halla principalmente en el núcleo integrando
los cromosomas. Una pequeña cantidad se encuentra en el citoplasma, dentro de
las mitocondrias y los cloroplastos. El ARN se localiza tanto en el núcleo,
donde se forma, como
en el citoplasma, donde tiene lugar la síntesis proteica. Los ácidos nucleicos
están formados por un azúcar (pentosa), una base nitrogenada (purina o
pirimidina) y ácido fosfórico. La hidrólisis del ADN o del ARN genera: Pentosa
Bases--------Purinas Bases--------PirimidinasÁcido fosfórico ADN desoxirribosa
adenina-guanina timina-citosina PO4H3 ARN Ribosa adenina-guanina
uracilo-citosina PO4H3
Watson y Crick propusieron un modelo doble hélice, para la estructura del ADN
que contempla las propiedades químicas y biológicas especialmente la capacidad
de duplicación de la molécula. La molécula de ADN está formada por dos cadenas
de ácidos nucleicos helicoidales con giro a la derecha, que componen una doble
hélice alrededor de un mismo eje central. Las dos cadenas son antiparalelas, lo
cual significa que sus uniones 3’,5’-fosfodiester siguen direcciones opuestas,
las bases están situadas en el interior de la hélice en un plano perpendicular al eje helicoidal. Ambas
cadenas se hallan unidas entre sí por medio de puentes de hidrógeno
establecidos entre las bases. Las secuencias de bases deben ser
complementarias, debido a esta propiedad, al separarse una cadena de la otra
durante la duplicación del ADN, cada una sirve de molde para la síntesis de una
nueva cadena complementaria. De este modo se generan dos moléculas hijas de ADN
de doble cadena que tiene la misma constitución molecular que la doble cadena
progenitora. La estructura primaria del ARN es similar a la del ADN, excepto
por la presencia de ribosa en lugar de desoxirribosa y de uracilo en lugar de
timina.
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La molécula de ARN está formada por una sola cadena. Existen tres clases
principales de ARN: 1) ARN mensajero (ARNm); ARNribosómico (ARNr) y el ARN de
transferencia (ARNt). Los tres intervienen en la síntesis de proteica. El ARNm
lleva lainformación genética tomada del ADN que establece la secuencia de los
aminoácidos en la proteína. El ARNr representa el 50% de la masa del ribosoma
(el otro 50% son proteínas), que es el organoide que proporciona el sostén
molecular para las reacciones químicas que dan lugar a la síntesis de proteica.
El ARNt identifica y transporta a los aminoácidos hasta el ribosoma. Las
moléculas de ARN tienen extensas regiones con bases complementarias esto le
permite plegarse sobre sí mismas para formar unas estructuras llamadas asas en
horquilla.
Hidratos de Carbono Los hidratos de carbono constituyen la principal fuente de
energía para la célula, están compuestos por carbono,hidrógeno y oxígeno, son
constituyentes de la pared celular y de las sustancias intercelulares. Se
clasifican de acuerdo con el número de monómeros que contienen, en
monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. Los monosacáridos
son azúcares simples con una fórmula general Cn (H2O)n , se clasifican sobre la
base del
número de átomos de carbono que contienen, en triosas, pentosas y hexosas. La
glucosa que es una hexosa, constituye la fuente primaria de energía para la
célula. Los disacáridos son azúcares formados por la combinación de dos
monómeros de hexosa. Los oligosacáridos se hallan unidos a lípidos y proteínas,
de modo que en el organismo forman parte de glicolípidos y glicoproteínas,
estos forman cadenas ramificadas de compuestas por distintos monosacáridos como: galactosa, glucosa,
manosa, etc. Dentro de los polisacáridos, que resultan de la combinación de
hexosas, los másimportantes son el almidón y el glucógeno, que representan
sustancias de reserva alimenticia en células vegetales y animales.
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Lípidos Los lípidos son un grupo de moléculas caracterizadas por ser insolubles
en agua y solubles en los solventes orgánicos. Tales propiedades se deben a que
poseen largas cadenas hidrocarbonadas alifáticas o anillos bencénicos, que son
estructuras hidrofóbicas. Los lípidos más comunes son los triglicéridos, los
fosfolípidos, los glicolípidos y los esteroides. Los triglicéridos son
triésteres de ácidos grasos con glicerol. Los triglicéridos sirven como reserva de energía
para el organismo. Las cadenas hidrocarbonadas liberan gran cantidad de energía
cuando son oxidadas. Sus ácidos grasos están constituidos por una cadena
hidrocarbonada, cuya fórmula general es: COOH | (CH2)n | CH3 En las células
existen dos clases de fosfolípidos, los fosfatadilglicerol y los
esfingolípidos, los primeros tienen dos ácidos grasos unidos a una molécula de
glicerol ejemplo de estos son la fofatidilcolina, fosftidiletanolamina,
fosfatidilinositol y fosfatidilserina. Los segundos esfingofosfolipidos
contienen un aminoalcohol llamado D-4 esfingenina en reemplazo del glicerol El
esfingolípido que nos interesa es la esfingomielina. Los fosfolípidos son los
componentes de las membranas celulares, exhiben dos largas colas hidrofobicas
no polares y una cabeza hidrofílica polar por lo tanto son moléculas
anfipáticas, cuando se dispersan en agua adoptan espontáneamente una
organización en bicapa idéntica a la de las membranascelulares, con cabezas
polares hacia fuera y sus colas no polares enfrentadas entre sí. Proteínas Las
proteínas son cadenas de aminoácidos. Un aminoácido es un ácido orgánico en el
cual el carbono unido al grupo carboxilo (-COOH), llamado carbono I¬, está
unido también a un grupo amino (-NH2) .Además el carbono se halla ligado a una
cadena lateral (R), que es diferente en cada tipo de aminoácido. R | H2 N—C
—COOH | H Existen cuatro niveles de organización estructural en las proteínas,
estructura primaria que comprende la secuencia de los aminoácidos que forman la
cadena proteica; estructura secundaria que es una configuración espacial de los
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aminoácidos y tienen una estructura con forma de cilindro o en hélice I¬;
estructura terciaria que está determinada por la aparición de plegamientos
entre las regiones hélice I¬ y hoja plegada β de la cadena polipeptídica;
estructura cuaternaria que es la combinación de todas las anteriores, un
ejemplo es la molécula de hemoglobina. Los cuatro niveles de organización de
las proteínas dependen de los diferentes tipos de uniones químicas entre sus
átomos. Así, se producen uniones covalentes, como uniones peptídicas que unen a los aminoácidos
en la secuencia primaria y los puentes –S-S- y uniones no covalentes entre las
que se encuentran: uniones iónicas o electrostáticas, puente de hidrógeno,
interacciones hidrofóbicas y de van der Waals. Enzimas Las enzimas catalizan
reacciones químicas, son catalizadores biológicos. Un catalizador es una
sustancia que acelera las reacciones químicas sinmodificarse, lo que significa
que puede ser utilizado otra vez. Las enzimas (E) son proteínas que tienen uno
o más sitios activos, a los cuales se une el sustrato (S),es decir , la
sustancia sobre la que actúa la enzima. El sustrato es modificado químicamente
y convertido en uno o más productos en forma reversible. Una característica muy
importante de la actividad enzimática es su especificidad sobre el sustrato.
Algunas enzimas requieren de cofactores para poder actúa, éste puede ser un
metal o grupo prostético, otras enzimas necesitan moléculas denominadas
coenzimas. En la unión del
sustrato al sitio de la enzima participan fuerzas químicas de naturaleza
covalente (uniones iónicas, puentes de hidrogeno, uniones de van der Waals). En
términos moleculares se consideran dos etapas en el funcionamiento de una
enzima: la formación del
complejo específico, y la etapa catalítica propiamente dicha, en la cual se
producen las diferentes reacciones catalíticas.
Generalidades de los diversos tipos de microscopios
Por ser de un tamaño muy pequeño, las células y las estructuras subcelulares
necesitan de microscopios para poder ser observadas por el ojo humano, de limitado
poder de resolución. Los tres tipos principales son el microscopio óptico, el
microscopio electrónico de transmisión y el microscopio electrónico de barrido.
Se han desarrollado además otras técnicas microscópicas, como son los sistemas ópticos especiales de
contraste de fase, de interferencia diferencial y de campo oscuro que hacen
posible estudiar células vivas. Un avance tecnológico importante fue eluso de
computadoras y cámaras de video integradas a los microscopios. sCuáles son las
ventajas y desventajas de estudiar células con el microscopio electrónico de
transmisión y con el microscopio electrónico de barrido? sY cuáles las que
presentan microscopios ópticos especiales como
el de contraste de fase, el de interferencia diferencial y el de campo oscuro?
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El microscopio electrónico de transmisión tiene la mejor resolución (0,2
nanómetros) y provee una clara imagen del
detalle ultraestructural. Las desventajas incluyen la necesidad de teñir,
fijar, cortar, deshidratar y, por lo tanto, matar al espécimen. El microscopio
electrónico de barrido (poder de resolución=10 nanómetros) provee una imagen
vívida de la estructura tridimensional de las células y de las estructuras
celulares. Sin embargo, la preparación de los especímenes es muy trabajosa, y
consiste en el sombreado y secado por congelamiento de los especimenes. Este
proceso no solamente resulta en la muerte del especimen en estudio, sino que también
genera dudas acerca de cuán real es la imagen observada. Los microscopios de
contraste de fases, de interferencia diferencial y el de campo oscuro permiten
estudiar organismos vivos. A pesar de que estos microscopios tienen un limitado
poder de resolución y, por ende, no son muy claros en cuanto al detalle de lo
que se observa, permiten a veces observar cosas que no son visibles con los
otros microscopios.
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AUTOEVALUACIÓN Cuestionario:
1. Distinga entre los siguientes términos: membranacelular/pared celular;
núcleo/nucléolo; retículo endoplasmático liso/retículo endoplasmático rugoso;
lisosomas/peroxisomas; cloroplastos/mitocondrias. 2. Describa la estructura de
la membrana celular. sCuál es la importancia funcional ? 3. a) Dibuje una
célula animal. Incluya las principales organelas y póngales nombre. b) Prepare
un dibujo similar con nombres de una célula vegetal. c) sCuáles son las
principales diferencias entre la célula animal y la vegetal? 4. sCuáles son las
funciones del
citoesqueleto? Describa las similitudes y diferencias entre microtúbulos, filamentos
de actina y filamentos intermedios. 5. Explique las funciones de cada una de
las siguientes estructuras: ribosomas, retículo endoplasmático, vesículas y
complejos de Golgi. sCómo es su interacción en la síntesis y envío del nuevo material de
membrana y en la exportación de proteínas por la célula? 6. En nuestros cuerpos
y en los de la mayoría de los animales ocurren mitosis y meiosis. sCuáles son
los productos finales de estos dos procesos? sEn qué parte de nuestro cuerpo
ocurren los mismos?
Bibliografía
Biología.H.Curtis y N.S.Barnes. Directoras de la 6s edición del libro en español Adrina Schnek y
Graciela Flores. Biología Celular y Molecular de De Robertis. De
Robertis(h.)-HIB-PONZIO,6s edición.
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Facultad de Agronomía y Veterinaria
MEDICINA VETERINARIA MÓDULO DE BIOLOGÍA
Ingreso 2010
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