La Célula: Introducción

La célula es la unidad mínima de un organismo capaz de actuar de manera autónoma. Todos los organismos vivos están formados por células, y en general se acepta que ningún organismo es un ser vivo si no consta al menos de una célula. Algunos organismos microscópicos, como bacterias y protozoos, son células únicas, mientras que los animales y plantas están formados por muchos millones de células organizadas en tejidos y órganos. Aunque los virus y los extractos acelulares realizan muchas de las funciones propias de la célula viva, carecen de vida independiente, capacidad de crecimiento y reproducción propias de las células y, por tanto, no se consideran seres vivos.

La Célula y Sus Estructuras.
Las células están constituidas por una membrana que les confiere una identidad propia, diferente a la del medio externo, mientras que en el interior hay un sistema director del funcionamiento celular y un sistema metabólico que lleva a cabo el funcionamiento celular ordenado por el director.
Según su grado de complejidad y organización, las células pueden clasificarse en Eucariotas y Procariotas. Las procariotas son pequeñas y con menor complejidad organizativa. Estas no tienen envoltura nuclear por lo que su ADN es una única molécula en forma de anillo y empaquetada por proteínas no histonas. Son los organismos pertenecientes al Dominio Eubacterya: bacterias y cianofíceas. Está en discusión si los organismos pertenecientes al Dominio Archaea (extremófilos o arqueobacterias) son verdaderos procariontes.Por otra parte los individuos que pertenecen al Dominio Eukarya son Eucariotas. En estos organismos, las células son más grandes y complejas con un núcleo delimitado por una envoltura membranosa en cuyo interior está el ADN que es muy abundante y aparece en moléculas dobles enrolladas en forma de hélice empaquetadas por proteínas histonas.

Forma y Tamaño De Las Células
Las células presentan gran diversidad de formas. Podemos observar células con formas más o menos esféricas (cocos), o bien más alargadas (bacilos), más o menos espirales (espirilos, espiroquetas...) o poliédricas (muchas células vegetales). Pero también podemos encontrar formas especiales como la de las neuronas (estrelladas) o los espermatozoides. Incluso podemos encontrar células casi cuadradas.
La función que realice la célula determina la forma de la misma: las células contráctiles que suelen ser alargadas para acompañar el movimiento, las del tejido nervioso irregulares y con prolongaciones que permiten la transmisión del impulso nervioso, las del intestino suelen tener pliegues en una de sus caras (microvellosidades) que amplían la superficie de contacto y de intercambio de sustancias, y, finalmente, las epiteliales que suelen ser planas, cúbicas o prismáticas, aumentando la superficie cubierta.

La Célula Procariota:

Presentes en el Dominio Eubacterya, representado principalmente por las Bacterias. Hay cuatro tipos morfológicos: bacilo, espirilo, vibrión y coco. Algunas forman agrupaciones de individuos ya que tras la división, la cápsula bacteriana mantiene unida a las hijas. Los bacilos suelen presentar cadenas lineales de individuos (se dividen en una dirección), y los cocos se pueden agrupan según las direcciones de división en: estreptococos, estafilococos y sarcinas.
Suelen presentar las siguientes estructuras:

*Cápsula bacteriana: Es una capa gelatinosa de un grosor que aparece en casi todos los grupos bacterianos patógenos. Es una cubierta rica en glúcidos de gran tamaño y con moléculas proteicas. Sus funciones son regular los procesos de intercambio de agua, iones y sustancias nutritivas, y la defensa frente a anticuerpos, bacteriófagos y fagocitos.

*Pared bacteriana: Es una envoltura rígida y fuerte que da forma a las bacterias, y que puede ser Gram positivo o Gram Negativa. Su función es mantener la forma de la bacteria frente a las variaciones de la presión osmótica, actuando como semipermeable y regulando el paso de iones.

*Membrana plasmática: Es una envoltura que rodea al citoplasma bacteriano, en la que varían algunas cosas respecto a las eucariotas, por ejemplo la composición química.
Sus funciones son iguales a las de las células eucariota, o sea formar un límite natural dinámico regulando el paso de las sustancias nutritivas.
Existen en estas membranas repliegues llamados mesosomas. Los mesosomas sujetan al cromosoma bacteriano y tienen muchas enzimas que dirigen la duplicación del ADN, realizan la respiración, la fotosíntesis en bacterias fotosintéticas, y asimilan N2, NO3-, y NO2-.
*Ribosomas: Son partículas globulares que aparecen libres en el citoplasma, y que están constituidos por dos subunidades que estan unidas: una menor y otra mayor. Su función es actuar en la síntesis de proteínas como en las células eucariotas.
*Inclusiones: Son gránulos de reserva de diversos tipos de sustancias que la bacteria sintetiza en épocas de abundancia de alimentos o bien son residuos de su metabolismo. Están dispersos por el citoplasma.
*ADN bacteriano: Es una molécula circular de cadena simple, que se presenta en forma de cromosoma único.
*Flagelos: Son prolongaciones que aparecen en número variable. Interviene en la locomoción de las bacterias.
*Pelos, pili o fimbria: Son estructuras huecas y tubulares constituidas por moléculas proteicas, y que son muy numerosas que aparecen ancladas en la pared bacteriana de muchas bacterias Gram negativas. Tienen funciones de fijación a un sustrato, de intercambio de moléculas con el exterior y de intercambio de información genética con otra bacteria.
La Célula Eucariota:
A las células eucariotas se las suele dividir en Células Vegetales, que están adaptadas a la nutrición autótrofa fotosintética y tienen cloroplastos, pared celular celulósica y sin centrosoma, y en Células Animales, que están adaptadas a la nutrición heterótrofa y presentan centrosoma pero carecen de cloroplastos y pared celular.
Sin embargo es bueno recordar que también existen Células Fúngicas (pertencen al Reino Fungi u Hongos) y Células Protoctistas o Protistas (Reino Protista), que tienen sus características propias diferentes a las de plantas y animales.

La Membrana Plasmática
Es una delgada lámina que envuelve a la célula y la separa del medio externo, aunque permite el intercambio de materia y energía, así como los movimientos y deformaciones de la célula, ya que no es rígida.
Está constituida por una doble capa de lípidos a las que se adosan proteínas y glúcidos que pueden situarse en ambas caras de la superficie o incrustadas en ella.
La bicapa lipídica esta constituida por fosfolípidos que se orientan de forma que sus radicales polares (hidrofílicos) van al exterior y los hidrofóbicos al interior.
La membrana actúa como una estructura dinámica en la que las moléculas se desplazan, lo que le permite autorrepararse e incluso perder un sector de la membrana para formar una vesícula esférica.
Su función es mantener estable el medio intracelular mediante la regulación del paso de agua, moléculas y elementos, y son las proteínas de la membrana las que realizan casi todas las actividades: regular el paso de sustancias (ya sea pasiva sin gasto de energía o activa con consumo de energía) y actuar como receptores de señales del medio externo. La membrana puede tener prolongaciones o deformaciones como cilios, pseudópodos, etc.
Tanto la membrana plasmática, que envuelve totalmente a la célula, como aquellas que delimitan compartimientos interiores, tienen una estructura y una composición química similar. Es más, en muchos casos la continuidad que existe entre ellas las hace ser consideradas como una sola unidad funcional.
La membrana plasmática es una delgada lámina de 75 Å, que envuelve completamente a la célula y la separa del medio externo.

Los componentes químicos de la Membrana Plasmática.

Funciones de las proteínas de membrana

Muchas proteínas integrales proporcionan canales (o poros) estructurales a través de los cuales las sustancias hidrosolubles, especialmente los iones, pueden difundir entre los medios interno y externo de la célula. Otras proteínas integrales actúan como transportadores para llevar sustancias a través de la membrana. Una tercera clase de proteínas actúa como enzimas

Componentes químicos de la membrana:

La membrana plasmática está formada por tres clases de componentes: lípidos,proteínas y glúcidos.

Los lípidos de la membrana son, fundamentalmente de tres tipos diferentes: fosfolípidos, esfingolípidos y colesterol. En las moléculas de estos lípidos se distinguen dos partes (parte hidrofílica y parte hidrofóbica) que le otorgan polaridad a cada molécula y hace que las moléculas se dispongan formando una doble capa lipídica.

La membrana plasmática no es una estructura estática, sus componentes tienen posibilidades de movimiento, lo que le proporciona una cierta fluidez.

La fluidez es una de las características más importantes de las membranas.

Depende de factores como:

a) La temperatura, la fluidez aumenta al aumentar la temperatura.

b) La naturaleza de los lípidos, la presencia de lípidos insaturados y de cadena corta favorecen el aumento de fluidez; la presencia de colesterol endurece las membranas, reduciendo su fluidez y permeabilidad

Las proteínas son diversas y realizan las funciones específicas de la membrana. En ocasiones pueden unirse a moléculas de lípidos o a oligosacáridos.

Los glúcidos son del tipo oligosacáridos o polisacáridos; se encuentran sobre la superficie y pueden hallarse unidos a moléculas de lípidos o a proteínas (glucolípidos y glucoproteínas).

Los lípidos proporcionan una matriz estructural a la membrana. Las proteínas, en cambio, realizan funciones específicas: transporte de sustancias, funciones enzimáticas, recepción de mensajeros químicos y otras.

Transporte celular. La Obtención De Materia

Incorporar sustancias a la célula o eliminarlas implica un pasaje a través de la membrana plasmática. Algunas sustancias como el agua sencillamente la atraviesan siguiendo el gradiente de concentración, es decir, pasan de lugares de mayor concentración a otros de menor concentración sin que la célula tenga que realizar un gasto de energía. Este proceso se denomina transporte pasivo. Otras sustancias deben moverse en contra del gradiente de concentración, es decir, desde donde están menos concentradas hasta donde están más concentradas. Este pasaje se denomina transporte activo y se produce con un gasto de energía por parte de la célula.

Transporte pasivo

Cada vez que dos o más sustancias se mezclan disolviéndose una en otra, como ocurre cuando se agrega azúcar a una taza con agua, estamos en presencia de una solución. En este caso, la solución está formada por dos componentes: la sustancia disuelta, el azúcar, que es el soluto, y la que disuelve, el agua, que es el solvente. Las moléculas de azúcar se desplazan desde el lugar donde están más concentradas hacia donde están menos concentradas hasta que su distribución se hace uniforme. Este fenómeno se denomina difusión y consiste en el movimiento aleatorio (al azar) de moléculas o partículas desde una región de mayor concentración a otra de menor concentración, hasta alcanzar una distribución pareja. La presencia de una barrera o de una membrana semipermeable puede impedir el pasaje de soluto y permitir sólo el pasaje de agua, proceso al que llamamos ósmosis. Consideramos el proceso de ósmosis como un tipo de difusión en el que se produce el pasaje de agua a través de una membrana semipermeable.

El transporte pasivo puede ser de dos tipos: difusión simple o difusión facilitada.

* Difusión simple: el pasaje se realiza desde una zona de mayor concentración a otra de menor concentración, tal como se explicó al hablar del fenómeno de difusión en general. La difusión simple se realiza sin la intervención de proteínas transportadoras y sin gasto de energía por parte de la célula. Algunas de las sustancias que entran y salen de las células por difusión simple son el oxígeno y el dióxido de carbono.

* Difusión facilitada: algunas moléculas de azúcares, aminoácidos o iones no pueden atravesar la membrana plasmática, aunque sea a favor del gradiente de concentración; para poder pasar necesitan la ayuda de proteínas especiales que se encuentran en la membrana. Las proteínas que intervienen en la difusión facilitada pueden ser de dos tipos:

1. Proteínas de canal: funcionan como una especie de compuerta que se abre y se cierra dejando pasar, principalmente, los iones.

2. Proteínas transportadoras: se unen a las moléculas o iones que deben atravesar la membrana, luego cambian de forma para permitir el pasaje.

Transporte activo

El pasaje de moléculas o iones a través de la membrana en contra del gradiente de concentración se denomina transporte activo; para que se lleve a cabo, requiere un aporte de energía. En el transporte activo intervienen proteínas transportadoras.

Se produce cuando el transporte se realiza en contra del gradiente electroquímico. Son ejemplos de transporte activo la bomba de Na/K, y la bomba de Ca.

La bomba de Na+/K+ Requiere una proteína transmembranosa que bombea Na+ hacia el exterior de la membrana y K+ hacia el interior. Esta proteína actúa contra el gradiente gracias a su actividad como ATP-asa, ya que rompe el ATP para obtener la energía necesaria para el transporte.

Para el transporte de este tipo de moléculas existen tres mecanismos principales: endocitosis, exocitosis y transcitosis. En cualquiera de ellos es fundamental el papel que desempeñan las llamadas vesículas revestidas. Estas vesículas se encuentran rodeadas de filamentos proteicos de clatrina.

* Endocitosis: Es el proceso por el que la célula capta partículas del medio externo mediante una invaginación de la membrana en la que se engloba la partícula a ingerir. Se produce la estrangulación de la invaginación originándose una vesícula que encierra el material ingerido. Según la naturaleza de las partículas englobadas, se distinguen diversos tipos de endocitosis.

a) Pinocitosis. Implica la ingestión de líquidos y partículas en disolución por pequeñas vesículas revestidas de clatrina.

b) Fagocitosis. Se forman grandes vesículas revestidas o fagosomas que ingieren microorganismos y restos celulares.

c) Endocitosis mediada por un receptor. Es un mecanismo por el que sólo entra la sustancia para la cual existe el correspondiente receptor en la membrana.

* Exocitosis. Es el mecanismo por el cual las macromoléculas contenidas en vesículas citoplasmáticas son transportadas desde el interior celular hasta la membrana plasmática, para ser vertidas al medio extracelular. Esto requiere que la membrana de la vesícula y la membrana plasmática se fusionen para que pueda ser vertido el contenido de la vesícula al medio. Mediante este mecanismo, las células son capaces de eliminar sustancias sintetizadas por la célula, o bien sustancias de desecho. En toda célula existe un equilibrio entre la exocitosis y la endocitosis, para mantener la membrana plasmática y que quede asegurado el mantenimiento del volumen celular.

* Transcitosis. Es el conjunto de fenómenos que permiten a una sustancia atravesar todo el citoplasma celular desde un polo al otro de la célula. Implica el doble proceso endocitosis - exocitosis. Es propio de células endoteliales que constituyen los capilares sanguíneos, transportándose así las sustancias desde el medio sanguíneo hasta los tejidos que rodean los capilares.

El citoplasma

Es un medio acuoso, de apariencia viscosa, en donde están disueltas muchas sustancias alimenticias. En este medio encontramos pequeñas estructuras que se comportan como órganos de la célula, y que se llaman organelos. Algunos de éstos son:

* Los ribosomas, que realizan la síntesis de sustancias llamadas proteínas.

* Las mitocondrias, consideradas como las centrales energéticas de la célula. Emplean el oxígeno, por lo que se dice que realizan la respiración celular.

* Los lisosomas, que realizan la digestión de las sustancias ingeridas por la célula.

* Las vacuolas, que son bolsas usadas por la célula para almacenar agua y otras sustancias que toma del medio o que produce ella misma.

* Los cloroplastos, que son típicos de las células vegetales y que llevan a cabo el proceso de la fotosíntesis.

Toda la porción citoplasmática que carece de estructura y constituye la parte líquida del citoplasma, recibe el nombre de citosol por su aspecto fluido. En él se encuentran las moléculas necesarias para el mantenimiento celular.

El citoesqueleto, consiste en una serie de fibras que da forma a la célula, y conecta distintas partes celulares, como si se tratara de vías de comunicación celular. Es una estructura en continuo cambio. Formado por varios tipos de componentes:

* Microtúbulos

Son filamentos largos, formados por la proteína tubulina. Son los componentes más importantes del citoesqueleto y pueden formar asociaciones estables.

* Centríolos

Son dos pequeños cilindros localizados en el interior del centrosoma, exclusivos de células animales. Con el microscopio electrónico se observa que la parte externa de los centríolos está formada por nueve tripletes de microtúbulos. Los centríolos se cruzan formando un ángulo de 90º.

* Retículo endoplasmático:Está formado por una red de membranas que forman cisternas, sáculos y tubos aplanados. Delimita un espacio interno llamado lúmen del retículo y se halla en continuidad estructural con la membrana externa de la envoltura nuclear. Se pueden distinguir dos tipos de retículo:

a) El Retículo endoplasmático rugoso (R.E.R.), presenta ribosomas unidos a su membrana. En él se realiza la síntesis proteica. Las proteínas sintetizadas por los ribosomas, pasan al lúmen del retículo y aquí maduran hasta ser exportadas a su destino definitivo.

b) El Retículo endoplasmático liso (R.E.L.), carece de ribosomas y está formado por túbulos ramificados y pequeñas vesículas esféricas. En este retículo se realiza la síntesis de lípidos. En el retículo de las células del hígado tiene lugar la detoxificación, que consiste en modificar a una droga o metabolito insoluble en agua, en soluble en agua, para así eliminar dichas sustancias por la orina.

El Núcleo Celular.

Característico de las células eucariotas, contiene el material genético y ejerce el control celular. En él tienen lugar procesos tan importantes como la autoduplicación del ADN o replicación, antes de comenzar la división celular, y la trascripción o producción de los distintos tipos de ARN, que servirán para la síntesis de proteínas.

El núcleo presenta diversas estructuras que lo forman:

*La Envoltura Nuclear: Es una doble membrana que separa el citoplasma del nucleoplasma y que está en comunicación con el Retículo Endoplásmico Rugoso (REG). La envoltura nuclear presenta poros distribuidos regularmente que no son simples aberturas sino que están ocupadas por una estructura compleja llamada complejo del poro.

La cantidad de poros es mayor en los núcleos fisiológicamente más activos: a través de ellos pasan moléculas de ARN, proteínas y enzimas, es decir que los poros son translocadores de moléculas.

La función de la envoltura nuclear es separar el medio nuclear del citoplasma y regular el intercambio de sustancias a través de la membrana interna y los poros.

* Nucleoplasma, jugo nuclear, cariolinfa o carioplasma: Es el medio interno del núcleo compuesto por proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, glúcidos, sales minerales e iones, siendo su función la síntesis de ácidos nucleicos.

Las proteínas estructurales no manifiestan ninguna actividad enzimática y se caracterizan por su estabilidad y por formar estructuras moleculares filamentosas

*Nucleolo: Es un orgánulo esférico sin membrana, pudiendo haber uno o dos en cada núcleo. Está constituido por proteínas, cadenas de ARN y bucles de ADN con genes que dirigen la síntesis del ARNr. Su función principal es la síntesis del ARN ribosómico.

* Cromatina: Está constituida por filamentos de ADN unidos a proteínas que en la fase de reposo aparecen formando condensaciones en forma de ovillo, mientras que en la reproducción celular da lugar a cromosomas. En la fase de reposo su función es la expresión de su información genética dando lugar a ARNm. Otra función es conservar y transmitir la información genética del ADN para lo que se forman dos cromátidas iguales que se organizan en cromosomas.

* Cromosomas: Son estructuras con forma de bastoncillos, constituidos por ADN e histonas y que se forman por condensación de cromatina durante la meiosis y mitosis, y variando su número según la especie. Su función es facilitar el reparto de la información genética contenida en el ADN.

Son los portadores de la información hereditaria. Sólo son visibles durante la división celular, cuando aparecen como cuerpos cilíndricos que se tiñen intensamente.