Summary

Este documento describe los conceptos básicos de la biología celular, incluyendo los primeros registros de la célula, los principios clave de la biología celular, la organización de los contenidos de la célula, la materia viva, los organismos unicelulares y pluricelulares, y los niveles de organización de la materia viva.

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## Capítulo 1 Organización, estructura y actividad celular **Los primeros registros sobre la célula se obtuvieron a mediados del siglo XVII, a partir de observaciones realizadas en sencillos microscopios. Sin embargo, no fue hasta el siglo XIX cuando los científicos descubrieron y enunciaron tres p...

## Capítulo 1 Organización, estructura y actividad celular **Los primeros registros sobre la célula se obtuvieron a mediados del siglo XVII, a partir de observaciones realizadas en sencillos microscopios. Sin embargo, no fue hasta el siglo XIX cuando los científicos descubrieron y enunciaron tres principios, que han sido el eje de las investigaciones que se han realizado en el área de la biología celular:** - Todos los organismos vivos están formados por células. - Cada célula, en forma autónoma, es capaz de realizar las reacciones químicas que permiten la vida. - Toda célula se origina a partir de otra célula. **Posteriormente, se descubren los cromosomas, estructuras que se transmiten a las células hijas durante la división celular.** Con esto comienza una serie de investigaciones que permiten concluir que en ellos se encuentran los genes y que estos contienen la información que contribuye a determinar la estructura y el control del funcionamiento celular. **Desde que ocurrieron estos descubrimientos, hasta el día de hoy, se han logrado extraordinarios avances en el conocimiento sobre la biología de la célula, la expresión génica y la biotecnología.** ## **Organización de los contenidos** ### **Célula** #### **Estructura celular** - Composición química - Macromoléculas - Citoplasma - Membrana - Genoma #### **Función celular** - Comunicación celular - Metabolismo - División celular - Diferenciación - Recepción de señales - Expresión génica - Replicación - Transcripción - Traducción - Ingeniería genética ## 1 La materia viva La gran variedad de seres vivos que habitan el planeta están constituidos, principalmente, por átomos de cuatro elementos químicos: carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno, los que al combinarse dan origen a moléculas orgánicas (macromoléculas) que originan las células, unidad básica de la materia viva. Sin embargo, las células también están constituidas por moléculas inorgánicas. ### **Las principales moléculas inorgánicas que constituyen las células son:** - **Agua.** Es la molécula más abundante en los seres vivos, entre el 70 y el 50% de la materia viva es agua. Esta molécula es un excelente solvente y medio de suspensión para otras moléculas, y es un estabilizador térmico que evita pérdidas bruscas de calor. En las células, la mayoría de las reacciones químicas se realizan en presencia de agua; pero, además, esta molécula es reactante o producto de muchas de ellas. - **Sales minerales.** Se encuentran en cantidades pequeñas al interior de las células o disueltas en el medio extracelular. Las sales al disolverse se separan en iones, tales como el cloro (CI), el sodio (Na+) y el potasio (K+), los que mantienen el grado de salinidad del organismo y regulan la concentración de protones (H+) o pH del organismo. - **Gases.** El O₂ y CO₂ son los gases más abundantes en la materia viva, pues están implicados en las reacciones químicas de producción de energía. El O₂ es producido por las plantas mediante la fotosíntesis, y el CO₂ es producido como desecho por todos los seres vivos en el proceso de respiración celular. ## **Organismos unicelulares y pluricelulares** Todos los organismos vivos están constituidos por una o más células. **Los organismos unicelulares** están formados por una célula que, en forma independiente, lleva a cabo todas sus funciones vitales: se alimenta, crece y se reproduce. Ejemplo de este tipo de organismos son bacterias, protozoos, ciertas algas y hongos. Las bacterias son células que no tienen núcleo (procariontes) y son mucho más pequeñas que las células con núcleo (eucariontes). **Los organismos pluricelulares o multicelulares, en cambio, están formados por millones de células, las que se especializan y se agrupan para llevar a cabo sus funciones, dando origen a los tejidos.** Distintos tejidos constituyen los órganos, que realizan funciones específicas. Diversos órganos que trabajan en conjunto constituyen un sistema de órganos y en su totalidad los sistemas dan origen a un organismo pluricelular. ### **Niveles de organización de la materia viva** - Átomo - Molécula - Macromolécula - Célula - Tejido - Órgano - Sistema - Organismo ## 3 Células procariontes Las células procariontes presentan una organización estructural simple. **No poseen núcleo y se caracterizan por presentar su ADN disperso en el citoplasma, más o menos condensado formando una región denominada nucleoide**. **Otro rasgo distintivo de este tipo de células son sus mecanismos de expresión genética, pues la transcripción y la traducción ocurren simultáneamente en el mismo compartimento celular (el citoplasma)**. Los organismos formados por células procariontes son los organismos unicelulares más pequeños y el grupo más antiguo y abundante de seres vivos. Los principales representantes de este tipo celular son las cianobacterias o algas verde azules y las bacterias, especies ampliamente estudiadas. ### **Características estructurales de las bacterias** Las bacterias presentan las siguientes estructuras básicas: - **Pared celular.** Rodea la membrana plasmática y le otorga forma a las células bacterianas. Según su estructura, se distinguen bacterias Gram positivas y Gram negativas. - La pared de las bacterias Gram positivas está formada por una gruesa capa de peptidoglucano; - En cambio, en las Gram negativas, este polisacárido está inmerso en un espacio periplásmico, limitado por una membrana externa, confiriéndole así protección frente a los agentes antibacterianos. - **Membrana plasmática.** Es una bicapa de lípidos y proteínas que carece de esteroides. Delimita la célula, regula el paso de sustancias y se repliega hacia el interior formando estructuras denominadas mesosomas, que aumentan la superficie de membrana y colaboran en el metabolismo y en el proceso de división celular. - **Citoplasma.** Sistema coloidal, formado principalmente por agua y ribosomas, donde también se encuentran diversas macromoléculas orgánicas, como proteínas y polisacáridos. - **Ribosomas.** Estructuras compuestas por dos subunidades constituidas por ácido ribonucleico y proteínas que participan en la síntesis proteíca. - **ADN bacteriano.** Constituido por una sola molécula de ADN circular, unida por sus extremos (cromosoma bacteriano) y sobrenrollado, que se encuentra libre en el citoplasma, formando el nucleoide. **Otras estructuras pueden presentarse solo en algunas especies de bacterias**. Por ejemplo: - **Cápsula o cápside.** Capa polisacárida o polipeptídica que rodea la pared celular. Participa en la adherencia celular y sirve de protección contra la desecación. - **Plásmidos.** Elementos extracromosómicos que codifican proteínas que otorgan resistencia a los antibióticos. Algunos se replican de forma autónoma, otros tienen la capacidad de integrarse al cromosoma bacteriano, replicándose bajo su control. - **Flagelos.** Apéndices filamentosos que otorgan movilidad a la bacteria. - **Pili.** Filamentos más cortos y finos que los flagelos, implicados en el proceso de conjugación bacteriana (traspaso de ADN de una bacteria a otra). ### **Tipos de bacterias** Las bacterias adoptan una forma morfológica característica de cada especie, que está determinada, en gran medida, por la pared celular. Algunas de las formas más comunes son: - **Cocos.** Su forma es esférica. Un ejemplo es *Streptococcus pneumoniae*, agente causante de la neumonía en el ser humano. - **Espirilos.** De forma helicoidal. Por ejemplo, *Treponema pallidum*, cuasante de la sífilis en el hombre. - **Bacilos.** Forma de bastón. Tienen una longitud variable y sus extremos son redondeados. Un ejemplo es *Corynebacterium diphtheriae*, que causa la difteria. - **Vibrios.** Forma de bastones encorvados. Como *Vibrio cholerae*, agente causante del cólera. Tras su división por fisión binaria, y dependiendo del plano de división, las células hijas tienden a dispersarse o a permanecer unidas por un tiempo, formando agrupaciones de bacterias, tales como: - **Diplococos** - **Diplobacilos** - **Estreptococos** - **Estreptobacilos** - **Estafilococos** ### **Diferencias entre células procariontes y eucariontes** Otro tipo celular son las células eucariontes, que difieren de las procariontes en los aspectos que muestra el siguiente cuadro. | Características | Célula procarionte | Célula eucarionte | |---|---|---| | Tamaño | Entre 1 y 10 µm. | Entre 10 y 100 µm. | | Organización celular | Unicelular. | Unicelular y pluricelular. | | Pared celular | Presente en la mayoría, si bien hay excepciones (micoplasmas). | Solo las células vegetales presentan una gruesa pared de pectina y celulosa. | | Membrana plasmática | Bicapa lipídica con proteínas y glicoproteínas. Carece de esteroides. | Bicapa lipídica compuesta principalmente por lípidos, entre ellos colesterol, proteínas, glicolípidos y glicoproteínas. | | Material genético | Un solo cromosoma, constituido por una molécula de ADN circular y débilmente asociado a proteínas. Se ubica libre en el citoplasma, formando el nucleoide. | Constituido por más de un cromosoma, cuyo número varía según la especie. EI ADN es lineal, asociado fuertemente a proteínas específicas, denominadas histonas. | | Envoltura nuclear | No presentan. | Constituida por una doble membrana. | | Citoplasma | Fase acuosa que carece de citoesqueleto. | Formado por el citosol y el citoesqueleto. | | Ribosomas | Coeficiente de sedimentación de 70 S. | Coeficiente de sedimentación de 80 S. | | Organelos | Solo ribosomas. | Presentan diversos organelos con diferentes funciones. | | División celular | Principalmente a través de fisión binaria y yemación. | A través de los procesos de mitosis o meiosis. | | Metabolismo | Anaeróbico y aeróbico. | Aeróbico. | ## 4 Células eucariontes Las células eucariontes tienen una estructura más compleja que las células procariontes; sin embargo, pese a sus diferencias, todas las células tienen en común algunas estructuras y muchos de los procesos celulares los llevan a cabo de una manera similar. Las células eucariontes se caracterizan por estar formadas por tres estructuras básicas: la membrana plasmática, el citoplasma y el núcleo. ### **Características de las células eucariontes** - **Membrana plasmática.** Estructura que delimita la célula separándola del medio externo y regula la interacción entre la célula, su medio externo y las células vecinas. Está constituida, principalmente, por lípidos, proteínas y una pequeña proporción de carbohidratos. > Una de las principales funciones de la membrana plasmática es regular el transporte de sustancias tanto hacia el interior de la célula como hacia el exterior de ella, controlando así la composición química del citoplasma celular. - **Citoplasma.** Espacio comprendido entre la membrana plasmática y la membrana nuclear, constituido por una fase semilíquida denominada citosol o hialoplasma, y por el citoesqueleto, donde se ubican los organelos celulares. > El citosol está formado principalmente por agua, donde se encuentran disueltas distintas moléculas orgánicas, tales como proteínas, e inorgánicas, como las sales minerales. En el citosol se realiza la síntesis de proteínas y se llevan a cabo la mayoría de las reacciones químicas comprometidas con el metabolismo celular. - **El citoesqueleto**, presente únicamente en células eucariontes, es el responsable de mantener o modificar la forma celular de acuerdo a los requerimientos; de movilizar y organizar los organelos celulares en el citoplasma; y posibilitar la contracción de las células musculares. También participa en el proceso de división celular. > El citoesqueleto está formado por una red de filamentos proteicos de tres tipos: - **Microfilamentos o filamentos de actina.** Formados fundamentalmente de actina, son los principales constituyentes del citoesqueleto y los más delgados. En las células musculares estos filamentos están asociados a microfilamentos de miosina. - **Filamentos intermedios.** Presentan un grosor intermedio entre los microfilamentos y los microtúbulos, y están constituidos por proteínas filamentosas. Regulan la forma celular y se encuentran en células sometidas a esfuerzo mecánico, como las células musculares. - **Microtúbulos.** Filamentos tubulares formados por la proteína tubulina. A partir de ellos se originan los centriolos y el huso mitótico. Son el esqueleto o armazón de cilios y flagelos. - **Núcleo.** Se encuentra delimitado por una doble membrana, denominada envoltura nuclear, que presenta poros que permiten la comunicación con el citoplasma. Está formado por una parte soluble llamada nucleoplasma y por la cromatina, que corresponde a fibras de ácido desoxirribonucleico (ADN) asociadas a proteínas denominadas histonas. > El núcleo posee uno o más nucleolos, que son corpúsculos donde se ubican los genes ribosomales, ácido ribonucleico (ARN) y proteínas. Además, es el sitio de formación de las subunidades ribosomales. ### Organelos celulares Las células eucariontes se caracterizan por poseer organelos celulares, que en general son un complejo sistema de membranas internas, que forman compartimientos con funciones específicas. Entre ellos encontramos: - **Retículo endoplasmático.** Es un sistema continuo de membranas formado por un conjunto de vesículas y sacos aplanados que se extienden por el citoplasma, y cuyo espacio central recibe el nombre de lumen. En las células eucariontes se distinguen dos tipos de retículos: el retículo endoplasmático liso y el retículo endoplasmático rugoso, cuyo grado de desarrollo dependerá de las funciones de la célula. - **Retículo endoplasmático liso (REL).** Su función es sintetizar la mayoría de los lípidos que forman las membranas celulares, tales como colesterol, fosfolípidos y glucolípidos, los que son sintetizados en el lado citoplasmático de la membrana y desde donde difunden hacia el lumen para ser transportados, mediante vesículas o proteínas de transferencia, a otros organelos membranosos. > El REL participa también en procesos de detoxificación de las células, pues metaboliza sustancias tóxicas convirtiéndolas en productos eliminables de las células. - **Retículo endoplasmático rugoso (RER).** Recibe este nombre dado que se caracteriza por presentar ribosomas unidos a su membrana externa. Se encuentra comunicado con el REL y la membrana externa de la envoltura nuclear. > La principal función del RER es la síntesis de proteínas en los ribosomas presentes en la cara citosólica de su membrana. Las proteínas pueden ser incorporadas al lumen del RER donde se le adicionan polisacáridos (glicosilación). Luego, se transportan, mediante vesículas, hacia otros organelos, o bien hacia la membrana plasmática donde serán secretadas hacia el exterior de la célula. - **Ribosomas** Organelos celulares, de pequeño tamaño, que carecen de membrana. Están constituidos por varias moléculas de ácido ribonucleico ribosomal (ARNr) y muchas proteínas, que se organizan en dos subunidades: mayor y menor. > Los ribosomas participan en forma importante en la síntesis de proteínas (traducción). Para esto, en el citoplasma, la subunidad menor se une al ácido ribonucleico mensajero (ARNm) proveniente del núcleo, que porta la información para la proteína que se sintetizará, y posteriormente, se une la subunidad mayor, iniciándose la agregación de aminoácidos que dará origen a una proteína. Terminada la síntesis, las subunidades se separan. > Los ribosomas se ubican asociados al RER, en la membrana nuclear, y en el citoplasma, donde en algunas ocasiones se agrupan formando polirribosomas o polisomas. Estas agrupaciones corresponden a varios ribosomas que se encuentran unidos a un mismo ARNm. Cada uno de ellos llevando a cabo la traducción o síntesis de una proteína. - **Aparato de Golgi.** Organelo membranoso, presente en todas las células eucariontes, está formado por un sistema de vesículas y sacos aplanados o cisternas. Se localiza en el centro de la célula cercano al núcleo y al RER. > Entre sus principales funciones están la acumulación, la maduración, el transporte y la secreción de las proteínas que fueron sintetizadas en el RER. Estas proteínas son empaquetadas en vesículas de secreción para dirigirse a la membrana plasmática fusionando su membrana con ella y expulsando su contenido al medio extracelular; o bien, algunas vesículas se dirigen hacia otros organelos citoplasmáticos. Por último, algunas proteínas son empaquetadas para, posteriormente, dar origen a los lisosomas. Dado que una parte de las vesículas generadas llegan a la membrana plasmática, el aparato de Golgi juega un rol importante en la renovación de las membranas celulares. > Otra de las funciones de este organelo es la glicosilación, es decir, la adición de azúcares a los lípidos y proteínas, proceso que se inicia en el retículo endoplasmático, dando origen a glicolípidos y glicoproteínas de membrana o moléculas de secreción. > En el aparato de Golgi se sintetizan también los constituyentes de la matriz extracelular y, en vegetales, los componentes de la pared celular. - **Lisosomas.** Son vesículas que se originan del aparato de Golgi y que contienen enzimas hidrolíticas sintetizadas en el RER. Están presentes en la mayoría de las células eucariontes, excepto en los glóbulos rojos. > La función de los lisosomas está asociada a las enzimas hidrolíticas que contienen. Estas enzimas digieren la mayoría de las moléculas orgánicas y son capaces de digerir bacterias que puedan ingresar a la célula. - **Peroxisomas.** Son vesículas similares a los lisosomas, cuya membrana se origina en el REL. Al igual que los lisosomas, los peroxisomas también contienen enzimas, pero estas son oxidasas; las principales son la peroxidasa y la catalasa. > En estos organelos, las peroxidasas son las encargadas de degradar los ácidos grasos y otras moléculas orgánicas generando peróxido de hidrógeno (H2O2), compuesto tóxico para las células, el que es degradado por la catalasa convirtiéndolo en agua y oxígeno. - **Mitocondrias.** Organelos celulares delimitados por una doble membrana: una membrana externa lisa y una interna que presenta numerosos pliegues denominados crestas mitocondriales. Las membranas originan dos compartimentos, uno ubicado entre las dos membranas, denominado espacio intermembranas, y otro delimitado por la membrana interna que recibe el nombre de matriz. > En la matriz mitocondrial se ubican numerosos ribosomas y varias moléculas de ADN mitocondrial, similar al de las bacterias, pues es de doble hebra y circular. > La principal función de las mitocondrias es la obtención de energía (ATP) mediante la degradación de la glucosa a través de una serie de reacciones químicas, iniciadas en el citoplasma y completadas en el interior de la mitocondria. En su conjunto corresponden al metabolismo oxidativo o respiración celular. En este proceso, la mitocondria consume oxígeno y produce dióxido de carbono.

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