Aspectos Biológicos de la Complejidad Humana PDF

ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) que el embrión de las plantas tuvo su origen en una sola célula. En1839, Theodor Schwann, zoólogo alemán, colega de Schleiden, publica un trabajo referido a las bases celulares de la vida animal. Schw...

ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) que el embrión de las plantas tuvo su origen en una sola célula. En1839, Theodor Schwann, zoólogo alemán, colega de Schleiden, publica un trabajo referido a las bases celulares de la vida animal. Schwann concluyó que las células de las plantas y los animales eran estructuras semejantes. Las ideas, por ambos definidas, contribuyen a formular los dos primeros postula- dos de lo que hoy conocemos como Teoría Celular. Recién en 1855, Rudolf Virchow, patólogo alemán, es quien propone una hipótesis convin- cente para definir el que sería el tercer postulado de esta teoría. Es así que se define la Teoría Celular como la conocemos en la actualidad, conformada por tres postulados, que sencillamen- te pueden formularse como: 1º Todos los organismos están compuestos de una o más células. 2º La célula es la unidad estructural de la vida. 3º Las células sólo pueden originarse a partir de una célula preexistente. Origen de la célula Si las células sólo pueden originarse a partir de otras células: ¿cómo se originó la primera? La aparición de lo que conocemos como las primeras formas vivas (estructuras sencillas capaces de producir descendientes y de evolucionar) se encuentra asociada a la historia de cambios que ocurrieron en el planeta Tierra. Según teorías actuales, el Universo comienza con una gran explosión denominada "Big Bang". Antes de esta explosión, toda la energía y la materia presentes actualmente en el Uni- verso se encontraban en forma de energía pura, comprimidas en un único punto infinitesimal- mente pequeño. Con el "Big Bang" o "Gran Explosión", esta energía se libera y las partículas de materia que se formaron se alejaron violentamente entre sí. La temperatura en el momento de la explosión era cercana a los 100.000 millones de grados centígrados °C, temperatura a la cual no se reconocía la existencia de átomos. Toda la materia se encontraba en forma de partí- culas elementales subatómicas. Estas partículas, se aceleraban, colisionaban y se aniquilaban unas a otras, formando partículas nuevas y liberando más energía. A medida que el Universo se expandía, se enfriaba gradualmente y se formaba más materia. Dos tipos de partículas estables (protones y neutrones) que hasta ese momento eran esca- sas comenzaron a combinarse dando origen así a los núcleos de los átomos. Cuando la tempe- ratura alcanza unos 2.500°C, esos núcleos que contenían protones de carga positiva, atrajeron a pequeñas partículas de carga negativa (los electrones) que se movían rápidamente alrededor de ellos; se forman así los primeros átomos. Mientras la Tierra y los otros planetas se formaban, la energía proveniente de materiales ra- diactivos mantenía sus interiores muy calientes. Poco después de haberse formado, es proba- ble que la superficie de la Tierra se hallara en un estado turbulento. Cuando aún estaba tan caliente que era casi líquida, los materiales más pesados comenzaron a reunirse en un núcleo FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 28  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) central denso. A medida que la superficie de la Tierra se enfriaba, fue formándose una corteza externa. Se supone que la atmósfera primitiva estaba constituida, principalmente por hidrógeno y helio, pero rápidamente estos elementos se habrían fugado hacia el espacio exterior debido a que las fuerzas gravitacionales aún eran muy débiles como para retenerlos. Posteriormente, a partir de los gases desprendidos por los volcanes, se habría formado una atmósfera secundaria, diferente tanto de la atmósfera primitiva como de la actual. El agua ha- bría emanado de los géiseres en forma gaseosa enriqueciendo la atmósfera en vapor de agua. Al descender la temperatura, estas nubes de vapor se habrían condensado y formaron los pri- meros océanos calientes y poco profundos de la Tierra primitiva. La química da paso a la biología… comienza la vida Desde una perspectiva bioquímica, cuatro características distinguen a las células de otros sistemas químicos: la existencia de una membrana que separa a la célula del ambiente circundante y le permite mantener su identidad bioquímica. la presencia de enzimas, proteínas complejas esenciales para acelerar las reacciones químicas de las que depende la vida la capacidad para duplicarse. la posibilidad de evolucionar a partir de la producción de descendencia con variación. Si bien los trabajos sobre el origen de la célula han proliferado enormemente, han suscitado muchas controversias que aún no se han resuelto. En este caso como en otros, frente a ciertas preguntas acerca del mundo natural, la comunidad científica no adhiere a un único modelo explicativo, sino que coexisten varios modelos, lo cual da lugar a diferentes hipótesis que de- ben analizarse críticamente. Características de las células Las células son sistemas abiertos: la vida es la propiedad fundamental de las células y ellas son las unidades más sencillas en las cuales podemos reconocerla. Las células pueden ser extraídas de organismo y cultivarse en el laboratorio, donde crecen y se reproducen duran- te un tiempo prolongado. Las células muestran complejidad y organización: la complejidad se entiende en térmi- nos de orden y regularidad. Cuanto más compleja sea una estructura, mayor es el número de partes que deben estar en posición apropiada y por lo tanto mayor la regulación o control que se debe ejercer para conservar el sistema. Las células poseen un programa genético y los recursos para aplicarlo: los organis- mos se generan a partir de la información codificada en un conjunto de unidades de informa- FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 29  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) ción llamadas genes. Los genes constituyen los patrones de información para construir estruc- turas celulares, y contienen instrucciones para poner en marcha las actividades celulares y el programa para generar copias de sí mismos. El conocimiento de los mecanismos mediante los cuales las células emplean la información genética para llevar adelante estas funciones es uno de los más grandes logros de la ciencia en los últimos años. Las células tienen capacidad para reproducirse: la división celular, es el proceso me- diante el cual (con algunas restricciones) las células tienen la capacidad de generar nuevas células. Antes de la división, el material genético se duplica y cada nueva célula recibe una dotación de información genética. Las células utilizan energía: el desarrollo y la operación de funciones complejas requieren el ingreso continuo de energía. Prácticamente toda la energía que fluye en el planeta proviene de la radiación electromagnética del sol. A las células animales, durante la nutrición, la energía llega ya empaquetada, por lo general en forma de glucosa. Una vez dentro de la célula, la glucosa se degrada a través de complejas reacciones catabólicas sucesivas, de tal manera que su contenido energético se puede alma- cenar en una forma rápidamente disponible (la molécula de ATP). La misma, posteriormente es utilizada para llevar a cabo las múltiples actividades metabólicas que requieren energía. Prácti- camente todos los cambios químicos que ocurren en las células requieren enzimas: moléculas que incrementan mucho la velocidad de una reacción química. La suma total de las reacciones químicas que ocurren dentro de una célula representa el metabolismo celular. Las células tienen capacidad para responder a estímulos: permanentemente las células responden a estímulos para mantener la homeostasis. Poseen receptores, factores de creci- miento, materiales extracelulares y también sustancias situadas en la superficie de otras célu- las. Los receptores de una célula constituyen una puerta de entrada a través de la cual se pue- den generar respuestas específicas. Dos tipos de células: procariotas y eucariotas Se conocen dos tipos fundamentalmente distintos de células: las procariotas (o procarionte) y las eucariotas (o eucariontes) En las células procariotas, el material genético es una molécula única y circular de ADN desnudo (no presenta proteínas asociadas), disperso en el citoplasma, en una región denomi- nada nucleoide. La etimología de la palabra procariota hace referencia a la ausencia de un núcleo definido, debido a la ausencia de membrana nuclear (Figura 1). En las células eucariotas, el material genético (ADN) está formado por moléculas de cadena li- neal y fuertemente asociado a proteínas. La cantidad de moléculas de ADN, es variable según la especie y se encuentra en el núcleo definido por una doble membrana nuclear (la envoltura nu- clear), que lo separa de los otros componentes celulares, dispersos en el citoplasma (Figura 2). El citoplasma contiene una enorme variedad de moléculas y complejos moleculares espe- cializados en distintas funciones celulares. En las células eucariotas, estas funciones se llevan FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 30  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) a cabo en diversas estructuras rodeadas por membranas –las organelas– que constituyen dis- tintos compartimientos dentro del citoplasma. Ya sean procariotas o eucariotas, las células no se encuentran aisladas de su entorno y ninguna de sus estructuras puede funcionar si no es parte de un sistema más abarcativo. Por otro lado, debemos tener en cuenta que existe una gran diversidad de células en cuanto a su estructura (forma y tamaño) y que están siempre en relación con el ambiente donde se encuen- tran y la manera que realizan las funciones vitales. Figura 1. Célula procariota estructuras que la conforman. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Average_prokaryote_cell-_es.svg#/media/File:Average_prokaryote_cell-_es.svg Organización celular Como ya se ha dicho la célula es la unidad mínima de vida, en ella, se encuentran represen- tadas todas las actividades fundamentales de la vida, tales como la capacidad de reproducción, de movimiento, la capacidad para captar y consumir energía, responder a estímulos, autorregu- larse o realizar reacciones químicas, funcionando como una identidad basada en una estructu- ra ordenada y compleja. Sin embargo, en algunos organismos pluricelulares se observan células que han adecuado este plan básico, a las exigencias determinadas principalmente por su función. En células ner- viosas se mantendrá una organización esencial, pero su morfología (presencia de proyecciones citoplasmáticas) y su fisiología (producción y secreción de neurotransmisores) serán diferentes a otros tipos celulares. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 31  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Plan básico de una célula eucariota Para facilitar su estudio la célula se puede dividir en tres partes que pueden generalizarse para todas las células eucariotas presentes en los seres humanos, a saber: Membrana plasmática: constituye la estructura que limita la célula, separa el medio intracelular del medio extracelular. Constituye una barrera selectiva a través de la cual se mueven diferentes iones, moléculas inorgánicas como el agua (H2O), oxígeno (O2) el dióxido de carbono (CO2) y ma- cromoléculas orgánicas, mediante diferentes mecanismos de transporte; de esta manera se man- tiene un ambiente interno apropiado para el metabolismo celular. La membrana también cumple función fundamental en la comunicación intercelular y entre las células y el medio extracelular. Citoplasma (plasma, de –plas-, formado o moldeado): es el medio interno de la célula cons- tituido por todos los componentes del mismo y el núcleo. Se divide en citosol, que es la parte líquida del citoplasma conformada por agua, solutos y diferentes partículas suspendidas y por otro lado las organelas (“órganos pequeños”) –ídem organoides, u orgánulos–, estructuras membranosas con diferentes funciones metabólicas. Núcleo: es la estructura más grande de la célula y funciona como centro de control de todas las funciones celulares. Separado del citoplasma por la membrana nuclear, encontramos en su interior el material genético y el o los nucléolos (Figuras 2 y 3). Figura 2. Comparación relativa del tamaño celular con estructuras subcelulares y supracelulares. https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 32  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Figura 3. Detalle de las estructuras que conforman una célula eucariota animal. Adaptada de https://s1.significados.com/foto/celulaeucariotaanimal_bg.jpg Estructura y dinámica de la membrana plasmática La membrana plasmática es una estructura que rodea y limita a todas las células de todos los seres vivos, es dinámica, es fluida, es un compartimiento que separa el medio intracelular del medio extracelular, aísla selectivamente el contenido dentro de la célula (intracelular), y facilita la comunicación con su entorno. Todas las membranas biológicas tienen una organiza- ción básica común, si bien se sabía antes de la década de 1970, qué todas las membranas celulares estaban formadas por lípidos y proteínas, en 1972 fueron los investigadores S.J. Sin- ger y G.L. Nicolson quienes propusieron el modelo del mosaico fluido. Este modelo, describe a la membrana como una bicapa lipídica fluida (doble capa de fosfolípidos), que actúa como barrera prácticamente impermeable para las moléculas hidrosolubles y por proteínas de mem- brana que atraviesan la bicapa, pudiéndose encontrar algunas por fuera de ella. Estas proteí- nas de membrana intercambian sustancias, se comunican con el entorno, controlan reacciones bioquímicas y pueden clasificarse en: receptoras, de reconocimiento, enzimáticas, de unión y de transporte, entre otras. La estructura en mosaico de fosfolípidos y proteínas varía con el tiempo, la distribución de las proteínas y los distintos tipos de fosfolípidos van cambiando, siendo las monocapas diferen- tes entre sí, en su composición química. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 33  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Los lípidos de membrana se disponen formando una bicapa de fosfolípidos. Cada molé- cula de fosfolípido está formada por una cabeza polar y dos colas hidroca rbonadas. La cabeza es soluble en agua o hidrofílica y las colas son insolubles en agua o hidrofóbicas y están formadas por cadenas de ácidos grasos con simples y dobles enlaces, denominados saturados e insaturados, éstos le dan una leve curvatura, muy rel acionada con la fluidez de la membrana. Las proteínas de membrana se disponen de distinta manera. Muchas atraviesan la bica- pa de lípidos, presentando regiones hidrofílicas que se relacionan con el medio acuoso de la bicapa y regiones hidrofóbicas que interactúan con el interior de la bicapa, otras proteí- nas de membrana se ubican en el citosol (hacia el interior de la célula) y se relacionan con la membrana a través de enlaces químicos, otras proteínas se encuentran en el medio ex- tracelular, se relacionan también por enlaces químicos. A las proteínas que atraviesan la bicapa se las denominan integrales y a las proteínas que se encuentran por fuera se las denominan periféricas. Por fuera de la membrana plasmática, hacia el medio extracelular, en células eucariotas se observan glúcidos que se unen a lípidos, glucolípidos y glúcidos que se unen a proteínas, glu- coproteínas, formando un glucocalix o una cubierta celular, cuya función sería reconocimiento de moléculas en la superficie celular. En muchas membranas celulares eucariotas animales la bicapa no está formada solamente por fosfolípidos, sino también por colesterol, lípido esteroide, que presenta un grupo polar unido a la cabeza del fosfolípido y una cadena hidrocarbonada hidrofóbica. Aunque en la zona donde se encuentra el colesterol la bicapa es mucho más rígida, y esa zona es menos fluida, al encontrarse las membranas plasmáticas sometidas a altas concentraciones, el colesterol inter- actúa con los fosfolípidos e impide que las cadenas hidrocarbonadas se junten y cristalicen, por lo tanto, regula la fluidez de la membrana (Figura 4). Figura 4. Estructura y componentes de la membrana plasmática. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 34  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Transporte a través de la membrana plasmática Todas las membranas celulares rodean, limitan y protegen a las células, actúan como una barrera semipermeable, selectiva, seleccionan lo que entra y lo que sale, por tanto, no todas las moléculas podrán atravesar esa estructura semipermeable. Dependerá de su carga, de su ta- maño, de su solubilidad y de su concentración, que puedan desplazarse de un medio a otro; las membranas crean barreras, que ayudan a mantener los gradientes celulares. A continuación, se definen algunos conceptos que serán de utilidad para analizar estos pro- cesos celulares. Soluto: es una sustancia que puede disolverse en un disolvente, que es un fluido, como el agua. Por su estructura química y sus propiedades es numerosa la cantidad de solutos que disuelven en agua y por lo tanto se la denomina disolvente universal. Fluido: es una sustancia, formada por partículas que se unen entre sí, que se atraen y coaccionan, desplazándose una con otras. Concentración: es la proporción que hay entre la cantidad de solutos y la cantidad de di- solvente en una solución, a menor proporción de soluto, menos concentrada está la solución y viceversa. Gradiente: es una diferencia de concentración, carga, temperatura de una sustancia en un fluido entre dos medios. El gradiente de concentración celular es la diferencia en la concentra- ción de una misma molécula entre una zona y otra, mediada o no por una membrana. Difusión: es el flujo neto de átomos, moléculas, iones, que se encuentran en constante mo- vimiento, donde se mueven de mayor a menor concentración, hasta que se dispersan unifor- memente por todo el fluido1. ¿Cómo se desplazan las moléculas a través de la membrana? En una bicapa lipídica sintética, libre de proteínas, la permeabilidad dependerá del ta- maño y de la solubilidad de las moléculas, cuánto más pequeña, liposoluble (hidrofóbica, no polar) difundirá con rapidez, sin dificultad, como es el caso de los gases: CO 2, O2. Las molécu- las polares no cargadas, si son pequeñas también difunden a través de la bicapa por ejemplo agua y etanol y si son grandes como la glucosa, no la atraviesa, la bicapa es a su vez altamen- te impermeable a las moléculas cargadas como los iones (Figura 5). 1 En una habitación cerrada, si se deja un frasco de perfume abierto, al cabo de un tiempo la habitación se encontrará perfumada y el frasco vacío, porque las moléculas del perfume difunden de una zona de mayor concentración a otra de menor. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 35  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Figura 5. El esquema muestra la permeabilidad diferencial de la bicapa lipídica. Las proteínas de membrana, desempeñan roles importantes, debido a que son las res- ponsables del traslado de solutos, como azúcares, aminoácidos, iones, entre otros, a través de la membrana celular. Estas proteínas se denominan proteínas de transporte a través de la membrana y son de dos tipos: proteínas transportadoras y proteínas de canal. Las proteínas transportadoras (carriers o transportadores) se unen al soluto que será trans- portado, se produce un cambio conformacional y de esa manera se transfiere el soluto a través de la membrana. Las proteínas de canal, forman canales, poros hidrofílicos, acuosos, que atra- viesan la bicapa y cuando se abren los canales se produce el pasaje del soluto. Existen dos grandes tipos de transporte, que permiten que las moléculas se muevan de una zona a otra: transporte pasivo y transporte activo (Figura 6). FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 36  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Figura 6. Transporte pasivo y activo: esquema de los elementos de la membrana que participan. Transporte pasivo Es el pasaje sustancias a través de una membrana semipermeable, de una zona de mayor concentración a otra de menor, a favor de un gradiente de concentración, sin gasto de energía. Ejemplos: difusión simple, difusión facilitada y ósmosis. Difusión simple: cuando aumenta la temperatura, cuando la concentración es mayor y las moléculas son pequeñas, sin carga y solubles en lípidos, atravesarán la bicapa de fosfolípidos por sí solas, sin dificultad, como las moléculas de agua, el O 2, que son muy pequeñas y sin carga, o como las vitaminas A, D, E y K, y las hormonas esteroideas que son liposolubles, de- nominándose a este proceso difusión simple (Figura 6). El agua es una molécula polar, difunde muy lentamente por la bicapa, (que rechaza el agua) pero al ser muy pequeña y abundante en el citosol, hace que difunda a través de la bicapa con movimientos aleatorios. Difusión facilitada: cuando la concentración aumenta y las moléculas son grandes, con carga y solubles en agua, no pueden atravesar por sí solas la bicapa lipídica, como los aminoá- cidos, los azucares, los iones, necesitan de la ayuda de proteínas específicas de transporte de membrana: las proteínas de canal y las proteínas transportadoras, denominándose a este pro- ceso difusión facilitada (Figura 6). Ósmosis: es el movimiento del agua a través de una membrana selectivamente permeable, si se consideran dos medios a la misma presión y temperatura, uno con mayor concentración de agua que de soluto y el otro con menor concentración de agua y mayor de soluto, el agua difundirá de mayor a menor concentración. Pero las membranas celulares no solamente presentan permeabili- FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 37  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) dad al agua, sino también presentan diferentes permeabilidades hacia otras moléculas, entonces no puede explicarse los movimientos del agua, teniendo en cuenta solamente la concentración de soluto, sino que se debe hablar de tonicidad para comparar las sustancias disueltas en ella. Cuan- do se presenta igual concentración de soluto que de solvente, en ambos medios, la solución es isotónica, y no hay flujo neto de agua, cuando en uno de los medios la concentración de soluto es menor, se dice que ese medio es hipotónico y cuando es inversa se dice que es hipertónico. El agua se desplaza de medios hipotónicos a hipertónicos. Transporte activo Es el pasaje de sustancias a través de una membrana semipermeable, de una zona de me- nor concentración a otra de mayor, en contra de un gradiente de concentración, con gasto de energía. Este transporte está mediado por proteínas, las proteínas transportadoras, que pre- sentan uno o más sitios de unión para el soluto, cuando éste es transportado de un lugar a otro no es modificado covalentemente (Figura 6). Al ser un transporte activo, la fuente de energía proviene de la hidrólisis del ATP en ADP + fosfato (Pi). Existen diferentes bombas activas: bombas de Ca2, de Na+ - K+, entre otras. Bomba de Na+ - K+: proteína transportadora que se encarga de bombear estos iones a tra- vés de la bicapa lipídica. La concentración de K+ es mayor en el interior de la célula que en el exterior, ion intracelular, en cambio la concentración de Na + es mayor en el exterior, ion extra- celular; estas diferencias se mantienen mediante el funcionamiento de la bomba que, se encar- ga de bombear activamente Na+ hacia el medio extracelular y K+ hacia el medio intracelular. Por cada molécula de ATP hidrolizada se bombean 3 Na+ al exterior y dos K+ al interior de la célula. El gradiente de Na+ regula el transporte de glucosa, de aminoácidos al interior de la célula y el volumen celular (Figura 7). Figura 7. Comportamiento iónico en el funcionamiento de la Bomba de sodio y potasio. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 38  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Transporte de macromoléculas de elevada masa molecular Los pequeños solutos y el agua atraviesan la bicapa lipídica de la membrana plasmática, a través de proteínas de membrana, que se encargan de transportarlos de un medio a otro, sin embargo, las macromoléculas como las proteínas u otras partículas atraviesan la membrana por un mecanismo distinto. Es un tipo de transporte donde las sustancias atraviesan la mem- brana, sin establecer contacto con sus componentes. Se clasifican en: Endocitosis: proceso mediante el cual se invagina la membrana, y se incorporan molécu- las, en forma de partículas al interior de la célula del medio extracelular, si estas moléculas son de gran tamaño y sólidas se denomina fagocitosis, si están en solución, son líquidas se de- nomina pinocitosis. Cuando las moléculas se unen a receptores específicos de membrana, que se encuentran en depresiones o fosas protegidas, que se van profundizando hasta formar vesículas, el proceso se denomina endocitosis mediada por receptores, las células humanas incorporan el colesterol a través de este mecanismo (Figura 8). Figura 8. Proceso de endocitosis. Transporte de macromoléculas de elevada masa molecular Exocitosis: proceso mediante el cual se liberan moléculas contenidas en vesículas cito- plasmáticas al exterior de la célula, si las moléculas son útiles el proceso se denomina secre- ción, como hormonas, proteínas que desempeñan su función en el medio extracelular. Se pre- sentan dos tipos de secreción: constitutiva y regulada. Secreción constitutiva: las vesículas secretoras, una vez que se desprenden del Aparato de Golgi, (cara trans) se trasladan por los microtúbulos (estructuras proteicas del citoesqueleto) FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 39  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) hacia la membrana plasmática, al ponerse en contacto la vesícula con la membrana, la bicapa lipídica se fusiona y se libera el contenido al medio extracelular (Figura 9 A). La secreción de proteínas, (anticuerpos, colágeno) es un ejemplo de exocitosis constitutiva. Secreción regulada: las vesículas secretoras una vez que se desprenden del Aparato de Golgi, (cara trans) se concentran en el citoplasma hasta que la célula recibe una señal (entrada de Ca+2) las vesículas son transportadas por microtúbulos hacia la membrana plasmática, se fusionan y su contenido se libera al medio extracelular (Figura 9 B). La liberación de los neurotransmisores, en las terminales nerviosas durante el proceso de transmisión del impulso nervioso, es un ejemplo de exocitosis regulada (Ver capítulo 5). Figura 9. Proceso de Exocitosis. A. Secreción constitutiva B. Secreción regulada. Citoplasma: Componentes celulares citoplasmáticos En toda célula eucariota se encuentran inmersas en el citosol una serie de estructuras u or- ganelas (organoides, y orgánulos) que mantienen la actividad celular. Mitocondria Es una estructura formada por una doble membrana. Ambas membranas están formadas por una doble capa fosfolipídica (semejante a la membrana plasmática) e imbuidas en la misma se encuentran proteínas específicas. La membrana externa, es lisa. La membrana interna, en contacto con el citosol, posee una serie de pliegues llamadas crestas, que aumentan su super- FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 40  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) ficie. La membrana interna define dos compartimientos, el espacio intermembrana y el espacio entre los pliegues llamado matriz mitocondrial (Figura 3 y Figura 10). Una característica llamativa de la mitocondria es que posee ADN y ribosomas propios cuya función es intervenir en la producción de sus proteínas y en la formación de nuevas mitocon- drias que se distribuirán a las células hijas durante la división celular. La presencia de material genético en esta organela supondría, según la Teoría Endosimbiótica una vida anterior inde- pendiente de las células como las definimos actualmente. En las células actuales, la mitocon- dria se encuentra regulada por el ADN nuclear de la célula que la contiene. La función de la mitocondria es llevar a cabo la respiración celular. Es decir, la oxidación de las moléculas orgánicas (hidratos de carbono principalmente, lípidos y proteínas) a partir de la intervención del oxígeno molecular, con el objeto de liberar la energía en forma de molécula de ATP necesario para el funcionamiento de la célula. En este sentido, podemos decir que, en aquellas células como neuronas y fibras muscula- res, cuya actividad metabólica es continua e intensa, se observan muchas más mitocondrias que en células que conforman el tejido óseo, como los osteoclastos. Figura 10. Estructura de la mitocondria. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mitochondrion_structure_ar.svg Sistema de endomembranas Dentro del citosol celular podemos observar una serie de orgánulos relacio nados y constituidos por membranas: Retículo Endoplasmático Rugoso (RER), Retículo Endoplas- mático Liso (REL), varios tipos de vesículas, lisosomas, endosomas y Aparato de Golgi (Figura 3 y Figura 11). Algunos autores como Karp (2019) y Campbell y Reeace (2007) incluyen en este sistema a la envoltura nuclear por su continuidad con el RE y a la membrana plasmática por su semejan- za, no por su ubicación física. Una vez sintetizadas las proteínas, son transportadas a distintos compartimentos donde su- fren modificaciones sucesivas: FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 41  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) 1. Los polipéptidos (cadenas de aminoácidos, constituyentes de una proteína) sintetiza- dos en los ribosomas se incorporan en el lumen del RER, luego se añaden azúcares para formar glucoproteínas, la membrana del Retículo las envuelve formando pequeñas vesículas de transporte. 2. Estas vesículas pequeñas son transportadas hacia la cara cis del Aparato de Golgi, en el interior del Golgi se van modificando, se rodean de nuevas vesículas y se transpor- tan hacia la cara trans donde se fusionan, se empaquetan, formando vesículas de transporte más grande. 3. Estas vesículas se desprenden del Aparato de Golgi y se dirigen hacia un destino específico: a) como vesículas que contienen proteínas de exportación, se fusionarán con la membrana plasmática y se liberarán por exocitosis. b) como vesículas que contienen proteínas estructurales, se dirigirán a algunos orgá- nulos, o a la membrana plasmática para formar parte. c) como vesículas que contienen proteínas de uso interno para la célula (enzimas hi- drolíticas) formarán lisosomas. Figura 11. Vinculación funcional entre los componentes del sistema de endomembranas. A: endocitosis, B: exocitosis Retículo Endoplasmático Rugoso Está formado por una serie de sacos membranosos separados entre sí por un espacio ci- tosólico y comunicado con la membrana nuclear (Figura 11). Los sacos delimitan un espacio FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 42  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) llamado: espacio cisternal o luminal. Externamente se anclan ribosomas que determinan su aspecto rugoso y su nombre: Retículo Endoplasmático Rugoso (Figura 12). La función de esta estructura es la síntesis de proteínas principalmente aquellas que se- rán exportadas fuera de la célula. Las cadenas polipeptídicas se forman en los ribosomas adheridos al RER y luego penetran al retículo por poros proteicos ubicados en la membrana, donde se pliegan y adquieren su estructura proteica definitiva. Estas proteínas se unen a hidratos de carbonos conformando moléculas glucoproteicas. Finalmente, son rodeadas por membrana y entonces se las denomina vesículas transportadoras y son transferidas hacia otros sacos del RE o al Aparato de Golgi donde continúan sufriendo modificaciones hasta su destino final u almacenamiento. Muchas células secretoras poseen RER muy desarrollado respondiendo a su función, por ejemplo: células β del páncreas, que secretan insulina (hormona hipoglucemiante) o células intestinales productoras de enzimas digestivas, entre otras. El RER también sintetiza proteínas y fosfolípidos para renovar o restaurar sus propias membranas. Figura 12. Estructura de las membranas y ubicación de los ribosomas en el Retículo Endoplasmático Rugoso (RER). Retículo Endoplasmático liso Los elementos membranosos del Retículo Endoplasmático Liso (REL) son típicamente tubu- lares y conforman una red interconectada. Al carecer de ribosomas en sus membranas su apa- riencia, al observarlo al microscopio electrónico, es lisa (Figura 13) El REL participa en el transporte celular, la síntesis de ácidos grasos y esteroides, el desdo- blamiento del glucógeno para la obtención posterior de glucosa, la inactivación de varios fár- macos y sustancias nocivas para el organismo como alcohol, pesticidas y el secuestro de Ca +2 y su liberación regulada. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 43  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Este sistema se encuentra muy desarrollado en las células de las glándulas endocrinas que producen hormonas esteroideas (como gónadas o corteza suprarrenal), en células hepáticas con capacidad de depuración del organismo y en fibras musculares esqueléticas. Figura 13. Estructura del Retículo Endoplasmático Liso Aparato de Golgi Gran parte de las moléculas procedentes del RE alcanzan esta organela para ser modifica- das, clasificadas y empaquetadas antes de ser exportadas (Figura 11). Esta organela está con- formada por una pila de sacos aplanados –cisternas– no conectadas entre sí (entre 3 y 30) con una polaridad definida (Figura 14). La cara de la pila más cercana al RE se denomina cis y la opuesta trans y funcionan como receptor y emisor de productos respectivamente. Los materiales que provienen del RE en vesí- culas, se fusionan en la membrana cis, son procesados en la luz de la cisterna y luego englo- bados nuevamente en vesículas que son liberadas por la cara trans (Figura 11). A ciertas proteínas se le adicionan hidratos de carbono formando glucoproteínas, como así también se modifican glucoproteínas y glucolípidos provenientes del RE. Esta organela presenta sitios de ensamblaje de algunos polisacáridos como glucosaminoglicanos. Otras de las funciones descriptas refieren a la capacidad para degradar proteínas en cadenas peptídicas cortas. Todos estos productos definidos son empacados en vesículas que los transportan a otras partes de la célula o la membrana plasmática para ser exportados. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 44  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Figura 14. Estructura del Aparato de Golgi. Ribosomas Los ribosomas son estructuras supra macromoleculares carentes de membrana, com- puestos por ARN ribosómico (ARN r) y proteínas ribosomales, muy abundantes en el cito- plasma celular. Su función es llevar a cabo la síntesis de proteínas a partir del acoplamien- to de los aminoácidos. Cuánto más proteína sintetiza la célula más ribosomas tendrá (Figu- ra 3 y Figura 11). Los ribosomas, están constituidos por dos subunidades: subunidad mayor y subunidad menor, asociadas a cada ARNr, que es sintetizado a partir del ADN nuclear y, a más de 50 proteínas ribosomales que provienen del citoplasma. La totalidad de este proceso es lleva- do a cabo en el nucleolo, en una región denominada organizador nucleolar, una vez finali- zada la síntesis de las subunidades, son transportadas al citoplasma donde se unirán a ARN mensajero (ARN m) y ARN de transferencia (ARN t) durante la síntesis de proteínas (Figura 15). En la célula hay dos tipos de ribosomas, los libres que se encuentran dispersos en e l ci- toplasma y los unidos que se encuentran adheridos a la membrana externa del RER. El tipo y modo en que los ribosomas se disponen en una célula depende de la función que cum- plen las proteínas sintetizadas por ella. Aquella célula cuya función es secreto ra y que ex- porta proteínas hacia el exterior en forma de hormonas, mucus, enzimas digestivas o colá- geno poseen mayor número de ribosomas unidos (ver sistema de endomembranas) mien- tras que aquella célula que sintetiza proteínas para ser utilizadas dentro de l citoplasma como enzimas proteolíticas (ver proteosomas y lisosomas) o para ser insertadas en la membrana plasmática poseen mayor número de ribosomas libres. Hay que recordar que también se observan ribosomas en las mitocondrias, encargados de la síntesis de proteí- nas mitocondriales (Figura 10). FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 45  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Figura 15. Ribosoma y sus subunidades. Lisosomas Esta organela es un saco membranoso con enzimas hidrolíticas (proteínas) que la célula uti- liza para digerir distintos tipos de macromoléculas en unidades menores (Figura 3). Estas en- zimas son producidas por el RER y exportadas en vesículas al Aparato de Golgi donde conti- núan su procesamiento. Finalmente, las enzimas se empaquetan en membranas (llamados lisosomas) y se liberan del aparato de Golgi desde su cara trans al citosol por gemación (Ver RER y Aparato de Golgi) (Figura 11). Muchas células engloban partículas desde el exterior por endocitosis, la membrana plasmática genera extensiones de su membrana que engloban las partículas hacia el interior del citosol. Peroxisomas Los peroxisomas son organelas pequeñas de forma esféricas formadas por una mem- brana (Figura 3). Internamente poseen enzimas llamadas oxidasas cuya función es oxidar compuestos or- gánicos, es decir eliminar los átomos de hidrógenos de dichos compuestos. Un producto en general de esta reacción oxidativa es el peróxido de hidrógeno (H 2O2) que puede ser tóxico para la célula, pero estas estructuras también poseen otra enzima llamada catalasa que de- grada el peróxido. Todas estas reacciones ocurren dentro de la organela evitando efectos deletéreos a la célula. Las células del hígado poseen numerosos peroxisomas relacionados con su actividad desintoxicante. Proteosomas Si bien los lisosomas son los encargados de degradar proteínas provenientes del exterior, las células poseen otras organelas, los proteosomas con enzimas proteasas en su interior, encargadas de degradar proteínas (defectuosas o innecesarias) que provienen de la misma célula, en cadenas polipeptídicas más simples y finalmente en aminoácidos. Una célula posee varias de estas estructuras tanto en el citoplasma como en el núcleo (Figura 3). Citoesqueleto En el citoplasma de las células eucariotas se observan una serie de organelas envueltas en membranas que realizan funciones específicas, pero también, se puede visualizar una red FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 46  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) compleja de proteínas diferentes que conforman el llamado citoesqueleto. Este le confiere a la célula soporte mecánico, mantiene su forma, así como permite el anclaje de muchas de las organelas y la movilidad de las mismas o de otras sustancias dentro de la célula. Esta estructu- ra es muy dinámica, las proteínas que conforman las fibras pueden desacoplarse y volver a unirse en posiciones diferentes modificando la forma de la célula. El citoesqueleto está formado por 3 tipos diferentes de fibras proteicas: Los microfilamen- tos, los microtúbulos y los filamentos intermedios (Figura 16). Sintéticamente, podemos decir que el citoesqueleto se encuentra comprometido en las si- guientes funciones: Forma de la célula: En las células sin pared celular como es el caso de la célula eucariota animal los filamentos intermedios determinan la forma de las mismas. Movimiento de la célula: los microtúbulos y los microfilamentos mediante una dinámica de aco- ple y desacople de las proteínas que los conforman, permiten el desplazamiento y movimiento de la célula. Esta red de fibras se organiza, en estructuras llamadas cilios, flagelos o células contrácti- les como se observan en la tráquea, espermatozoides o células musculares respectivamente. Movimientos de las organelas: Los microtúbulos y microfilamentos también intervienen co- mo guías en el movimiento de las organelas, por ejemplo, en el traslado de vesículas del RE al Aparato de Golgi, de allí a la membrana plasmática y luego por Exocitosis, al exterior celular. Los microtúbulos también intervienen en la división celular conformando estructuras llama- das centríolos y huso acromático o mitótico. Figura 16. Estructura del citoesqueleto, microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios. Adaptada de: https://slideplayer.es/slide/8698003/25/images/3/CITOESQUELETO.jpg FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 47  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Microtúbulos Los microtúbulos se encuentran en todas las células eucariotas, formados por proteínas globulares llamadas tubulinas que consta de dos subunidades polipeptídicas (α y βtubulina) enrolladas sobre si misma conformando túbulos huecos (Figura 16). Estos túbulos pueden desensamblarse y reconstruirse nuevamente en otro lugar de la célu- la. Como dijimos anteriormente estos microtúbulos participan en la forma de la célula, en el soporte mecánico (resistencia a la comprensión) permiten el movimiento de organelas y sus- tancias, así como también, participan en la división celular. Los microtúbulos participan también en la a organización de los cilios y flagelos. Estas es- tructuras permiten el desplazamiento de ciertas células en el medio o, en el caso de células fijas, el movimiento de partículas sobre su superficie como es el caso de células ciliadas de la tráquea y el trasporte de moco hacia el exterior. Los cilios y los flagelos están formados por 9 dobletes (o pares) de microtúbulos dispuestos en forma de anillo y dos microtúbulos centrales. Cada doblete se une al vecino mediante bra- zos de proteínas (dineína). Estos brazos, al desacoplarse permiten el movimiento de inclinación de los cilios y flagelos. Estas estructuras, están rodeadas por expansiones de la membrana plasmática y protruyen hacia el exterior. Provienen de un cuerpo basal formado por nueve tri- pletes de microtúbulos inmerso en el citoplasma, que a su vez deriva del centríolo. El flagelo posee un movimiento ondulante y propulsa a la célula en la dirección de su eje. Los ci- lios (siempre se observan juntos y son más cortos) posee un movimiento hacia adelante y atrás y desplazan a la célula en dirección perpendicular al eje del mismo (Figura 17 y Figura 18). Se denomina centrosoma a una región cercana al núcleo, se lo considera un centro organi- zador de microtúbulos. En las células, se ubican en esta región los centríolos. Antes que una célula entre en el proceso de división, estos centríolos se replican y migran hacia los polos opuestos de la misma. A partir de ellos se organizará el huso acromático, que permitirá el anclaje de los cromosomas durante la división celular. Figura 17. Movimiento de los cilios Figura 18. Movimiento del flagelo. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 48  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Los centríolos son estructuras cilíndricas, formadas por nueve tripletes de microtúbulos, se ubican en el citoplasma de las células eucariota animales, se observan dos por célula dispues- tos con orientación perpendicular entre ellos, participan en la división celular y en el movimiento celular (Figura 19). El huso acromático es una estructura constituida por microtúbulos que se extienden de un lado a otro lado de la célula. Comienzan a ensamblarse durante la división celular y luego al finalizar el proceso se desensamblan. Figura 19. Estructura y disposición de los centriolos. Microfilamentos Estas fibras están formadas por una molécula de actina (proteína globular) conformada por dos subunidades y enrolladas sobre sí misma. A diferencia de los microtúbulos los microfila- mentos son resistentes a la tensión o a las fuerzas de tracción. Los microfilamentos conforman una red tridimensional por debajo de la membrana plasmática confiriéndole al citoplasma una apariencia de gel (Figura 16). Estas fibras son muy evidentes en las células musculares donde se asocian a otra proteína motora (miosina) permitiendo el movimiento de contracción. Durante los movimientos ameboi- deos de ciertas células (glóbulos blancos), los microfilamentos por contracción, aumentan la presión interna en la célula y consecuentemente el desplazamiento de parte del citoplasma hacia un extremo de la misma, generando expansiones llamadas pseudópodos. Los filamentos de actina se debilitan en ese extremo para permitir la expansión. Filamentos intermedios Estas fibras se caracterizan, a diferencia de los microtúbulos y microfilamentos que se reor- ganizan permanentemente, por mantenerse inalterados dentro de la célula aún después de la FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 49  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) muerte de la misma. Su composición proteica no es definida, sino que puede variar según la función de la célula, aunque siempre dentro de la familia proteica que incluye a la queratina. Sus funciones principales son reforzar la forma de la célula y anclar las organelas y el nú- cleo. También encontramos filamentos intermedios en la lámina interna de la envoltura nuclear (lámina nuclear) o reforzando los axones de las células nerviosas (Figura 16). A continuación, y a modo de síntesis, se organizan las estructuras detalladas en este apar- tado, agrupadas según la función general que cumplen en las células: Función general: manufactura Núcleo Síntesis de ADN; ensamblado de subunidades ribosómicas. Ribosomas Síntesis de proteínas. Retículo Endoplasmático Rugoso Síntesis de proteínas de membrana, proteínas de secreción y en- zimas hidrolíticas Síntesis de lípidos; metabolismo de carbohidratos; detoxificación en Retículo Endoplasmático Liso las células del hígado, almacenamiento de iones. Aparato de Golgi Modificación, almacenamiento temporal y transporte de macromolé- culas; formación de vesículas de transporte. Función general: degradación Lisosomas Digestión de nutrientes, bacterias y organelas dañadas. Peroxisomas Diversos procesos metabólicos, incluyendo la degradación del peró- xido de hidrógeno. Vesículas Digestión (similar a los lisosomas); almacenamiento de sustancias químicas; alargamiento celular; equilibrio de agua. Función general: procesamiento de la energía Mitocondrias Transformación de la energía química del alimento en energía quími- ca contenida en las moléculas de ATP. Función general: sostén, movimiento y comunicación entre células Membrana plasmática Aísla el medio intracelular del extracelular, regula el intercambio de sustancias, participa en la comunicación. Citoesqueleto Participa en el sostenimiento de la forma, sostén y movimiento celular. Participa en la adhesión entre células y en el desarrollo de tejidos y Cubierta celular o Glucocalix órganos, controlando la diferenciación celular, la morfogénesis, la migración de células y el metabolismo. Adaptado de Campbell y Reece (2007). FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 50  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Núcleo celular El núcleo celular es una estructura típica de las células eucariotas y también la de mayor tamaño (5µm de diámetro), ocupando aproximadamente el 10% del volumen total de la mis- ma. La mayoría de las células somáticas poseen un solo núcleo, aunque células como los glóbulos rojos lo pierden durante su madurez y otras como las fibras musculares esqueléticas poseen varios (Figura 3). El núcleo se encuentra separado del citoplasma por una doble membrana conformada cada una de ellas por una doble capa de fosfolípidos y separadas por un espacio peri nuclear de unos 20 a 40 nm, a la cual se la denomina envoltura nuclear o membrana nuclear. Ambas capas son perforadas a intervalos por los poros nucleares, revestidos por proteínas constitu- yendo el complejo del poro nuclear. Por los poros circulan mediante transporte pasivo, entre el núcleo y el citoplasma y viceversa, moléculas solubles y pequeñas, iones y agua y por trans- porte activo, mediante un cambio conformacional del complejo del poro nuclear, moléculas grandes como ARN, proteínas y pre-subunidades de ribosomas. Unida al interior de la envoltura nuclear se encuentra un enrejado de filamentos intermedios que recubre todo el núcleo salvo en las zonas de los poros llamada lámina nuclear. La lámina nuclear cumple un papel fundamental en la desorganización y organización de la envoltura nuclear durante la división celular (Figura 20). Internamente el núcleo está formado por una red fibrilar proteica que contribuye a la com- partimentalización y organización de las estructuras nucleares, llamada cariolinfa, nucleo- plasma, o jugo nuclear. Dentro del núcleo hay uno o más cuerpos esféricos llamados nucleolos donde se sinteti- za el ARN ribosomal (a partir de información contenida en el ADN) que se une a proteínas ribosómicas específicas provenientes del citoplasma para constituir las subunidades mayor y menor de los ribosomas (Figura 15). Una vez conformadas estas, se dirigen desde el núcleo hacia el citoplasma donde ambas subunidades se ensamblan para dar inicio al proceso de traducción (ver ribosomas). Dentro del núcleo también se encuentra la cromatina conformada por moléculas de ADN, (material genético encargado de controlar las funciones hereditarias) y la expresión de pro- teínas que conforman componentes estructurales, regulan los movimientos de materiales dentro de la célula, o constituyen enzimas que participan en reacciones químicas. Durante la división celular la cromatina se condensa y conforma los cromosomas que en los seres hu- manos son 46 en las células somáticas organizados en pares homólogos y 23 individuales en las células sexuales. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 51  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Figura 20. Núcleo celular estructura y componentes Ciclo celular ¿Cómo se reproducen las células? Se llama ciclo celular al proceso comprendido por un conjunto de fases o etapas que se lle- van a cabo de manera consecutiva y se desarrollan entre dos divisiones celulares. Comprende dos fases principales la Interfase y Fase M (división celular) (Figura 21). En la Interfase es un período de intensa actividad biosintética, en el cual la célula no se di- vide, comprende tres fases: G1, S y G2. La letra G obedece a la palabra Gap (vocablo inglés espacio, hendidura, separación) y la letra S a la palabra síntesis. Durante toda la Interfase el material genético se observa en forma de cromatina. El proceso relevante de esta etapa del ciclo celular está representado por la duplicación, autorreplicación o síntesis del ADN. En la fase M o de división se pueden observar dos posibles procesos mutuamente exclu- yentes Mitosis o Meiosis. El material genético duplicado en la fase S de la Interfase, se con- densa formando los cromosomas, estos representan el material hereditario y serán repartidos entre las células que se originen al finalizar la división. Esta etapa comprende la división tanto del núcleo y como del citoplasma. En la Interfase, como se mencionó, pueden reconocerse tres etapas llamadas G1, S y G2 (mencionadas según la secuencia de ocurrencia). Es importante aclarar que cuando una célula inicia esta etapa, recién se ha originado por división de una célula predecesora. En otras pala- bras, aún no cuenta con la forma ni tamaño definitivo según la información genética que posee. 1.-Fase G1: esta fase es proporcionalmente la más prolongada. Aquí la célula aumenta en tamaño y número de organelas, comienzan los procesos de biosíntesis de ARN y proteínas, aumenta el tamaño celular y empieza a diferenciarse, acorde a su función final. 2.-Fase S: en esta fase se lleva a cabo la duplicación del material genético, es decir la sín- tesis del ADN, inicia también la duplicación de los centríolos, formados por elementos del ci- toesqueleto (Figura 16) llamados microtúbulos. La duplicación de los centríolos finaliza cuando se duplica totalmente el ADN. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 52  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) 3.-Fase G2: en esta fase la célula alcanza su tamaño definitivo. Es alta la síntesis de una proteína llamada tubulina, proceso vinculado principalmente con la finalización de la duplica- ción de los centríolos y con la síntesis del material necesario para conformar el huso mitótico. Figura 21. Etapas del ciclo celular en secuencia temporal considerando la división mitótica. División o fase M: podemos identificar dos tipos de división Mitosis o Meiosis, estos dos procesos son excluyentes entre sí. El material hereditario (cromatina) presente en el núcleo se observa condensado formando cromosomas. Estas divisiones comprenden acontecimientos nucleares, acontecimientos citoplasmáticos, y la citocinesis. La división celular es el proceso por el cual el material hereditario se reparte en una nueva generación de células. La mayoría de las células eucariotas de los seres humanos poseen dos copias de cada cromosoma, que provienen cada una de uno de los progenito- res. Cada pareja cromosómica se denomina par homólogo y los miembros de un mismo par poseen (con restricciones) la misma morfología e información. Al número básico de cromo- somas se lo define como número haploide o n, y al conjunto de pares de cromosomas se lo conoce como diploide o 2n. El número diploide de cromosomas es una característica espe- cífica, en el caso de los seres humanos el número diploide es 46 también mencionado co- mo 23 pares homólogos de cromosomas. A continuación, mencionaremos las características principales de cada una de las divisiones celulares mencionadas, haciendo hincapié tanto en aquellos procesos de ocurrencia común como en aquellos que permiten su diferenciación. Mitosis: como ya se mencionó, en la etapa S se duplica el material hereditario (Figura 21), al condensarse la cromatina conformando los cromosomas, se observa que cada cro- mosoma se ha duplicado, es decir, en cada uno de los cromosomas se observan dos cro- mátidas hermanas provenientes de la duplicación anterior (Figura 21). Durante la Mitosis FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 53  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) las cromátidas hermanas se separan de tal manera que, como resultado final, cada célula origina dos nuevas células genéticamente idénticas en cantidad de información a la célula predecesora. Incluye una duplicación de ADN y una división celular. Produce dos células con el número diploide de cromosomas a partir de una única célula original también diploi- de. Se reconocen en el proceso cuatro etapas generales denominadas en secuencia Profa- se, Metafase, Anafase y Telofase (Figura 22). Etapas de la mitosis Profase: Se produce la condensación de la cromatina. Los cromosomas se presentan como estructuras visibles formadas por dos cromátidas hermanas unidas entre sí por una región cromosómica llamada centrómero o constricción primaria. Se desorganizan la envoltu- ra nuclear y el nucleolo. Se forma el huso mitótico (constituido por microtúbulos) a partir de los centrosomas (orgánu- los sin membrana) que funciona como centro organizador de microtúbulos. De los centrosomas también surgen microtúbulos cortos con disposición radial conformando el áster. Los centríolos migran hacia los polos de la célula y se ubican en el centro de cada centrosoma. Metafase: Los cromosomas (con su par de cromátidas) se asocian a las fibras del huso a través de sus centrómeros y de esta manera se ubican en la región ecuatorial de la célula for- mado la placa metafásica. Anafase: Los centrómeros se separan, separándose también las cromátides hermanas de cada par. Cada una de las cromáticas constituye un cromosoma individual que migra hacia cada uno de los polos de la célula a través de la asociación de las fibras del huso con los cen- trómeros de los cromosomas. Telofase: los cromosomas se ubican en los polos de la célula. El huso mitótico se desorga- niza, se forma la envoltura nuclear rodeando en cada polo al juego diploide de cromosomas, estos a su vez inician el proceso de descondensación, reaparecen los nucléolos. Finalmente, a través de un proceso conocido como citocinesis se divide el citoplasma en las dos nuevas células conformadas. Es importante destacar que mediante este proceso se originan las células necesarias para la conformación de órganos y tejidos en seres humanos. La división mitótica es importante particularmente en procesos de crecimiento, reparación de tejidos y órganos, cicatrización entre otros, es decir en la formación de células somáticas. Figura 22. Etapas de la mitosis. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 54  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Meiosis: de igual manera que en la mitosis el material hereditario se duplicó en la etapa S y en cada cromosoma se observan las cromátidas hermanas. En este proceso a cada duplica- ción del ADN le suceden dos divisiones celulares consecutivas que se denominan Meiosis I y Meiosis II. En la Meiosis I se reconocen como etapas la Profase I, Metafase I, Anafase I, Telo- fase I y Citocinesis, y en la Meiosis II se reconocen la Profase II, Metafase II, Anafase II y Telo- fase II y Citocinesis. Como resultado del proceso completo a partir de una célula original diploi- de o 2n se originan cuatro células haploides o n. Como consecuencia de esta disminución en el número de cromosomas suele denominarse a la Meiosis I división reduccional y a la Meiosis II división ecuacional (Figura 24). Meiosis I En la profase I (Meiosis I) podemos reconocer una nueva secuenciación de procesos con nuevas denominaciones. Lo relevante vincula específicamente con la información hereditaria, presente en esta etapa como cromosomas (cromatina condensada). En primer lugar, a diferen- cia de lo que ocurre en la mitosis los cromosomas homólogos se aparean (sinapsis). Cuando esta sinapsis es completa los cromosomas se ven como hebras gruesas y se produce inter- cambio de fragmentos (material genético) entre cromátides homólogas (no hermanas). Este intercambio se conoce como entrecruzamiento o Crossing-over (Figura 23). En este estado cada cromosoma se encuentra conformado por las dos cromátides herma- nas y a su vez apareado con su homólogo. Se observan entonces estructuras formadas por un haz de cuatro cromátides a las cuales se denomina tétradas, se evidencian los puntos de unión y entrecruzamiento quiasma, y luego se separan los cromosomas homólogos, cada uno con su cromátide recombinada. (Figura 23). Se desorganiza la envoltura nuclear, el nucleolo y se forma el huso acromático. Todos los procesos mencionados ocurren en esta primera etapa. Figura 23: Formación de tétradas y quiasmas durante la Profase I de la Meiosis. En Metafase I los cromosomas se posicionan en el ecuador, cada cromosoma con su ho- mólogo, se disponen de a pares de homólogos, para luego migrar a los polos. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 55  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) En Anafase I se inicia la migración a los polos de la célula. Como característica menciona- remos que cada uno de los cromosomas del par homólogo se separa (segrega) y migra hacia los polos, aleatoriamente de los otros pares, a uno de los polos celulares. En Telofase los pares de cromosomas homólogos completan su migración hacia los polos. Se organiza la envoltura nuclear, el nucléolo y comienzan a desorganizarse el huso acromático. Finalizando esta etapa ocurre la citocinesis, consiste en la separación física del citoplasma, se forma un anillo que producirá la separación de dos células hijas por estrangulación del cito- plasma (Figura 24 A y Figura 25). Meiosis II En profase II destacamos que, a causa de la segregación ocurrida en Anafase I, los cromosomas de cada célula se observan completamente condensados y en número haploi- de, para en Metafase II disponerse en el ecuador uniendo sus centrómeros al huso. Poste- riormente y ya en Anafase II se inicia la migración hacia los polos, pero esta vez quienes se separan o segregan son las cromátides hermanas de cada uno de los cromosomas ho- mólogos. En Telofase II las cromátides hermanas se ubican en los polos de la célula. El huso acromático se desorganiza, inician el proceso de descondensación, se forma la envol- tura nuclear, reaparecen los nucléolos. Finalmente, a través de un proceso conocido como citocinesis se divide el citoplasma en las dos nuevas células conformadas (Figura 24 B y Figura 25). Figura 24. A) Esquema que representa las etapas de la Meiosis I. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 56  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Figura 24 B) Esquema que representa las etapas de la Meiosis II. Figura 25: Síntesis de las etapas de la Meiosis I y Meiosis II. A continuación, se presentan las características de cada una de las divisiones celulares descriptas de modo comparativo entre los dos procesos. Se destacan las particularidades y significados de cada uno de los tipos de división que ocurren en seres humanos. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 57  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Cuadro comparativo entre la división celular Mitótica y Meiótica Mitosis Meiosis Ocurre en células somáticas diploides. Ocurre en células germinales diploides. Se originan dos células diploides, somáticas. Se originan cuatro células haploides, gametas o células sexuales. No ocurren procesos similares. En Profase I ocurre el crossing over (entrecruza- miento de cromátidas no hermanas de cromosomas homólogos). En Anafase segregan cromátides hermanas. En Anafase I segregan cromosomas homólogos y en Anafase II cromátides hermanas. Es un proceso conservador, la variabilidad se pro- Es un proceso que aumenta variabilidad, a través duce solo en función de las posibles mutaciones. del entrecruzamiento y de la segregación aleatoria de cromosomas homólogos y cromátides hermanas. Gametogénesis La gametogénesis es un proceso mediante el cual se forman las células sexuales o gametas, en los seres humanos se denomina espermatogénesis y ovogénesis, y ocurren en las gónadas (testículos y ovarios respectivamente), siendo acontecimientos muy diferentes. En el caso de la ovogénesis, al momento del nacimiento el organismo cuenta con los ovocitos inmaduros (aproxi- madamente dos millones) producidos por los ovarios durante la etapa fetal del desarrollo. Desde el nacimiento hasta la pubertad varios de ellos se eliminan de manera que aproximadamente unos 350 a 450 ovocitos primarios, quedan disponibles. Durante lo que se conoce como vida fértil, en cada ciclo menstrual estos ovocitos maduran y salen del ovario, una vez por mes, para formar un gameto maduro, así es que podemos decir que este proceso ocurre de manera cíclica. En la es- permatogénesis el proceso es continuo, no cíclico. La producción de espermatozoides comienza en la pubertad, y disminuye gradualmente a lo largo de la vida, pero no se interrumpe. Durante los primeros estadios de desarrollo embrionario, en los vertebrados, un grupo es- pecial de células se diferencian como células germinales primordiales, progenitoras de los gametos, que se dirigen hacia las gónadas testículos y ovarios en formación. Estas células se dividen por mitosis, proliferan mitóticamente y algunas de ellas inician la meiosis para formar luego células sexuales. Ovogénesis Las células germinales primordiales se dirigen hacia la gónada en formación, convirtiéndose en ovogonia. Son células diploides, que en la especie humana presentan 22 pares de cromoso- mas somáticos o autosomas y un par de cromosomas sexuales XX (ver meiosis). Estas ovogo- nias proliferan, se dividen por mitosis en forma continua, hasta la diferenciación a ovocito prima- rio a partir del tercer mes de vida intrauterina. En este estadio cada ovocito primario inicia la meiosis I que, mediante mecanismos específicos detiene el proceso de división en profase I FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 58  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) meiótica por un largo periodo de tiempo (desde la gestación hasta la madurez sexual). Desde el nacimiento hasta la pubertad, de esos 2 millones de ovocitos primarios, solamente alcanzan la madurez 350 a 450, generalmente maduran uno por vez desde la menarca hasta la menopausia. La maduración del ovocito primario, ocurre bajo estimulación de hormonas durante la madu- rez sexual, comprende aumento de tamaño, con abundantes reservas alimenticias almacena- das, llevándose a cabo procesos metabólicos esenciales para esta etapa de desarrollo, se completa la meiosis I aproximadamente un lapso antes de la ovocitación (ovulación), dando como resultado un ovocito secundario, que presenta 22 cromosomas somáticos o autosomas y un cromosoma sexual X, grande (precursor del óvulo) y un primer cuerpo polar pequeño que se destruye antes o después de la segunda división meiótica. En la ovocitación cada ovocito secundario es liberado del ovario, donde entra en meiosis II, esta división se completa si hay fecundación, el ovocito secundario es estimulado para completar la divi- sión y transformarse en óvulo completándose la meiosis y comenzando el desarrollo embrionario. Si no hay fecundación el ovocito secundario comienza a dividirse, el cuerpo polar también puede divi- dirse, pero el proceso se detiene en metafase II y luego las células degeneran y se destruyen. Los ovocitos I se desarrollan cerca de la superficie del ovario, dentro del folículo primordial: con- junto de células especializadas que lo rodean, que aportan nutrientes y estrógenos (hormona sexual femenina). A medida que los ovocitos van madurando, los folículos crecen y maduran: folículos secundarios, durante la ovocitación el ovocito II se libera del folículo maduro y las células foliculares sin su ovocito dan lugar al cuerpo lúteo, que secreta principalmente progesterona (hormona sexual femenina). Si no ocurre la fecundación el cuerpo lúteo es reabsorbido en dos o tres semanas y si hay fecundación persiste aportando hormonas durante el embarazo (Figura 26 y Figura 27). Ovogénesis Figura 26: Esquema del ovario identificando los tipos celulares de la ovogénesis. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 59  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Figura 27: Ovogénesis, esquema explicativo Espermatogénesis Los testículos presentan una estructura lobular, en otras palabras, se encuentran subdividi- dos en lóbulos (aproximadamente entre 200 a 250). Cada lóbulo está formado por tubos enro- llados, denominados túbulos seminíferos, los cuales presentan dos tipos celulares muy caracte- rísticos, las células espermatogénicas, encargadas de la producción de los espermatozoides, y que atraviesan por varios estadios de diferenciación y las células de Sertoli encargadas de la FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 60  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) nutrición y maduración de los mismos. Entre los túbulos seminíferos se encuentran las células intersticiales o de Leydig, que por estimulación hormonal (Luteinizante, LH) secretan la testos- terona u hormona sexual masculina. La producción de espermatozoides comienza a partir de la pubertad, no cesa, sino que declina con el tiempo. Las células germinales primordiales se convierten en espermatogonias, que recubren la membrana basal del túbulo, son células diploides, que en la especie humana presentan 22 pares de cromosomas somáticos o autosomales y un par de cromosomas sexuales XY. Se dividen por mitosis para originar nuevas espermatogonias, algunas permanecen indiferencia- das, mientras que otras se alejan de la membrana basal para diferenciarse en espermatoci- tos primarios. Cada espermatocito primario inicia la división meiótica I, formando esperma- tocitos secundarios, cada uno de los cuales, en la especie humana, presenta 22 cromoso- mas somáticos o autosomas y un cromosoma sexual (X o Y). Cada espermatocito secundario inicia la meiosis II produciendo espermátidas. Las espermátidas son células haploides, es decir contienen la mitad del número cromosómico de la especie, en el caso de la especie humana 23 cromosomas. Cada espermátida inicia un proceso de diferenciación, a través del cual desde una célula simple indiferenciada se obtiene otra altamente diferenciada, un espermatozoide. Se observa en este tipo celular el acrosoma, que contiene enzimas que permitirán la penetración en el óvu- lo, el núcleo altamente condensado, mitocondrias que aportarán energía, un par de centríolos, uno de los cuales actúa como cuerpo basal del flagelo o cola del espermatozoide, que por con- siguiente le permitirá el desplazamiento (Figura 28 y Figura 29). Figura 28. Esquema del testículo identificando los tipos celulares de la espermatogénesis. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 61  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Figura 29. Espermatogénesis, esquema explicativo. Agradecimientos Agradecemos a Edgardo Gustavo Mastrandrea su acompañamiento incondicional en la pro- ducción y diseño de las imágenes que ilustran este capítulo. FACULTAD DE PSICOLOGÍA | UNLP 62  ASPECTOS BIOLÓGICOS DE LA COMPLEJIDAD HUMANA – ALFREDO VILCHES Y TERESA LEGARRALDE (COORDINADORES) Bibliografía Alberts, B.; Johnson, A.; Lewis, J.; Raff, M.; Roberts, K.; Walter, P. (2016) Biología molecular de la célula. Sexta edición. Ediciones Omega S.A. Barcelona. Audesirk, G.; Audesirk, T. y Byers, B. (2016). Biología. La vida en la tierra con fisiología. Novena Edición. Editorial Pearson Educación de México, S.A. de C.V, 969 pp. Ciudad de México, México Campbell, N. y Reece, J. (2007). Biología. Séptima edición. Panamericana Madrid, España. 1231 pp. Curtis, H., Barnes, N.; Schnek, A. y Massarini, A. (2011). Biología. 7ma edición, Editorial Médi- ca Panamericana. 1160 p. Buenos Aires, Argentina. Fowler, S., R. Roush y J. Wise (2017). 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