Introduccion a la Biologia Celular Humana PDF

Introducción a la Biología celular humana La introducción a la Biología celular humana” se enfoca al análisis celular básico de las poblaciones que constituyen un organismo humano. El cuerpo humano es una organización biológica extraordinariamente compleja, es un macrosistema de alto redimiendo. Aun...

Introducción a la Biología celular humana La introducción a la Biología celular humana” se enfoca al análisis celular básico de las poblaciones que constituyen un organismo humano. El cuerpo humano es una organización biológica extraordinariamente compleja, es un macrosistema de alto redimiendo. Aunque funciona como un todo, el intentar su entendimiento requiere realizar una disección de sus principales componentes, siendo las células sus principales elementos constitutivos. Las células son las unidades estructurales, se calcula que un organismo humano de 70 kilogramos está conformado de aproximadamente 1 x 1013-14 células (10-100 trillones). Las células son unidades microscópicas que miden de 7 a 30 micrómeros (micras) y son agrupadas generalmente en conjuntos celulares denominados tejidos, los cuales a su vez se organizan junto con otros componentes extracelulares y conforman los 8 distintos tejidos y órganos de nuestro cuerpo. El cuerpo humano contiene más de trescientos tipos de células, organizados en tejidos y órganos. A pesar de esta numerosa población de células que conforman un organismo humano, todas ellas trabajan coordinadamente para mantener y preservar la vida saludable. Para ello, los distintos conjuntos celulares o tejidos se encuentran ordenados estructural y funcionalmente para responder a los cambios intrínsecos celulares programados por su reloj biológico, y/o a los cambios extrínsecos provocados por factores microambientales y macroambientales, y con ello mantienen el equilibrio integral del cuerpo humano u homeostasis. La vida de un organismo eucariota complejo como el organismo humano, se encuentra supeditado a la vida biológica de las células que lo conforman. Una célula contiene los elementos biológicos necesarios para los requerimientos universales de la vida, reproducirse, funcionar, envejecer y morir, a través de la coordinación y funcionamiento de sus conjuntos moleculares. Por ello el entendimiento de su biología permite acercarse a la comprensión de la biología de los organismos complejos multicelulares. En las células se pueden distinguir dos grandes características o rasgos: su morfología o forma y su funcionamiento o fisiología. Ambas características se denominan fenotipos, morfológico y funcional, respectivamente; cada uno de ellos es actualmente entendido a través de cambios biomoleculares. Por ello, por ejemplo, la salud o las diferentes enfermedades en la actualidad, se entienden como cambios subcelulares y/o moleculares que suceden en las células que constituyen un tejido u órgano. Actualmente nos encontramos muy cerca de entender prácticamente todos los eventos moleculares en ambas condiciones y cerca de poder iniciar estrategias intervencionistas a esos niveles, que permitan aumentar la salud o corregir muchas de las principales enfermedades. Figura 1.2 Niveles de organización tisular y molecular empleando como eje de referencia a la célula. Un organismo multicelular se encuentra estructurado por tejidos, órganos y sistemas/aparatos. En la imagen se ilustra al tejido muscular, un epitelio y el órgano del corazón; y cada uno de ellos por células. Una célula está constituida por organelos y suborganelos, la figura muestra el núcleo, la mitocondria y el retículo endoplásmico. A su vez todos los organelos y suborganelos están constituidos por complejos biomoleculares que funcionan a partir de reacciones bioquímicas; en la figura se esquematiza una cadena de DNA, una proteína y tres fosfolípidos. Las células sencillas y las complejas. Los organismos clasificados de acuerdo a su complejidad celular La palabra célula deriva del latín cellula, que significa cuarto pequeño.Theodor Schwannen 1839, propuso que todos los organismos están constituidos por una o más células y que la célula es la unidad estructural de la vida. Rudolf Virchow en 1855, postuló que las células sólo pueden originarse por división de una célula preexistente (omnis cellula ex cellula). Las células son unidades biológicas complejas y altamente organizadas. Cada uno de los 300 tipos de células que conforman el organismo humano presenta comportamientos biológicos especializados relacionados a su forma, ubicación y predominio de organelos, patrones de expresión génica, receptores y vías de señalamientos moleculares y de la organización de respuestas. La forma de las diferentes células ha sido adoptada para facilitar su función específica, así por ejemplo las células epiteliales que recubren el intestino (enterocitos), contienen microvellosidades en la porción intraluminal del intestino, con lo cual se facilita la absorción de nutrimientos. Cada una de las diferentes células poseen un programa genómico (genes,epigenómico (nivel de expresión de su expresión secundario a las influenciasexternas) y proteómico (síntesis de proteínas como respuesta). Los genes además de contener la información codificada de todas las funciones biológicas, contienen las instrucciones y esquemas de regulación para llevar a cabo todos los procesos celulares esenciales y especializados de la célula. Las células son capaces de reproducirse, de obtener y utilizar energía, de realizar actividades mecánicas, de reaccionar ante estímulos externos, de autorregularse y de evolucionar; todo ello a partir de realizar multitud de transformaciones químicas diferentes. La identificación de los mecanismos que controlan el funcionamiento celular y la forma de las diferentes células, son algunos de los logros más grandes de la biología en las últimas décadas. Las células sencillas y las complejas Existen dos principales tipos de células, las sencillas (procariotas) y las complejas (eucariotas), las cuales se diferencian por su tamaño y tipos de organelos y suborganelos. Las células procariotas incluyen a las bacterias; las células eucariotas incluyen a los protistas, hongos, plantas y animales; las primeras se presentan en la naturaleza como organismos unicelulares, y las eucariotas, frecuentemente como organismos multicelulares complejos. Las células procariotas y eucariotas presentan semejanzas y diferencias (Cuadro 1). Entre las principales semejanzas son que los dos tipos celulares se encuentran limitados por membranas, su información genética está constituida por el ácido desoxiribonucleico (DNA) mediante códigos idénticos, y comparten mecanismos similares para la transcripción del ácido ribonucleico (RNA), de síntesis de proteínas (traducción), así como comparten rutas metabólicas básicas. Las principales diferencias entre ambos tipos de células, es que las células eucariotas son más complejas en estructura y función que las procariotas. En las procariotas el material genético se agrupa en una región que no está bien limitada, en cambio en las eucariotas se ubica en un núcleo envuelto por una membrana nuclear. Esta gran diferencia en la estructura nuclear es la base para su denominación: eucariota (eu, verdadero; karyon, núcleo), y procariota (pro ,antes; karyon, núcleo). Las células procariotas contienen menores cantidades de DNA (las bacterias contienen 600,000 a 8 millones de nucleótidos en su DNA, son capaces de codificar 500 a varios miles de proteínas) y pueden contener DNA extracromosomal, llamados plásmidos; las células eucariotas contienen decenas de millones de nucleótidos en su DNA, los cuales pueden codificar a muchos miles de proteínas. Las células eucariotas organizan su genoma en una larga cadena de DNA, en un determinado conjunto separado, denominado cromosoma (15 a 30 pares). El DNA cromosómico se empaqueta estrechamente con complejos de proteínas repetitivas denominados nucleosomas; a todo este material nucleoproteínico se conoce como cromatina. Las células procariotas contienen solo un cromosoma circular único, y su DNA no se une con el mismo tipo de proteínas. El citoplasma de los dos tipos de células es muy diferente, las células eucariotas tienen una disposición de organelos limitados por membrana, incluyen mitocondrias (contiene DNA extracromosómico), retículo endoplásmico, aparato de Golgi, principalmente. En cambio, el citoplasma de las células procariotas se encuentra libre de estructuras membranosas. Las células eucariotas contienen también estructuras no membranosas dentro del citoplasma, como microtubulos y microfilamentos del citoesqueleto, los cuales participan en la contractilidad celular, movimiento y soporte, en cambio las procariotas poseen un citoesqueleto más simple. Ambos tipos de células contienen partículas no membranosas denominadas ribosomas, en donde se ensamblan las proteínas, pero tienen diferentes tamaños. Las células eucariotas se dividen a través de un proceso complejo de mitosis, en el cual los cromosomas se duplican, condensan y son separados por un sistema de microtúbulos (huso mitótico), en cambio en las procariotas no hay compactación de los cromosomas ni huso mitótico. Las células de tipo eucariota tienen mayor capacidad metabólica, requieren gran variedad de compuestos orgánicos y poseen diversos mecanismos de locomoción compleja, mientras que en los procariotas son relativamente sencillos. Las células procariotas aparecieron en la Tierra hace aproximadamente 4 mil millones de años. Se han identificado aproximadamente 6000 especies de célula sprocariotas. La mayor parte de los hábitats sobre la Tierra están saturados de vida procariota. La cantidad total de carbono de las células procariotas en la superficie de la Tierra es comparable a la cantidad de toda la vida del mundo vegetal. Por su parte, las células eucariotas surgieron hace 2 mil millones de años, probablemente producto de la simbiosis de varias células procariotas (teoría endosimbiótica). Aunque se pueden presentar como organismos unicelulares como los protozoos (Vorticella) o levaduras (Saccharomyces cerevisiae), su evolución ha tendido hacia la formación de los organismos multicelulares, constituyen a las plantas, animales, hongos, protozoos y algas; y son cerca de 100 a 1000 veces más voluminosas que las procariotas. En estos organismos multi- o megacelulares, diferentes tipos celulares especializados efectúan distintas actividades. Un organismo multicelular puede contener un gran número de células diferentes y especializadas, como las células musculares o los de la piel, las cuales son diferentes en apariencia y función, más genéticamente son idénticas. Las células especializadas se forman por un proceso conocido como diferenciación celular, que consiste en la expresión génica selectivamente, para conducir a la síntesis y activación específica de proteínas y organelos y con ello modular los procesos celulares básicos y especializados y finalmente producir un fenotipo celular particular. Este proceso se lleva a cabo a partir de las células stem somáticas durante el desarrollo embrionario, y posteriormente durante toda la vida del organismo, En el inicio del desarrollo del ser humano, una célula totipotente origina tres tipos de células stem multipotentes: ectodérmicas, endodérmicas y mesodérmicas, las cuales por diferenciación celular generaran las diversas células somáticas terminalmente diferenciadas. Como resultado de la diferenciación, los más de 300 tipos celulares que conforman a un organismo pluricelular complejo adquieren una apariencia y funciones particulares. Los organismos pluricelulares complejos como los animales y plantas guardan semejanzas estrechas a nivel celular y molecular con los organismos pluricelulares más pequeños y simples. La mayor parte de las células eucariotas poseen un núcleo y dentro de éste, dos copias de la totalidad de los genes.  Cuadro 1: diferencias y semejanzas entre células Procariota y Eucariota Figura 1: esquema de las células Los procesos celulares fundamentales de las células complejas. Homeostasis. El término de homeostasis en un organismo significa mantener estable sus constantes fisiológicas (temperatura, pH, presión arterial,etc), por medio del funcionamiento normal de sus sistemas y aparatos biológicos. Las constantes fisiológicas o el mantenimiento del ambiente interno son conservados a través del funcionamiento normal de los tejidos, y estos a su vez de las principales células que los constituyen; aún en condiciones de cambios externos (temperaturas extremas, lesiones traumáticas) e internos (dolor, infección) que perturben la homeostasis. La célula es la unidad básica estructural y funcional del cuerpo humano. Más de 100 billones de células, forman los diversos tejidos y órganos, los cuales a su vez constituyen aparatos y sistemas que integran el cuerpo humano. El funcionamiento de nuestro organismo es la resultante del funcionamiento coordinado de todo ese universo pluricelular. Para la homeostasis del cuerpo humano, se requiere la regulación de una gran cantidad de complejas interacciones biológicas para mantener el balance dentro de un rango normal de variaciones dinámicas Algunos de los sistemas homeostáticos más evidentes en el cuerpo humano son la regulación de la temperatura corporal, el balance energético, la regulación de la presión arterial, el equilibro ácido base, el volumen intra/extracelular, la oxigenación celular, la coagulación, el ritmo circadiano, etc. (Figura 3.1). Particularmente el funcionamiento homeostático de los diferentes aparatos, sistemas, órganos y tejidos está relacionado con la presencia de una suficiente masa crítica de células terminalmente diferenciadas y funcionalmente eficientes en cada tejido u órgano. Los procesos celulares fundamentales más evidentes que realizan todas las células eucariotas son reproducción, renovación y control del crecimiento, nutrición y metabolismo, respuesta a estímulos, diferenciación, comunicación e interacciones con otras células, adhesión y movilidad, envejecimiento y muerte programada (Figura 3.2). Otros procesos celulares fundamentales menos evidentes son el funcionamiento de programas genómicos, de sistemas de autoregulación y sobrevivencia, de los mecanismos de organización intracelular de organelos, de mecanismos de reparación del daño, de evolución, de señalización celular y de transducción de señales intracelulares, de especialización morfo/funcional, de mecanismos de tolerancia al daño, etc. Prácticamente todos estos procesos celulares se llevan a cabo simultáneamente en cada una de las células vivas. Figura 3.1: Funciones celulares Figura 3.2 Principales funciones que realizan las diferentes células eucariotas en los organismos multicelulares. Sistemas megacelulares. La estructuración de tejidos y órganos. Los tejidos corresponden a un nivel intermedio organizacional entre las células y los organismos completos. Un tejido corresponde al ensamblaje de células del mismo origen, no necesariamente idénticas, que realizan una función específica. Los órganos están formados por diferentes tejidos, los cuales realizan funciones particulares en beneficio del funcionamiento integral del organismo (Figura 4). Figura 4: organización del cuerpo humano El estudio de los tejidos se conoce como histología, y su relación con la enfermedad, histopatología. La herramienta clásica para analizar los tejidos son los estudios histopatológicos, que consisten en fijar los tejidos, colocarlos en un bloque/cubo de parafina, realizar cortes micrométricos, teñirlos con colorantes y observarlos con el microscopio óptico (Figura 5.1). En las últimas décadas el estudio histopatológico clásico ha sido enriquecido por algunas variantes como el estudio de cortes de tejidos congelados, técnicas de inmunohistoquímica, y el estudio de cortes de tejido con el microscopio electrónico, que han aumentado el detalle o resolución observada en los tejidos. Con estas herramientas, la morfología e identificación molecular de algunos componentes celulares puede ser examinada en los estados de salud y enfermedad, permitiendo aumentar la eficiencia del diagnóstico clínico y la identificación de biomarcadores de pronóstico. Los tejidos animales pueden ser agrupados en cuatro tipos básicos: conectivo, muscular, nervioso y epitelial. Los tejidos epiteliales están formados por células que cubren la superficie externa (función protectora) de todo el organismo o de diferentes órganos en sus porciones intraluminales que mantienen contacto con el ambiente externo, como la piel, conductos aéreos, tracto urinario, reproductivo y digestivo. Las células epiteliales en los animales son derivados del ectodermo y del endodermo, mientras que las células endoteliales derivan del mesodermo. Los epitelios contienen una o varias capas formando una barrera permeable selectiva y se encuentran separados de otros tejidos por medio de una estructura laminar de la matriz extracelular (ECM), denominada lámina basal (Karp, 2010). Los tejidos conectivos generalmente están constituidos por la matriz extracelular, junto con células inmersas en ésta, y estructuran el esqueleto extracelular para darle forma y sostén a los diversos tejidos, ejemplos de ello son los tejidos óseo y cartilaginoso. El tejido muscular corresponde a un tejido contráctil, cuya función es el movimiento y locomoción del organismo o el movimiento de órganos internos; el tejido muscular presenta tres categorías: músculo esquelético, músculo liso o visceral y músculo cardiaco. Finalmente, el tejido nervioso comprende al tejido del sistema nervioso central y el sistema nervioso periférico, su principal función es la integración y transmisión de los mensajes. Los tejidos vegetales están organizados en tres tipos principales: el tejido epidérmico, el tejido vascular (xilema y floema), y el tejido de mantenimiento (células menos diferenciadas que permiten el crecimiento. Figura 5.1 Esquema de los diferentes estratos de los tegumentos (piel y anexos ), tejidos celular subcutáneo Figura 5.2 Esquema de los diferentes estratos vistos al miscroscopio. La exploración de las células La morfología y los compartimientos intracelulares pueden ser observados con el apoyo de diversos tipos de microscopios. Éstos, incluyen principalmente el microscopio óptico, el microscopio electrónico de transmisión, el microscopio electrónico de barrido, el microscopio de fluorescencia y el microscopio con focal. El microscópico óptico (MO) Figura 6 ,contiene dos sistemas de lentes, el del objetivo y el del ocular, y una fuente de luz. La amplificación útil de este microscopio es de 500 a 1000 veces, y su límite de resolución es de 0.2 m o 200 nm, que es suficiente para observar organelos celulares grandes como los núcleos y las mitocondrias. Los tejidos que se examinan con el MO, deben fijarse (formaldehído), colocarse en un material solidificable (parafina), cortarse en rebanadas (microtomo) y teñirse(frecuentemente hematoxilina y eosina). Mediante el MO podemos observar frotis celulares o rebanadas de tejidos de 2-4 m de grosor, pero como éstos son semitranslúcidos, se requiere teñirlos con algún colorante. La evaluación de las rebanadas de fragmentos de tejidos obtenidos se puede emplear para diagnóstico médico, el cual es un procedimiento rutinario que se denomina genéricamente estudio histopatológico. El microscopio de contraste de fase hace más visibles tejidos transparentes. Algunos MO se integran con accesorios como videocámaras y procesadores de imágenes. El uso de videocámaras, imágenes electrónicas y procesamiento por computadora ha permitido en las últimas décadas el desarrollo del microscopio con focal de barrido láser, por el cual se obtienen imágenes de múltiples cortes submicrométricos de las rebanadas de 2-4 m de grosor. Existen dos principales tipos de microscopios electrónicos (MEs), el de transmisión y el de barrido. Los ME de transmisión forman imágenes con los electrones que se transmiten a través de una muestra, mientras que los MEs de barrido utilizan electrones que rebotan en la superficie de la muestra. Las imágenes examinadas con los diferentes tipos de ME pueden ser amplificadas hasta más de 200,000 veces. Los cortes de tejido para ser examinados en el ME de transmisión también son procesados como sucede con el MO, se emplea un fijador de tejidos (glutaraldehído y tetraóxido de osmio), se coloca en un material solidificable (resinas epóxicas), se cortan en rebanadas de 0.1 m (ultramicrotomo) y se tiñen (soluciones de metales pesados); una alternativa para no fijar los tejidos es congelarlos con rapidez o criofijarlos, y se pueden fraccionar mediante criofractura. Por medio del ME de transmisión se examina la estructura interna de las células, mientras que con el ME de barrido se examina las superficies de las células. El microscopio de fuerza atómica es un instrumento de barrido de alta resolución empleado en nanotecnología y biología molecular para observar estructuras nanométricas. Figura 6: el miscrosopio y sus partes. Cultivo celular. La clonación de las células a partir del cultivo de células fuera de un organismo es uno de los logros técnicos más valiosos en el estudio de la Biología Celular. La mayoría de los cultivos permiten crecer un solo tipo de células, y a partir de ellos se pueden obtener en grandes cantidades de células. Al contar con grandes cantidades de tipos específicos de células se pueden estudiar in vitro, muchas de sus funciones. Las células eucariotas requieren para su crecimiento in vitro una gran variedad de nutrimentos, hormonas, factores de crecimiento y cofactores; y a fin de prevenir la contaminación bacteriana, se deben tomar medidas estrictas para mantener condiciones estériles en el cultivo. Las células cultivadas en los laboratorios, pueden ser obtenidas directamente de los tejidos de un organismo o de células previamente clonadas, cuyas características genéticas generalmente les permiten crecer por tiempo indefinido (células inmortales como las cancerosas), a este tipo de células se les conocen como líneas celulares. Muchas de las líneas celulares humanas suelen derivarse de tumores humanos o de células transformadas por virus o por substancias carcinógenas. Los sistemas de cultivo convencionales se denominan bidimensionales2D, por que las células crecen sobre una superficie plana o una caja de cultivo, sin embargo, en los últimos años se pueden cultivar las células con sistemas tridimensionales-3D, los cuales contienen condiciones parecidas a las estructuras naturales de sus tejidos, como p.e. condiciones de vecindad con la matriz extracelular. Biología molecular La biología molecular es la rama de la biología que estudia las bases moleculares de la actividad biológica. En este campo se superponen las áreas de la bioquímica y de la genética, y se refiere principalmente al entendimiento de las interacciones del DNA, RNA , la biosíntesis, el funcionamiento e interrelaciones de las proteínas, y su regulación. La biología molecular analiza clásicamente los procesos de replicación, transcripción y traducción; y más recientemente también las áreas de proteómica y de las redes de señalización moleculares que controlan los diversos procesos celulares. La mayor cantidad de indicadores en los estudios con biología molecular son cuantitativos, por lo que en la última década su análisis es realizado mediante software computacionales específicos. Esta área de la ciencia de la computación en interfase con la biología molecular se denomina bioinfomática. De manera similar la interfase de la biología molecular con los aspectos físicos, se denomina biofísica. Técnicas empleadas en los estudios de biología molecular Diversos procedimientos y tecnologías son actualmente utilizados en los estudios de biología molécula. La medicina molecular y las terapias génicas, investiga moléculas dirigidas a blancos moleculares participantes de las enfermedades. La purificación, fraccionamiento, hibridación y síntesis de ácidos nucleícos. Figura 7: Hibridación in situ Test VPH Membrana celular, organelos y suborganelos Parecido a lo sucede en el cuerpo humano que contiene muchos órganos diferentes, los cuales realizan diferentes funciones, la célula contiene pequeños órganos llamados organelos (figura 8) que realizan las diferentes funciones celulares relacionadas entre sí, y con la membrana plasmática. Las células procariotas contienen primitivos organelos o pro- organelos, mientras que las eucariotas contienen eu-organelos, los cuales son generalmente más complejos y sus compartimientos se limitan por una o dos membranas. Existen diversos organelos en la célula eucariota, algunos de ellos son únicos, como el núcleo y el aparato de Golgi, y otros pueden ser muy numerosos (cientos a miles) como las mitocondrias, perioxisomas y lisosomas. El citosol es la matriz citoplásmica donde se encuentran inmersos la mayoría de los organelos. El citoplasma de la célula está envuelto por una membrana, adicionalmente en las células vegetales y en la mayoría de las procariotas se encuentra cubierta por una pared. La membrana celular sirve para separar y proteger a la célula del ambiente que la rodea y está constituida predominantemente por una capa doble de fosfolípidos. Dentro de esta doble capa de lípidos, se insertan una gran variedad de proteínas que actúan como canales y bombas para movilizar diferentes moléculas hacia dentro y fuera de la célula. La membrana celular es semipermeable a la mayoría de las substancias que viajan a través de ella. Además, también contiene proteínas que funcionan como receptores, por medio de los cuales las células detectan señales moleculares externas como hormonas Las membranas celulares o plasmáticas están constituidas por una bicapa de lípidos y complejos multiproteícos que participan en funciones específicas. Cada capa de lípidos contiene en su espesor millones de moléculas de distribución vertical constituidas por cadenas de ácidos grasos (hidrófobos) en su porción interna transmembranal y grupos polares como fosfatos o azúcares (hidrófilos); estas moléculas por contener doble grupo químico funcional, se denominan anfipáticas. Las proteínas de la membrana son globulares, forman pequeñas unidades moleculares funcionales, y por su ubicación en la membrana, pueden ser integrales o ancladas a la membrana. Muchas proteínas integrales tienen sitios en su superficie externa o interna que actúan con ligandos extracelulares o con proteínas intracitoplásmicas vecinas a la membrana (p.e. citoesqueleto). Este conjunto de proteínas interviene en las vías de traducción de señales intracitoplasmáticas La membrana plasmática es una barrera con permeabilidad selectiva al paso de solutos, a través de mecanismos como difusión simple por la bicapa lipídica o por difusión facilitada y transporte activo a través de conductos constituidos por complejos proteicos especializados (Figura 8 ). Los pequeños solutos como el 02, CO2 y el H2O, junto con solutos con alta solubilidad en lípidos penetran con facilidad la capa; en cambio los iones y solutos orgánicos polares como azúcares y aminoácidos, requieren ser conducidos por transportadores proteínicos especiales para entrar o salir de la célula. El agua se desplaza a través de la membrana celular por cambios de concentración del soluto o presión osmótica. La difusión facilitada o el transporte activo implican que las proteínas integrales de la membrana reciban una señal externa, se combinen de manera específica con el soluto a transportar (cambio conformacional de la proteína), requieren aporte de energía para su activación, y movilizan iones y solutos contra un gradiente de concentración. El sistema fisiológico celular de transporte activo del gradiente electroquímico mantiene en las células nerviosas y musculares un potencial de reposo de -70mV (interior negativo) que, en condiciones de activación, correspondiente a la fase de despolarización cambia en fracciones de segundo a +40mV (entra sodio al interior) (Alberts et al., 2008). Algunas proteínas de la membrana celular funcionan como receptores para señales externas a ligandos específicos o como muestrario de material bioquímico estructural propio o extraño, formando complejos antígeno-receptor). Dentro de este último grupo, se encuentran las moléculas del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC), las cuales transportan y presentan fragmentos de proteínas propias o extrañas en la superficie de una célula a los linfocitos, que son células vigilantes pertenecientes al sistema inmunológico, los que distinguen entre lo propio y lo ajeno. (Sistema de inmunidad o defensas) El núcleo celular (solo en eucariotas) es un centro de información y control de la mayoría de las funciones celulares; es el organelo mas sobresaliente, alberga al DNA, cromosomas y cromatina, y participa en la replicación del DNA y en la transcripción del RNA (copia efectora del DNA). El núcleo es esférico y está separado del citoplasma por una membrana de doble capa denominada envoltura nuclear, la cual aísla y protege al DNA de moléculas que lo podrían dañar accidentalmente o interferir en su mecanismo de acción fisiológica. Durante su funcionamiento, el DNA es transcrito o copiado para constituir el RNA mensajero (mRNA). Este mRNA es luego transportado fuera del núcleo, donde es traducido en una molécula de proteína específica. El nucléolo es una región especializada dentro del núcleo donde son ensambladas las subunidades de los ribosomas. En las células procariotas el funcionamiento integral del DNA se lleva a cabo en el citoplasma. El núcleo de una célula eucariota es una estructura compleja limitada por la envoltura nuclear, que controla el intercambio de materiales entre el núcleo y el citoplasma, particularmente por complejos de proteínas localizados en los poros nucleares. Generalmente las proteínas que residen en el núcleo contienen un grupo de aminoácidos denominados señales de localización nuclear; el transporte de las moléculas a través de la membrana nuclear corresponde a un proceso especializado de difusión facilitada (Karp, 2011) Las mitocondrias y cloroplastos solo se encuentran en células eucariotas, y funcionan como generadores de energía bioquímica. Las mitocondrias son organelos grandes, formados por una membrana externa porosa y una membrana interna muy impermeable, formada por pliegues que contienen la maquinaria molecular de la respiración aeróbica. Las mitocondrias son organelos que pueden autoreplicarse, y se presentan en números y tamaños diferentes. La mitocondria es el centro del metabolismo oxidativo en la célula y convierte los productos del catabolismo de carbohidratos, grasas y proteínas en unidades de energía química almacenada en ATP. El retículo endoplásmico (ER) (solo en eucariotas) corresponde a una red de conductos, cisternas y vesículas cerca del núcleo, en la cual diferentes moléculas son sintetizadas, modificadas o marcadas bioquímicamente para indicar su destino y su actividad biológica. El ER presenta dos compartimientos, ER-rugoso, que contiene ribosomas en su superficie y secreta proteínas hacia el citoplasma, y el ER liso, el cual carece de ribosomas y participa en la retención y liberación del ión calcio La mayor parte de los lípidos de las membranas celulares son también sintetizados en la cara citosólica del ER. El aparato de Golgi (solo en eucariotas) corresponde a una segunda red de conductos vecinos al ER y cercana a la membrana citoplasmática, que funciona empaquetando las macromoléculas como proteínas y lípidos para ser secretados por las células. El aparato de Golgi es como una oficina postal; reciben las proteínas del ER, las empaquetan, las marcan para luego enviarlas a su destino (diferentes subcompartimientos intracelulares o a la membrana para ser transportados fuera de ella). Entre el ER y el aparto de Golgi se mantiene un flujo semi-constante de proteínas a través de vesículas cubiertas con señales de direccionamiento a diferentes compartimientos, entre los cuales pueden ser al núcleo, a las mitocondrias y a los lisosomas (Karp, 2011). Las vesículas que se desprenden de un compartimiento donador poseen secuencias de proteínas específicas en su membrana que son reconocidas en el compartimiento receptor. Los lisosomas son organelos que contienen hidrolasas ácidas capaces de degradar cualquier tipo de macromolécula biológica. Pueden degradar bacterias y detritos quellegan a la célula por fagocitosis u organelos citoplásmicos viejos o deteriorados, mediante un proceso llamado autofagia. También pueden digerir macromoléculas extracelulares obtenidas por fagocitosis y endocitosis mediada por receptores de la membrana celular. El citoesqueleto actúa para estructurar y mantener la forma de la célula, ancla los organelos y ayuda a colocar a las macromoléculas en sus compartimientos, interactúa amplia e íntimamente con la membrana celular, participa en los procesos de endocitosis tomando los materiales externos, participa en la citocinesis o separación de las células al terminar la división celular, y en la movilidad celular. El citoesqueleto eucariótico está compuesto por proteínas organizadas en microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulo. Existen una gran cantidad de proteínas asociadas a éstos, que controlan su estructura al direccionar, alinear y agrupar los filamentos. Dan sostén y estructura y además participan en el transporte intracelular, y forman el huso mitótico. Algunas células eucariontas presentan cilios, los cuales se componen de un conjunto de microtúbulos. Los cilios participan en la locomoción celular Los ribosomas son unidades compuestas por dos subunidades que actúan como unidades de ensamblaje para sintetizar proteínas a partir de sus unidades los aminoácidos. Los ribosomas son unidades complejas de RNA y proteínas, los cuales se pueden encontrar flotando libremente en el citosol o mantenerse unidos a la membrana del ER o a la membrana citoplásmica (en procariotas). Centrosomas (solo en eucariotas). El centrosoma corresponde a un centro organizador del huso mitótico; cada centrosoma está compuesto por dos centriolos que organizan el huso mitótico a través de la polimerización de microtúbulos y permiten la división celular simétrica o asimétrica. Las vacuolas engloban alimentos o deshechos celulares, son observadas como espacios llenos de material soluble rodeado de membrana endoplásmica. Las vacuolas de las células eucariotas son generalmente de mayor tamaño en las células vegetales. Algunas células presentan estructuras no membranosas por fuera de la membrana citoplásmica, las cuales generalmente le otorgan funciones de protección. Muchos tipos de células procariotas y eucariotas presentan pared celular, la cual las protege de cambios mecánicos y químicos ambientales. La pared celular está constituida predominantemente en las células vegetales de pectina, en las células fúngicas de quitina y en las bacterias de peptidoglicanos. Por otra parte, las bacterias pueden presentar además de membrana citoplásmica y pared, una cápsula gelatinosa constituida por polisacáridos, polipéptidos, y/o ácido hialurónico. Los flagelos son organelos empleados en la movilidad celular comúnmente encontrados en células bacterianas, aunque ocasionalmente en células animales. Los pilis son delgados filamentos externos responsables del anclaje de las bacterias en receptores de células animales y están involucrados en el proceso de la conjunción (pilis sexuales) Figura 8: Modelo de una célula humana, donde se muestran sus principales organelos La matriz extracelular (ECM) corresponde a la parte inmediatamente externa ubicada en la vecindad de cada una de las células, en la que se identifican dos elementos, el medio intersticial contiguo denominado matriz intersticial y el medio intersticial menos cercano que incluye proteínas fibrosas del tejido conectivo, la membrana basal y otros múltiples componentes del tejido conectivo (Figura 9.1). Diferentes geles de polisacáridos y algunas proteínas fibrosas llenan el espacio intersticial y actúan como amortiguadores mecánicos y bioquímicos. Muchos conjuntos de fibras elásticas y algunos tipos de fibras colágenas conforman un esqueleto extracelular, que aloja el tejido conectivo compuesto por proteoglicanos, glicoproteínas, diferentes proteínas fibrosas y diferentes células como fibroblastos, macrófagos, capilares, terminaciones nerviosas, etc. Las células contenidas en las ECM conducen el crecimiento y la reparación tisular. En la reparación del daño tisular y en la ingeniería tisular, la ECM participa en la modulación de la respuesta inmunológica para que ante el daño tisular no se produzca una respuesta de inflamación severa, y facilita que las células vecinas reparen el daño del tejido en lugar de formar tejido cicatricial. Figura 9.1 Esquema de la matriz extracelular de un tejido conectivo. Organización estructural del genoma dentro del núcleo Existen dos diferentes clases de material genético, el ácido desoxiribonucleico (DNA)y el ácido ribonucleico (RNA). Todas las células utilizan al DNA para conservar su información (algunos virus utilizan el RNA). La información biológica contenida en un organismo es codificada por la secuencia del DNA. Los diferentes tipos de RNA son empleados como transcriptores de la información genética (RNA mensajero), como activadores estructurales enzimáticos (RNA ribosomal), o como transportadores de aminoácidos durante la síntesis de proteínas (RNA de transferencia). La larga molécula lineal del material genético de las células eucariotas se organiza en cromatina y cromosomas, los cuales se ubican dentro del núcleo. La cromatina es un complejo macromolecular constituido por DNA, proteínas y RNA, cuya función principal es empaquetar el DNA en pequeños volúmenes, sus proteínas más abundantes son las histonas; ésta puede mantenerse como heterocromatina (más compacta) o eucromatina (menos compacta). Un cromosoma es una fracción de la cromatina en una estructura muy condensada. Por ejemplo la célula humana contiene 23 pares de cromosomas, de ellos 22 corresponden a autosomas y uno corresponde a un par sexual Los genes son segmentos específicos de DNA de miles de nucleótidos, y funcionan como unidades informacionales (de herencia) para codificar la biosíntesis de proteínas específicas. En promedio, un cromosoma es portador de aproximadamente 1000 genes. Los genes permanecen unidos dentro de los cromosomas, y actúan como si estuvieran ligados o interconectados en pequeños grupos. Cada gen se encuentra ubicado en diferente cromosoma (haploide) y la célula contiene un número doble de cromosomas (diploide), correspondiente a dos copias del mismo gen (alelos) Los alelos que controlan un rasgo fenotípico permanente dependen de la relación del alelo dominante y el alelo recesivo. Reproducción y renovación celulares. EL ciclo celular La división celular implica que una célula original (denominada célula madre o célula stem), se divida en dos células descendientes (células hijas). En los organismos multicelulares, la división o crecimiento celular sucede en los tejidos. Las células procariotas se dividen por fisión binaria, mientras que las células eucariotas lo realizan a través de mitosis. Las células eucariotas somáticas en general contienen doble copia de información genética (diploide), mientras que las células eucariotas germinales (gametos) contienen solo una copia de material genético (haploide), y se dividen por el proceso denominado meiosis. Los gametos de dos organismos eucariotas complejos se fusionan en la reproducción sexual (fecundación) para formar una célula stem diploide que por medio de los procesos de división celular y diferenciación conduce a la construcción de un organismo eucariota complejo teracelular (1012-15 células). Las células eucariotas pueden o no reproducirse, en general la mayoría de ellas lo hace y esto es extraordinariamente activo durante el desarrollo embrionario y en la fase de crecimiento de los organismos mega/teracelulares. El proceso de división celular requiere diferentes momentos o fases para su realización, y este proceso puede ser repetitivo o cíclico. Esto ha implicado identificar las fases secuenciales progresivas por las que transita una célula en un ciclo de reproducción o ciclo celular. En el ciclo celular se distinguen dos principales fases, la fase activa reproductiva o fase M (mitosis) y la fase menos activa activa denominada interfase. La interfase es mucho más larga en duración que la fase M y se subdivide en G1 o G0 (las células terminalmente diferenciadas se estacionan en esta fase). En G1 la célula crece y los organelos se duplican (quiescencia), en fase S (fase inicial preparatoria para la duplicación celular), donde se replica el DNA y las proteínas, y la fase G2 que corresponde al periodo siguiente a la S, y previo al inicio de la mitosis. La mitosis se divide en profase, metafase, anafase y telofase; en la profase se forman los cromosomas, durante la metafase los cromosomas individuales se unen con los microtúbulos del huso, en el anafase, las cromátidas hermanas (porciones longitudinales de los cromosomas) se separan y se desplazan hacia los polos para constituir los cromosomas de las células hijas (diploides), y en la telofase se restablece la envoltura nuclear y una serie de redes citoplásmicas membranosas. A diferencia de lo que suceden en la mitosis, la meiosis es un proceso de división celular, en el cual al final se obtienen cuatro células haploides, que contienen solo una cromátida de cada par de cromosomas homólogos (Alberts et al., 2008). Los mecanismos de regulación del ciclo celular están directamente relacionados con controles de retroalimentación de los procesos de replicación del DNA, compactación de cromosomas, duplicación de organelos y de complejos proteicos. Todos estos mecanismos regulan la decisión de duplicación celular en tres puntos principales de regulación del ciclo celular, el tiempo final de G1 e inicio de S, en G2/M y en metafase (control en la mitosis), esto, por la acción de señales intrascelulares y su ejecución mediante un balance estricto de moléculas activadoras e inhibidoras. Al finalizar la mitosis, los núcleos de las células hijas reciben una cantidad de material genético íntegro diploide. Referencias 1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K and Walter P. Molecular biology of the cell. 5th ed. Garland Science. New York; 2008; p1-1268. 2. Angeli E, Buzio R, Firpo G, Magrassi R, Mussi V, Respetto L, Valbusa U. Nanotechnology applications in medicine. Tumori 2008;94:206-215. 3. Bernstein BE, Meissner A, Lander ES. The mammalian epigenome. Cell 2007;128:669- 681. 4. Hancock JT. Cell signaling. 3th ed.Oxford University Press Inc. New York; 2010; p1-334. 5. Karp G. Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments. 6 th Ed. New York: John Wiley & Sons Inc, 2010; p-1-765. 6. Lodish H, Berk A, Kaiser C, Krieger M, Scott MP, Bretscher A, Ploegh H, Matsudaira P. Molecular cell biology.6 th Ed. New York: W.H. Freeman & Co, 2008; p-1-1050. 7-Biologia Celular Y Molecular De Robertis 16°ed A4 Color 8-Histología Texto Y Atlas Color Ross Romrell Kaye