ESTRUCTURA Y FUNCIONES DE LA CLULA HUMANA PRIMERA

ESTRUCTURA Y FUNCIONES DE LA CÉLULA HUMANA

PRIMERA PARTE Definición de célula humana Partes fundamentales Composición físico-química

La célula es la unidad básica estructural y funcional del cuerpo humano. Más de 100 billones de células, formando tejidos y órganos, que a su vez se constituyen en aparatos y sistemas integran el cuerpo humano El funcionamiento de nuestro organismo es la resultante del funcionamiento de todo ese universo pluricelular

Aunque los numerosos y variados tipos de células humanas difieren entre si, muestran un grupo de características morfológicas, físico-químicas y funcionales comunes. Por ejemplo, todas constan de dos partes fundamentales: núcleo y citoplasma

Núcleo y Citoplasma

Todas presentan una cubierta que delimita los confines del citoplasma: la membrana celular. Todas tienen una cubierta que rodea al núcleo, separándolo del citoplasma: la membrana nuclear En el citoplasma existen múltiples estructuras llamadas organelos, responsables de diferentes funciones.

Todas presentan un liquido en su interior (liquido intracelular) con características y composición semejante. Todas tienen una serie de funciones comunes a todo tipo celular, aunque dependiendo del tipo de especialización que hayan alcanzado, algunas tendrán más desarrolladas algunas funciones que otras. A continuación exponemos algunas de las funciones celulares más comunes.

FUNCIONES CELULARES: EXCITABILIDAD (IRRITABILIDAD): Capacidad de responder de determinada manera ante un estímulo dado. CONDUCTIVIDAD: Capacidad de transmitir o conducir determinados tipos de señales a otras células. CONTRACTILIDAD: Facultad de reducir sus dimensiones y producir algún tipo de trabajo mecánico o posibilitar movimientos y/o desplazamientos. ASIMILACIÓN: Función mediante la cual la célula incorpora sustancias diversas para mantener sus procesos vitales. EXCRECIÓN: Función mediante la cual la célula elimina de su interior sustancias de desecho producto de su metabolismo. SECRECIÓN: Actividad mediante la cual la célula vierte al exterior un producto fabricado por ella el cual está destinado a cumplir determinada función en algún sitio del organismo. RESPIRACIÓN: Proceso mediante el cual la célula obtiene energía mediante reacciones del tipo oxidación-reducción. REPRODUCCIÓN: Función mediante la cual la mayor parte de todas las células se multiplican dando lugar a células hijas con las que se reparan las pérdidas eventuales de otras células que mueren.

Composición Físico-Químico de la Célula Las diferentes sustancias que componen la célula se denominan colectivamente protoplasma, el cual está compuesto fundamentalmente de cinco sustancias básicas: agua, electrólitos, proteínas, lípidos y carbohidratos.

AGUA: Es el medio líquido principal de la célula, que está presente en la mayoría de ellas, en una proporción entre el 70 y el 85%. En este medio hídrico intracelular están disueltas muchas sustancias químicas celulares, fundamentalmente iones, mientras que otras están en suspensión como partículas sólidas. Las reacciones químicas tienen lugar entre las sustancias químicas disueltas o en las superficies limitantes entre las partículas suspendidas o las membranas y el agua.

IONES. - Los iones más importantes del líquido intracelular son: potasio, magnesio, fosfato, sulfato, bicarbonato y pequeñas cantidades de sodio, cloruro y calcio. Los iones proporcionan las sustancias químicas inorgánicas para muchas reacciones químicas, además son imprescindibles para muchas funciones de la membrana celular, como por ej. , el sodio y el potasio en las células nerviosas, para la generación de excitación y transmisión de impulsos nerviosos.

PROTEINAS. - Son las sustancias más abundantes(10 -20%) en la célula. Son de dos tipos: proteínas estructurales, que son de estructura fibrilar y las proteínas enzimáticas, de estructura globular. Las primeras contribuyen a dar forma, solidez y consistencia a los distintos organelos intracelulares y a la célula mísma, las segundas son catalizadores biológicos que hacen posible los millares de reacciones bioquímicas que se desarrollan constantemente dentro de la célula (metabolismo celular)

LIPIDOS. - Son un grupo de sustancias insolubles en agua entre los que se destacan los fosfolípidos y el colesterol, que representan en conjunto un 2% de la masa celular. Estos lípidos tienen importancia crucial en la constitución de las membranas celulares, así como para servir de sustratos para la obtención de otras sustancias imprescindibles para la vida celular. Otros lípidos como los ácidos grasos juegan un significativo papel como fuentes de energía (combustibles celulares) alternativas eficaces.

CARBOHIDRATOS. - Estas sustancias desempeñan escasa función estructural, salvo combinados en pequeñas proporciones a algunas proteínas (glicoproteínas) pero cumplen con un importante papel energético pues son, sobre todo la glucosa, la principal fuente energética (principal combustible) celular. La mayor parte de las células tienen un 1 -2% de carbohidratos, mayormente formando un polisacárido de almacenamiento (glucógeno). La glucosa es suministrada a la célula desde el líquido extracelular, a través de la membrana celular.

Segunda Parte Estructura física y funciones de: 1. La membrana celular 2. El núcleo celular

ESTRUCTURA FÍSICA DE LA CÉLULA La célula no es una bolsa microscópica de líquido, enzimas y sustancias químicas; contiene además estructuras físicas muy organizadas llamadas organelos que son las que desempeñan las distintas funciones de la célula. Entre esos organelos tenemos: membrana celular, núcleo celular, retículo endoplásmico, ribosomas, aparato de Golgi, lisosomas, peroxisomas y centríolos

Membrana celular Es un organelo de revestimiento de la célula que separa el medio extracelular del intracelular. Esta estructura es fundamental para el intercambio de sustancias con el líquido extracelular. Es una estructura delgada flexible y elástica con un grosor de 7. 5 a 10 nm. Está formada por proteínas y lípidos, básicamente, con muy poca cantidad de carbohidratos

Estructura de la membrana celular Está constituida por una doble capa de moléculas de fosfolípidos. A lo largo de esta lamina se intercalan grandes moléculas de proteínas constituyéndose un patrón de “ mosaico fluido”. Este patrón se repite en toda la extensión de la membrana. Los fosfolípidos son moléculas que tienen un polo hidrófobo y otro hidrosoluble y se orientan de forma que los polos hidrófilos de cada capa miran hacia las superficies extra e intracelular, quedando los polos hidrófobos, de ambas capas , enfrentados unos a los otros. Las cabezas hidrófilas de los fosfolípidos están formadas por sustancias tales como radicales fosfato, colina, etanolamina, presentando cargas eléctricas y las colas hidrófobas de cada molécula de fosfolípido están formadas por dos moléculas de ácidos grasos.

Barrera lipídica de la membrana La bicapa de fosfolípidos es una barrera impermeable al agua y sustancias hidrosolubles, dejando pasar a través de si sustancias liposolubles

Proteínas de la membrana Las proteínas de la membrana forman bloques que atraviesan, muchos de ellos, la doble capa de fosfolípidos. Un gran numero de estas proteínas tienen canales a través de los cuales pasan sustancias hidrosolubles. Muchas de estas proteínas están combinadas en su extremo extracelular a cadenas de carbohidratos (glicoproteínas)

Características de la membrana celular vista al M/E El aspecto es uniformemente característico. Consiste en una zona clara intermedia de 3, 5 nm y otras dos capas obscuras de 2 nm (electrón densas) situadas hacia las superficies extra e intracelular. A esta disposición se le denominó unidad de membrana.

Aspecto a la microscopia electrónica de las membranas celulares de dos células vecinas de un mismo tejido.

Dos células cuyas membranas se observan una junto a la de la otra. Obsérvese el aspecto en tres capas de la unidad de membrana.

La zona clara central se corresponde con las colas de los fosfolípidos de la bicapa. Las otras dos capas obscuras corresponden a las cabezas hidrófilas de los fosfolípidos que fijan el osmio de la preparación microscópica

Estas cadenas de carbohidratos unidas a los extremos extracelulares de muchas proteínas de transmembrana, suelen ser muy numerosas y como se expreso ya, forman glucoproteínas que ”miran”, como “penachos” hacia el líquido extracelular formando una capa tenue, de aspecto filamentoso muy fina llamada Glucocaliz

Aspecto al M/E de la capa de Glucocaliz que como tenue capa de filamentos finos de cadenas de carbohidratos, libres en un extremo y fijas por el otro a proteínas de transmembrana, forman numerosas glucoproteínas de superficie en la membrana celular.

Funciones de la membrana celular Separa el medio extracelular (líquido extracelular) del intracelular. Permitir el paso selectivo de diferentes sustancias tales como: iones, nutrientes, macromoléculas, productos de secreción y de excreción. Tiene numerosas glicoproteínas y lipoproteínas de superficie inmersas en la doble capa lipídica que sirven de receptores a determinadas moléculas, que al interactuar con los mismos, desencadenan o inhiben respuestas que modulan el funcionamiento celular.

Mecanismos mediante los cuales atraviesan la membrana celular las diferentes sustancias Mecanismos pasivos de transporte de membrana Difusión simple no consumen energía Difusión facilitada celular Mecanismos activos de transporte de membrana Transporte activo consumen energía Pinocitosis celular (ATP) Fagocitosis

Mecanismos pasivos de transporte a través de la membrana celular Difusión simple: Las sustancias utilizan la energía propia del movimiento “browniano” de sus moléculas para introducirse entre las moléculas de la membrana celular. Las sustancias hidrosolubles lo hacen a través de poros y canales existentes en numerosas proteínas de transmembrana

Difusión simple (continuación) Las sustancias hidrosolubles utilizan canales hídricos, “labrados” a través de proteínas para disolverse en el agua y atravesar la membrana. La bicapa de fosfolípidos no le permite difundir entre sus moléculas.

Difusión simple (continuación) Las amplias y numerosas áreas de fosfolípidos, facilitan mucho la entrada de pequeñas moléculas liposolubles que “resbalan” entre las moléculas de fosfolípidos difundiendo al interior de la célula.

Difusión simple (Continuación) Este proceso depende del gradiente de concentración de la sustancia a difundir, efectuándose siempre, desde la zona donde más concentrada esta la sustancia hacia la zona donde menos lo esta.

DIFUSIÓN SIMPLE ANIMACIÓN QUE ILUSTRA EL TRANSPORTE PASIVO DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA CITOLASMÁTICA.

Difusión facilitada: Este mecanismo de transporte pasivo de las membranas, depende también y se desarrolla a partir de un gradiente de concentración de la sustancia en cuestión, pero requiere de la presencia de moléculas transportadoras de membranas que se encargan de introducir o sacar la sustancia a difundir ya que ésta de por si sola, no logra hacerlo sólo por el gradiente de concentración.

Difusión facilitada (continuación) La sustancia a transportar por este mecanismo se une a un sitio de la proteína transportadora. Esto origina un cambio de conformación en la molécula de esa proteína que es lo que “impulsa” a la sustancia a difundir (facilitación).

Difusión facilitada (continuación) Muchas sustancias utilizan este mecanismo de difusión para atravesar la membrana celular y entrar al interior de la célula, por ejemplo: glucosa, fructosa y muchos aminoácidos.

DIFUSIÓN FACILITADA ANIMACIÓN QUE ILUSTRA LA DIFUSIÓN FACILITADA DE UNA SUSTANCIA ATRAVÉS DE LA MEMBRANA CELULAR.

Transporte Activo: Este mecanismo garantiza el paso de moléculas a través de la membrana, aun en contra de gradientes de concentración y/o eléctrico, por tanto requerirá de gasto energético celular aportado por moléculas de ATP para vencer dichas fuerzas

Transporte activo (continuación) Para este mecanismo, la célula consta en su membrana con proteínas de trasporte activo. Estas presentan sitios específicos de unión, en su extremo extracelular y/o intracelular, para la sustancia(s) a transportar, pero necesitan de energía celular para poder efectuar el transporte contra gradientes de concentración, eléctricos o de ambos tipos a la vez.

Transporte activo (continuación) POR ESTE MECANISMO SE TRANSPORTAN ACTIVAMENTE Na+ Y K+ , IONES QUE MANTIENEN SUS CONCENTRACIONES INTRA Y EXTRACELULARES GRACIAS A LA ACTIVIDAD DE UNA PROTEÍNA ENZIMÁTICA DE TRANSPORTE ACTIVO LOCALIZADA A NIVEL DE LA MISMA MEMBRANA CELULAR. (VER LAS SIGUIENTES ANIMACIONES)

TRANSPORTE ACTIVO MECANISMO DE LA BOMBA DE SODIO-POTASIO Obsérvese como la proteína de transporte activo extrae 3 Na+ de la célula e introduce 2 K+ mediante cambios en su conformación, inducidos por la energía proporcionada por el ATP y los enlaces químicos con el Na+ y el K+.

TRANSPORTE ACTIVO LA BOMBA DE PROTONES Este es otro ej. de mecanismo de transporte activo, donde una proteína, mediante cambios conformacionales inducidos por la energía liberada por el ATP, es capaz de movilizar protones hidrógeno a través de la membrana, en contra de un gradiente de concentración y eléctrico.

TRANSPORTE ACTIVO COTRANSPORTE Y CONTRATRANSPORTE Estas son formas especiales, secundarias, de transporte activo de algunas células, donde una misma proteína de transporte introduce glucosa o un aminoácido en contra de un gradiente de concentración, utilizando la energía de los gradientes de concentración y eléctrico del Na+. En el contratransporte la misma proteína, por ej. , introduce Na+ y extrae Ca 2+ del interior celular. La bomba de Na+-K+ es la que garantiza el gradiente externo del Na+, que es la fuerza motriz de estos tipos de transporte, pudiendo entrar junto con el Na+ sustancias que, inclusive, tienen gradientes de concentración en su contra.

Pinocitosis: Este mecanismo de transporte es utilizado por la mayor parte de las células para introducir macromoléculas que debido a sus grandes dimensiones, no pueden pasar entre las moléculas que constituyen la membrana celular. Conjuntamente con el material introducido, penetran moléculas líquidas (H 2 O). Es también un mecanismo activo. En algunos casos, la sustancia se une previamente a receptores situados en el exterior de la membrana y esto desencadena la formación de la vesícula pinocítica, en estos casos el mecanismo recibe el nombre de pinocitosis mediada por receptores( receptores ver más adelante).

Pinocitosis (continuación) La macromolécula contacta y se une con receptores de membrana, desencadenándose un “hundimiento” progresivo de esa área de membrana celular unida a la molécula, hasta que resulta incluida ésta dentro de una vesícula pinocítica (a la derecha, microfotografía electrónica de vesícula pinocítica mediada por receptores). En el lado intracelular de la membrana de la vesícula existe una proteína contráctil ( clatrina ), que permite el hundimiento y cierre de la vesícula hacia el citoplasma. Obsérvese la clatrina en la macrofotografía electrónica de la derecha.

Fagocitosis: Este proceso de transporte de sustancias esta limitado a células tales como leucocitos y macrófagos que desempeñan funciones de defensa en el organismo y se denominan colectivamente fagocitos. Mediante la fagocitosis se engloban bacterias, virus y parásitos para su destrucción dentro de esas células.

Fagocitosis. (Continuación) El citoplasma y la membrana protruyen formando dos brazos que rodean al microorganismo o partícula cubriéndolo y encerándolo en una vacuola fagocítica (fagosoma) para su posterior destrucción.

Fagocitosis (Continuación) Fagocito englobando bacterias. A la izquierda microfotografía de barrido electrónico

Fagocitosis (Continuación) Se observan tres glóbulos rojos siendo fagocitados por un macrófago

ENDOCITOSIS Y EXOCITOSIS Bajo el término endocitosis se agrupan todos los mecanismos celulares que permiten la entrada de macromoléculas y material en partículas al interior celular, por tanto la pinocitosis, fagocitosis y pinocitosis mediada por receptores, son formas de endocitosis. La exocitosis, sería el proceso inverso.

Núcleo celular Es el organelo central de la célula que controla y dirige todas las funciones que ésta realiza. Podemos decir que es la “computadora biomolecular” de la célula. Generalmente es un organelo único por cada célula (excepto en las fibras musculares) que ocupa casi siempre una posición central en el citoplasma. Es de forma esférica u ovalada.

Nùcleo celular (continuación) El núcleo está rodeado por una doble cubierta membranosa, de estructura semejante a la de la membrana celular. Esta membrana nuclear presenta numerosos poros que comunican el interior del núcleo con el citoplasma.

Núcleo celular (continuación) El núcleo celular contiene en su interior: Ácidos Nucleicos y DNA (cromatina nuclear) RNA (nucleolo) Histonas Proteínas Enzimas

Núcleo celular (continuación) El DNA existe dentro del núcleo como una sustancia cromática (cromatina nuclear) dispersa que alterna con áreas más claras. El DNA (ácido – desoxirribonucleico ) es el material genético de la célula en el cual se encuentran “escritas” en un lenguaje molecular especial (código genético) las instrucciones en cuanto a la estructura y las funciones que la célula debe tener.

Núcleo celular (continuación) La cromatina se muestra dispersa en el núcleo de una célula que no se está multiplicando, pero cuando ésta se encuentra en multiplicación, se concentra empaquetándose en apretadas estructuras, como bastones, llamadas cromosomas que en la célula humana son 46 en total.

Núcleo celular (continuación) MICROFOTOGRAFÍA ELECTRÓNICA DEL NÚCLEO; SE OBSERVA EL NUCLEOLO ( N ) Y LA CROMATINA (FLECHA). Dentro del núcleo encontramos una estructura, generalmente única, redondeada, llamada nucleolo, constituida por RNA (ácido ribonucleico). El nucleolo es la “cantera” de RNA de donde se fabrican los tres tipos de moléculas de RNA funcionalmente importantes para la síntesis de proteínas celulares.

Núcleo celular (continuación) Tipos de RNA: RNA mensajero (RNAm): Son segmentos fibrilares de RNA que han transcripto el lenguaje molecular del DNA al lenguaje del RNA, para sintetizar proteínas en el citoplasma. RNA ribosomal: Constituye junto con numerosas proteínas los organelos llamados ribosomas. RNA de transferencia (RNAt): Son moléculas especiales de RNA que trasladan aminoácidos hacia los ribosomas, para la síntesis de proteínas.