Cómo están organizadas las células

Capítulo 5. Cómo están organizadas las células

• Existe una diversidad de tipos celulares en la naturaleza que, a pesar de sus diferencias, comparten procesos fundamentales como la obtención de nutrientes, la eliminación de residuos, la síntesis de materiales y la capacidad de movimiento y reproducción.
• Las células son las unidades básicas de la estructura y función biológicas, pudiendo variar en tamaño y forma, limitadas por la relación entre superficie y volumen, así como por la capacidad del núcleo para regular las actividades celulares.
• Las células eucarióticas poseen organelas internas que les permiten realizar sus funciones, estas pueden ser similares o idénticas en diferentes tipos celulares.
• Las células están rodeadas por una membrana celular que controla el paso de sustancias y protege su integridad estructural y funcional. Algunas células, como las de plantas, algas, hongos y procariotas, tienen además una pared celular propia.
• El núcleo de las células eucarióticas está separado del citoplasma por una envoltura nuclear y contiene el material genético, los cromosomas, que ayudan a regular las actividades celulares.
• El citoplasma es una solución acuosa concentrada que contiene enzimas, moléculas disueltas, iones y organelas (en el caso de células eucarióticas) que realizan funciones especializadas en la vida celular.
• El citoplasma eucariótico presenta un citoesqueleto compuesto por microtúbulos, filamentos de actina y filamentos intermedios, que proporcionan soporte, permiten el movimiento celular, fijan organelas y dirigen su tránsito.

Tamaño y forma celular

• Las células del cuerpo de plantas o animales suelen tener un diámetro de 10 a 30 micrómetros, limitado por la relación entre volumen y superficie.
• Esta relación es importante para el intercambio de sustancias vitales como oxígeno, dióxido de carbono, nutrientes y desechos a través de la membrana celular.
• Las células más activas metabólicamente necesitan intercambiar materiales más rápido, lo que se dificulta en células más grandes debido a su menor relación superficie-volumen.
• Se ilustra que dividir un volumen dado en unidades más pequeñas aumenta la relación superficie-volumen, lo que facilita el intercambio de materiales.
• Las células más pequeñas tienen una mayor relación de superficie a volumen y distancias más cortas para que los materiales viajen dentro de la célula.
• El tamaño de las células está limitado por la capacidad de su núcleo para regular procesos en células grandes y activas metabólicamente.
• Las células más pequeñas tienden a ser más activas metabólicamente, y su forma puede variar debido a factores como la existencia de paredes celulares, adhesión a otras células o superficies, y disposición de elementos estructurales internos como el citoesqueleto.

Organización subcelular

• Las células eucarióticas contienen una variedad de estructuras especializadas en forma y función, conocidas como organelas, que desempeñan actividades específicas necesarias para la economía celular.
• Al igual que los órganos en los organismos multicelulares trabajan en conjunto en sistemas de órganos, las organelas en las células realizan diversas funciones cooperativas e interdependientes.
• La evolución de los eucariotas marcó diferencias significativas con respecto a los procariotas. Mientras que en las células procarióticas todos los procesos ocurren en un único compartimiento delimitado por la membrana celular, en las eucariotas hay una separación espacial de funciones. El ADN se encuentra en el núcleo, mientras que en el citoplasma se localizan diversas organelas, como las mitocondrias y los cloroplastos.
• Es crucial entender que una célula no es una combinación aleatoria de componentes, sino una entidad dinámica e integrada.

Límites celulares y subcelulares

• Todas las células comparten características básicas como el ADN como material genético, reacciones químicas similares y una membrana celular que define sus límites y regula el intercambio de sustancias con el entorno.
• La membrana celular es esencial para la vida celular y consiste en una delgada capa de fosfolípidos y proteínas que no puede ser resuelta por el microscopio óptico, pero se observa como una doble línea continua con el microscopio electrónico.
• Las membranas celulares están compuestas principalmente por una bicapa de fosfolípidos con proteínas incrustadas y colesterol, permitiendo la movilidad lateral de las moléculas lipídicas y proteicas.
• Las moléculas de proteínas pueden tener diferentes configuraciones, como hélice alfa embutida en la membrana o estructuras globulares que atraviesan la bicapa múltiples veces.
• La composición de las membranas puede variar entre tipos celulares y organelas, confiriendo propiedades únicas que están relacionadas con su función.
• Las células vegetales tienen una pared celular exterior construida principalmente de celulosa, que proporciona soporte estructural y protección.
• La laminilla media, compuesta principalmente de pectinas, mantiene unidas a las células vegetales contiguas.
• El crecimiento celular en plantas involucra el alargamiento de la célula y la adición de nuevos materiales a la pared celular. La forma de la célula está determinada por la estructura de su pared.
• Las células vegetales maduras pueden desarrollar una pared celular secundaria, que a menudo contiene lignina y otras moléculas para reforzarla.
• Otros organismos como hongos y procariotas también tienen paredes celulares, pero generalmente no contienen celulosa y están compuestas de peptidoglicanos y polisacáridos complejos.

El núcleo

• El núcleo es una estructura grande y generalmente esférica en las células eucarióticas, siendo la más voluminosa dentro de ellas.
• Está rodeado por la envoltura nuclear, compuesta por dos membranas concéntricas, cada una formada por una bicapa lipídica. Estas membranas están separadas por un espacio de 20 a 40 nanómetros, con poros nucleares que permiten el intercambio de materiales entre el núcleo y el citoplasma.
• En las células eucarióticas, el material genético, el ADN, está linealmente organizado y fuertemente unido a proteínas llamadas histonas, formando estructuras llamadas cromosomas.
• Cuando la célula no está dividiéndose, los cromosomas se ven como una red de hilos delgados conocida como cromatina. Durante la división celular, la cromatina se condensa y los cromosomas se vuelven visibles como entidades individuales.
• El nucléolo, el cuerpo más prominente dentro del núcleo, es el sitio de construcción de las subunidades ribosomales. Se observa como una estructura compuesta por gránulos y fibras diminutas, constituidos por filamentos de cromatina, ARN ribosómico en síntesis y partículas de ribosomas inmaduros.
• La cantidad y tamaño de los nucléolos pueden variar según la actividad sintética de la célula, pudiendo llegar a representar hasta el 25% del volumen nuclear total.

El citoplasma

• Antes se veía a la célula como una bolsa de fluido con algunas estructuras internas, pero con el desarrollo del microscopio electrónico se han identificado más organelas en el citoplasma, que ahora se sabe está altamente organizado.
• Las células eucarióticas se dividen en animales y vegetales, con diferencias y similitudes en su estructura y funcionamiento.
• La célula está rodeada por una membrana celular selectivamente permeable que separa el citoplasma del medio externo.
• El citoplasma contiene diversas organelas como el retículo endoplásmico, ribosomas, complejo de Golgi, lisosomas, peroxisomas, mitocondrias, plástidos en células vegetales, y el citoesqueleto.
• El retículo endoplásmico es una red de membranas donde se sintetizan y procesan proteínas y lípidos.
• Los ribosomas son los sitios de ensamblaje de proteínas y pueden estar unidos al retículo endoplásmico o libres en el citoplasma.
• El complejo de Golgi procesa y empaqueta moléculas para su transporte dentro y fuera de la célula.
• Los lisosomas contienen enzimas digestivas y participan en la degradación de moléculas.
• Los peroxisomas tienen enzimas oxidativas y están involucrados en la desintoxicación celular.
• Las mitocondrias son las principales fuentes de energía celular a través de la respiración celular.
• Los plástidos son organelas presentes solo en células vegetales, donde ocurre la fotosíntesis.
• El citoesqueleto es una red de filamentos proteicos que mantiene la forma de la célula y facilita su movimiento y el transporte intracelular.
• Los filamentos del citoesqueleto incluyen microtúbulos, filamentos de actina y filamentos intermedios, cada uno con funciones específicas en la célula.

El citoesqueleto y el movimiento

• Todas las células, incluso las vegetales, exhiben algún tipo de movimiento, como movimientos citoplasmáticos, movimientos cromosómicos y cambios de forma durante la división celular, además del transporte de vesículas y organelas.
• Los microtúbulos del citoesqueleto están involucrados en la división celular y sirven como rieles sobre los cuales se mueven proteínas motoras, llevando cargas especiales como organelas y vesículas.
• Los microtúbulos también forman parte de los cilios y flagelos, estructuras utilizadas para la locomoción en muchas células eucarióticas.
• Los cilios son cortos y numerosos, mientras que los flagelos son largos y escasos; ambos tienen la misma estructura interna.
• Los cilios y flagelos eucarióticos tienen nueve pares de microtúbulos periféricos y dos microtúbulos centrales, organizados en una estructura 9+2.
• La dinamina, una proteína ATPasa, permite el deslizamiento de los microtúbulos y el movimiento de los cilios y flagelos.
• Los centríolos, presentes en pares en células con cilios o flagelos, están involucrados en la organización de microtúbulos y en la formación del huso mitótico durante la división celular.
• Los filamentos de actina están presentes en una variedad de células y participan en la movilidad celular y en el movimiento interno de los contenidos celulares.
• La miosina, asociada con los filamentos de actina, produce movimiento celular y está involucrada en la división celular estrangulando el citoplasma.
• La organización especializada de la actina y la miosina permite movimientos rápidos y coordinados en células musculares y en animales en general.

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La organización de las células

El tamaño, la forma y la organización de la célula:

• Las células son las unidades básicas de la estructura y la función biológica.
• La mayoría de las células vegetales y animales miden entre 10 y 30 micrómetros de diámetro. Su interior está dividido en compartimientos funcionales: en el citoplasma se encuentran las organelas; en el núcleo, el DNA nuclear.
• El tamaño celular está limitado por la capacidad del núcleo para regular las actividades metabólicas y por la relación superficie/volumen. Por lo general, las células de menor tamaño son las metabólicamente activas y las que tienen una superficie pequeña en proporción a su volumen.

Los límites de la célula

• La matriz extracelular en los organismos pluricelulares es el conjunto de proteínas y carbohidratos localizados en el espacio que rodea a las células. Participa en la adhesión entre células y en el desarrollo de tejidos y órganos, controlando la diferenciación celular, la morfogénesis, la migración de células y el metabolismo.
• La membrana celular mantiene separada a la célula del medio que la rodea y regula la entrada y salida de sustancias. Está formada por fosfolípidos, proteínas y, en algunos casos, colesterol. Los fosfolípidos forman una bicapa dinámica y fluida por la cual se desplazan lateralmente las proteínas (modelo de mosaico fluido). La cara interna de la membrana presenta proteínas integrales de membrana y proteínas periféricas, que presentan actividades enzimáticas, actúan como receptores de señales químicas o participan en el transporte de sustancias. La cara externa presenta cadenas cortas de carbohidratos unidas a proteínas, que cumplen funciones de adhesión celular y reconocimiento de moléculas.

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Membrana plasmática: membrana que rodea al citoplasma de la célula; membrana celular.

• Las células vegetales están rodeadas por una pared celular, que realiza muchas de las funciones que cumple la matriz extracelular en las células animales. Cuando una célula vegetal se divide, se forma una pared primaria de celulosa. A veces, cuando las células maduran, se forma una pared secundaria de polisacáridos como la lignina.
• Las células eucariontes poseen membranas internas que presentan la misma estructura general que la membrana celular y definen los compartimientos y las organelas.

En el interior de la célula, el núcleo

• El núcleo celular es un compartimiento esférico que contiene el DNA nuclear y asegura la síntesis de las moléculas complejas que requiere la célula. Está limitado por dos membranas concéntricas que presentan poros por donde circulan sustancias desde el citoplasma y hacia él.
• En las células eucariontes, las moléculas de DNA nuclear son lineales y están fuertemente unidas a proteínas histónicas y no histónicas. Cada molécula de DNA con sus proteínas constituye un cromosoma. Cuando la célula no se está dividiendo, los cromosomas forman una maraña de hilos delgados llamada cromatina. Cuando la célula se divide, los cromosomas se condensan.
• El cuerpo más conspicuo dentro del núcleo es el nucléolo, lugar donde se construyen las subunidades de los ribosomas.

Entre el núcleo y la membrana celular, el citoplasma

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