Biología celular: nutrición, transporte, metabolismo, división celular y estructuras de la célula

Nutrición celular

La célula es un conjunto de procesos que intercambia materia y energía para realizar funciones vitales y fabricar y renovar estructuras.

Tipos de nutrición

1. Nutrición autótrofa

Consiste en la obtención del carbono a partir del CO₂. En la fotosíntesis, la energía solar se transforma en energía química; en la quimiosíntesis, esta se desprende de reacciones de oxidación de sustancias inorgánicas. Son organismos autótrofos las algas, las bacterias fotosintéticas y quimiosintéticas, y las plantas.

2. Nutrición heterótrofa

Consiste en la obtención de sustancias orgánicas y su transformación en moléculas por digestión y síntesis posterior. Son organismos heterótrofos los protozoos, bacterias heterótrofas, hongos y animales.

Ingestión de nutrientes

Es el proceso mediante el cual los nutrientes pasan desde el medio externo al citosol a través de la membrana celular. La membrana es selectiva y el transporte depende de la carga y el tamaño de las sustancias:

• Sustancias apolares: atraviesan la bicapa fácilmente por su composición lipídica.
• Sustancias de baja polaridad: lo hacen lentamente.
• Iones, aminoácidos, proteínas, glúcidos: no son liposolubles y necesitan transporte específico.
• Moléculas pequeñas: atraviesan por mecanismos de transporte a nivel de membrana.
• Moléculas grandes: se incorporan por deformación de la membrana, mediante endocitosis y exocitosis.

Transporte pasivo

No requiere gasto de ATP y es espontáneo, a favor de gradiente de concentración de la sustancia a transportar.

• Difusión simple: agua, lípidos y gases sin carga, mediante ósmosis, sin proteínas.
• Difusión facilitada: mediante proteínas canales (acuosos, abiertos para el paso de iones) o proteínas transportadoras, que implican cambio de conformación. Son específicas y se unen al sustrato, por ejemplo las permeasas.

Transporte activo

Requiere gasto de ATP y se realiza en contra de gradiente, mediante bombas que pueden ser acopladas o inducidas.

Endocitosis

La sustancia a ingerir entra en contacto con la membrana, que se invagina con ayuda de clatrina, formando una vesícula endocítica. Esta se une a un lisosoma primario para formar un lisosoma secundario donde se digieren las sustancias ingeridas.

• Pinocitosis: la célula ingiere sustancias disueltas en pequeñas vesículas.
• Fagocitosis: la célula ingiere partículas sólidas de gran tamaño, como organismos o virus, formando un fagosoma por emisión de pseudópodos.
• Endocitosis mediada por receptor: proceso rápido y específico en el que receptores de membrana captan ligandos del líquido extracelular.

Exocitosis

Conjunto de procesos mediante los cuales la célula elimina al exterior sustancias contenidas en vesículas, por fusión de la vesícula con la membrana celular. En la endocitosis se pierde membrana y en la exocitosis se recupera, procedente de cuerpos residuales o vesículas de secreción.

Metabolismo

Conjunto de reacciones químicas en la célula para satisfacer sus necesidades de materia y energía.

• Catabolismo: conjunto de reacciones metabólicas exergónicas en las que se degradan moléculas complejas para obtener moléculas sencillas, ATP y poder reductor. Sus procesos convergen.
• Anabolismo: conjunto de reacciones endergónicas mediante las cuales las células sintetizan moléculas con gasto energético, requiriendo ATP y poder reductor. Sus procesos son divergentes.

El ciclo de Krebs es una vía catabólica central en todos los organismos aerobios, que oxida grupos acetilo a CO₂ y produce ATP.

Ciclo celular

Interfase

Periodo entre dos divisiones celulares, de gran actividad metabólica, ya que sintetiza todos los materiales que se repartirán entre las células hijas.

• G1: fase de crecimiento y desarrollo; se sintetizan proteínas necesarias para aumentar de tamaño e incrementar el número de orgánulos y citoplasma.
• S: síntesis de ADN; se replica el ADN y se sintetizan proteínas. Cada cromosoma queda formado por dos cromátidas hermanas unidas en el centrómero.
• G2: preparación para la división celular; se duplican los centriolos.

Mitosis

Proceso de división celular que origina dos células con la misma información genética que la madre. Permite la reproducción de organismos unicelulares, el desarrollo y crecimiento de organismos pluricelulares y la renovación y reparación de tejidos.

• Profase: condensación de la cromatina; se forma el huso acromático, estructura bipolar de microtúbulos entre los centrosomas duplicados que se separan. Los microtúbulos se unen a los cinetocoros, desaparecen el nucléolo y la envoltura nuclear.
• Metafase: el huso acromático se extiende entre los dos polos; los cromosomas alcanzan su máximo grado de condensación y se disponen en la placa ecuatorial (placa metafásica).
• Anafase: se separan los centrómeros y los cromátidas se desplazan hacia polos opuestos al acortarse los microtúbulos cinetocóricos.
• Telofase: los microtúbulos se desensamblan, reaparecen los nucléolos y la envoltura nuclear, y los cromosomas se descondensan.

Citocinesis

• En animales: se forma un anillo contráctil de filamentos de actina y miosina en la placa ecuatorial que forma un surco de segmentación cada vez más estrecho hasta separar las células hijas.
• En células vegetales: en el centro del citoplasma se acumulan vesículas procedentes del aparato de Golgi que se fusionan y forman una nueva membrana y pared celular que separa las células hijas (fragmoplasto).

Meiosis

Tipo especial de división celular que origina cuatro células hijas con la mitad de la dotación cromosómica de la célula madre.

Profase I

• Leptoteno: los cromosomas se condensan y son visibles.
• Zigoteno: los cromosomas homólogos se aparean formando bivalentes.
• Paquiteno: se produce recombinación genética entre cromátidas no hermanas.
• Diploteno: los cromosomas homólogos comienzan a separarse, pero siguen unidos por quiasmas.
• Diacinesis: los cromosomas alcanzan su máximo grado de condensación, desaparecen el nucléolo y la envoltura nuclear, y se forma el huso acromático.

Metafase I

Las tétradas unidas por quiasmas se ordenan en la placa ecuatorial.

Anafase I

Los microtúbulos del huso separan los pares de cromosomas homólogos y los arrastran a cada polo celular.

Telofase I

Reaparecen los nucléolos y la envoltura nuclear, y los cromosomas se descondensan para volver al estado interfásico.

Importancia biológica

• Reduce el número de cromosomas a la mitad, lo que permite la reproducción sexual, ya que al unirse dos gametos se recupera el número de cromosomas de la especie.
• Aumenta la variabilidad genética mediante la recombinación genética entre cromosomas homólogos y la segregación cromosómica independiente al azar en la metafase I.

La membrana plasmática

Envuelve de forma continua el citoplasma, separa la célula del exterior y permite el intercambio de sustancias y la comunicación celular.

Estructura

• Lípidos: forman una bicapa lipídica con polos hidrófilos y apolares. Presentan movilidad: difusión lateral, rotación, flexión de cadenas de ácidos grasos y flip-flop (salto de una monocapa a otra).
• Fluidez: depende de la temperatura, de la composición de ácidos grasos y de la presencia de colesterol.
• Proteínas: de transporte, de reconocimiento, receptoras y enzimáticas.
• Glúcidos: oligosacáridos asociados a lípidos y proteínas, formando el glucocálix en la cara externa.

Se describe como un mosaico fluido asimétrico. Sus funciones son estructural, de permeabilidad selectiva, de reconocimiento celular, y de generar y mantener el potencial eléctrico necesario para transmitir impulsos nerviosos.

Pared celular

Envuelve externamente a la célula vegetal. Es rígida, indeformable, porosa y resistente a agentes mecánicos y químicos. Sus funciones son dar rigidez y forma a la célula e impedir su ruptura.

Orgánulos celulares

• Ribosomas: orgánulos esféricos de unos 300 Å de diámetro, formados por ARN ribosómico y proteínas. Su función es la síntesis proteica.
• Centrosoma (centrosoma o citocentro): orgánulo formado por dos centriolos rodeados de material pericentriolar. Actúa como centro organizador de microtúbulos y en la formación del huso mitótico.
• Cilios y flagelos: estructuras de filamentos contráctiles. Los flagelos son más largos y escasos, y los cilios son más cortos y numerosos. Están formados por cuerpo ciliar, cuerpo basal y raíz ciliar. Su función es desplazar al organismo unicelular en el medio, o desplazar partículas en organismos pluricelulares hacia la luz de cavidades internas.
• Retículo endoplasmático (RE): red de membranas que dispone de cisternas.
  • RE rugoso: con ribosomas adheridos; participa en la síntesis, almacenamiento y glucosilación de proteínas.
  • RE liso: sin ribosomas; participa en la síntesis de lípidos y esteroides, en la detoxificación y en el control de la contracción y relajación muscular.
• Aparato de Golgi: sistema de membranas formado por sacos y cisternas aplanadas apiladas en forma discoidal, llamadas dictiosomas. Tiene una cara cis (de formación, cercana al núcleo) y una cara trans (de maduración, cercana a la membrana plasmática). Funciones: transporte de moléculas, proteínas y lípidos, glucosilación de lípidos y proteínas, formación del acrosoma del espermatozoide y formación del fragmoplasto en células vegetales.
• Lisosomas: orgánulos de membrana con enzimas hidrolíticas. Los lisosomas primarios se sintetizan en el aparato de Golgi; los secundarios resultan de la fusión de un lisosoma primario con vesículas de endocitosis (heterofagolisosomas) o con vesículas de autofagia (autofagolisosomas), que rodean orgánulos del RE, aparato de Golgi o mitocondrias debilitados para reciclarlos. Funciones: digestión celular de sustancias nutritivas, defensa frente a microbios, reciclado de materiales celulares y apoptosis (destrucción celular programada y remodelación de tejidos).
• Vacuolas: formadas por membrana unitaria llamada tonoplasto. Almacenan sustancias de reserva. Sus funciones son variables.
• Peroxisomas: orgánulos de membrana única con enzimas oxidativas, como la peroxidasa y la catalasa. Son responsables de reacciones oxidativas y de detoxificación, y realizan la β-oxidación de ácidos grasos.
• Mitocondrias: formadas por membrana mitocondrial externa, espacio intermembrana, membrana mitocondrial interna, matriz y crestas. Su función es la obtención de energía en forma de ATP mediante la respiración celular y la β-oxidación de ácidos grasos.
• Cloroplastos: formados por membrana plastidial externa e interna, espacio intermembrana, tilacoides agrupados en grana, estroma y espacio intratilacoidal. Su función es la fotosíntesis.

Núcleo interfásico

Envoltura nuclear

Formada por una doble membrana: la membrana externa, con ribosomas adheridos y continua con el RE, y la membrana interna, en contacto con el nucleoplasma. Entre ambas existe el espacio perinuclear. Tiene una lámina nuclear de proteínas y poros nucleares formados por complejos proteicos. Su función es aislar el material genético del citoplasma y regular el intercambio de sustancias entre núcleo y citoplasma. La lámina nuclear colabora en la formación de la envoltura tras la división celular.

Nucleoplasma

Dispersión coloidal gelatinosa formada por una red de proteínas (citoesqueleto nuclear) y enzimas necesarios para la transcripción y la replicación del ADN.

Nucléolo

Zona en la que se concentran los genes que sintetizan ARN ribosómico. Presenta un centro fibrilar, un componente fibrilar denso donde se transcribe el ARNr, y un componente granular donde se ensamblan las subunidades ribosómicas con proteínas.

Cromatina

Formada por ADN asociado a proteínas histonas. Se organiza en fibras de 10 nm y 30 nm. Su función es gobernar los procesos celulares mediante la síntesis de ARNm y la traducción de proteínas, y conservar y transmitir la información genética. El ADN se duplica en la fase S, dando lugar a dos moléculas idénticas unidas por el centrómero, que forman cromátidas hermanas.