Biología Celular: Una visión completa

Definición y Evolución Celular

Definición de célula: Es la unidad estructural y funcional básica de los seres vivos. Realiza las tres funciones vitales: reproducción, relación y nutrición.

Evolución de la célula: La especialización celular crea compartimentos (orgánulos) que realizan diferentes funciones.

Tipos de Célula Eucariota y Características

Características

• Poseen un núcleo, delimitado por una doble membrana nuclear, donde se encuentra el ADN.
• Presentan membrana plasmática y citoplasma con orgánulos y sistemas de membranas internas.

Tipos

Las células eucariotas son las unidades estructurales y funcionales de animales y vegetales. Sus diferencias radican en su estructura y función.

• Células vegetales: Presentan pared celular (protección y rigidez), cloroplastos y grandes vacuolas (ausentes en células animales). Carecen de centriolos.

• Células animales: Compuestas por membrana plasmática, citoplasma (citoesqueleto y orgánulos: mitocondrias, lisosomas, peroxisomas, retículo endoplasmático, aparato de Golgi, ribosomas y centriolos). La envoltura nuclear separa el núcleo (nucléolo y nucleoplasma) del citoplasma.

Membrana Plasmática

La membrana plasmática es una envoltura continua que aísla la célula del medio externo. Posee una cara interna (citoplasma) y una externa (matriz extracelular).

El origen de las membranas biológicas se debe a las propiedades de los lípidos y su capacidad para formar bicapas y micelas en medio acuoso; origen de las primeras células.

Es semipermeable y selectiva (7 nm de grosor, visible solo con microscopio electrónico). Su fluidez se debe al movimiento de los fosfolípidos de la bicapa lipídica.

Las membranas celulares siguen el modelo de mosaico fluido; difieren en su composición, determinando la especialización de cada orgánulo. Algunas presentan una capa externa protectora: el glucocálix (glucolípidos y glucoproteínas), como las células del estómago e intestino (membrana asimétrica).

Está formada por:

• Bicapa lipídica (50%): Fosfolípidos, colesterol y lipoproteínas. Extremo hidrofílico hacia el exterior e hidrofóbico hacia el interior. Los lípidos se mueven:

  • Difusión lateral
  • Rotación sobre el eje mayor
  • Flexión
  • Cambio de capa (flip-flop)

• Proteínas (50%): Según su disposición en la bicapa lipídica:

  • Integrales: Atraviesan parcial o totalmente la bicapa.
  • Periféricas: No atraviesan la membrana. Pueden unirse a otras proteínas, ácidos grasos o asomar por un extremo.

• Glúcidos: En la superficie externa de células eucariotas, unidos a lípidos o proteínas, formando el glucocálix.

Transporte a través de la membrana

La membrana plasmática controla la composición interna celular mediante una permeabilidad selectiva y sistemas de transporte (nutrientes y residuos metabólicos):

Transporte de Moléculas Pequeñas

Transporte Pasivo

No necesita energía. La molécula (soluble en la membrana) pasa por difusión (a favor de gradiente):

• Simple (difusión pasiva): Moléculas sin carga (H₂O, CO₂, etanol, urea u hormonas esteroides).
• Facilitada (difusión facilitada): Moléculas polares, mediante proteínas de canal (iones, azúcares o aminoácidos).

Definición de gradiente: La célula solo permite el paso de lo que sobra, tanto interna como externamente.

Transporte Activo

En contra del gradiente de concentración; necesita energía (hidrólisis de ATP). Controla el volumen celular y el equilibrio osmótico. La molécula pasa mediante proteínas transportadoras (bomba de Na⁺/K⁺), gracias a enzimas como las ATPasas (hidrólisis de ATP en ADP).

Transporte de Macromoléculas

Mediante vesiculación (endocitosis y exocitosis):

• Endocitosis: Incorporación de partículas mediante invaginación de la membrana, formando una vesícula intracelular. La clatrina (proteínas) reconoce las partículas. Tipos: pinocitosis (líquidos o partículas pequeñas) y fagocitosis (partículas grandes).
• Exocitosis: Excreción de sustancias mediante vesículas.

En ambos procesos hay un flujo de membrana; la endocitosis es compensada por la exocitosis.

Especializaciones de la membrana plasmática

Modificaciones en zonas específicas de la membrana, dependiendo de la función celular. Aumentan la superficie celular para el transporte de sustancias:

• Microvellosidades: Evaginaciones en forma de dedo (ej: células intestinales).
• Invaginaciones: Entrantes profundos en la membrana (ej: células renales).

Uniones intracelulares: Conectan o mantienen juntas células vecinas:

• Uniones comunicantes (uniones tipo GAP): Comunicación directa entre células contiguas (intercambio de nutrientes). Proteínas específicas de membrana.
• Uniones impermeables (zónula ocludens): Sella la membrana de dos células contiguas sin espacio intercelular.
• Uniones adherentes (desosomas): Uniones puntuales con espacio intercelular. Proteínas transmembranosas unidas al citoesqueleto.

Hialoplasma o Citoplasma

Medio acuoso entre la membrana plasmática y la envoltura nuclear. Formado por citoesqueleto, citosol y orgánulos celulares.

Citosol

Zona del citoplasma no incluida en orgánulos. Gelatinoso, formado principalmente por agua, sales, iones, enzimas, ácidos nucleicos, lípidos, glúcidos, etc. Contiene citoesqueleto y ribosomas.

Funciones: Glucólisis, vía de las pentosas fosfato, hidrólisis de grasas, fermentación láctica y metabolismo de ácidos grasos.

Citoesqueleto

Red de fibras proteicas entre la membrana plasmática y la envoltura nuclear. Permite movimientos intra y extracelulares, cambios de forma celular, contracción muscular y organización de orgánulos. Tipos de fibras:

• Microfilamentos: Filamentos de actina (principal componente del citoesqueleto). En células musculares, se asocian a miosina. Funciones: soporte, formación de pseudópodos y anillo de división mitótica.
• Microtúbulos: Estructuras tubulares de tubulina. Funciones: rigidez mecánica, transporte intracelular, polaridad y motilidad celular. Forman huso mitótico, cuerpos basales, centriolos, cilios y flagelos.
• Filamentos intermedios: Grosor intermedio. Proteínas filamentosas. Función: resistencia a la tensión.

Ribosomas

Orgánulos globulares sin membrana (ARNr y proteínas). Sintetizan proteínas. Localización: libres en el citosol, asociados a polisomas, en el retículo endoplasmático, membrana nuclear externa, mitocondrias y cloroplastos.

Estructura: Dos subunidades (diferente tamaño y coeficiente de sedimentación). Se ensamblan al comenzar la síntesis de proteínas.

Función: Síntesis de proteínas (intervienen los tres tipos de ARN).

Aparato de Golgi

Orgánulo formado por sáculos membranosos aplanados (dictiosomas) y vesículas de secreción. Cerca del núcleo. Dos caras:

• Cis (proximal): Convexa. Próxima al R.E.R. Recibe vesículas de transición.
• Trans (distal): Cóncava. Próxima a la membrana plasmática. Desprende gránulos de secreción.

Funciones: Almacenamiento y transporte de productos de secreción, glicosilación y maduración de proteínas (enzimas lisosomales).

Lisosomas

Orgánulos vesiculares con enzimas hidrolíticas (pH ácido). Membrana con glucoproteínas (evitan la autodestrucción).

Tipos de Lisosomas

• Primarios: Contienen enzimas hidrolíticas.
• Secundarios: Fusionados con un lisosoma primario y material a digerir. Tipos: autofágico (origen celular) y heterofágico (origen extracelular).

Función: Digestión de sustancias (internas y externas). Cuerpos residuales (sustancias no digeribles).

Retículo Endoplasmático

Sistema de membranas comunicado con la membrana nuclear interna. Espacio interno: lumen. Dos tipos:

R.E.R

Sáculos aplastados (cisternas) y vesículas. Ribosomas en su cara externa. Comunica con el R.E.L. y la membrana nuclear externa.

Funciones: Síntesis, almacenamiento y glucosilación de proteínas.

R.E.L

Túbulos sin ribosomas. Membrana diferente al R.E.R. (composición de fosfolípidos).

Funciones: Síntesis, almacenamiento y transporte de lípidos (fosfolípidos, colesterol), producción de hormonas esteroideas, lipoproteínas, ácidos biliares y quilomicrones. Almacenamiento de Ca²⁺ y detoxificación.

Peroxisomas

Orgánulos pequeños con membrana. Posible origen en el retículo. Cristales de urato oxidasa y catalasa.

Funciones: Metabolizar H₂O₂ (2H₂O₂ —-> 2H₂O + O₂), metabolizar purinas, aminoácidos y ácidos grasos de cadena larga, síntesis de lípidos, detoxificación y división.

Mitocondrias

Orgánulo de doble membrana. Forma variable. Número depende de la demanda energética celular.

Estructura

• Membrana externa: Lípidos (40%) y proteínas (60%). Proteínas que actúan como canales. Permeable al agua, iones y sacarosa (porinas). Cadena transportadora de electrones y enzimas del metabolismo de lípidos.
• Membrana interna: Crestas mitocondriales (repliegues). Lípidos (30%) y proteínas (70%). Impermeable a iones y sacarosa. Enzimas del transporte de electrones y fosforilación oxidativa.
• Crestas mitocondriales: Repliegues. Complejos ATP-sintetasa (síntesis de ATP): base hidrófoba, pedúnculo (F₀) y esfera (F₁).
• Matriz mitocondrial: ADN (circular), ribosomas, enzimas, iones Ca²⁺ y fosfato.
• Espacio intermembranoso: Agua, iones y glúcidos.

Funciones

• Oxidación respiratoria: Obtención de ATP. Ciclo de Krebs, transporte de electrones (cadena transportadora de electrones) y fosforilación oxidativa (NADH y FADH).
• Beta oxidación de ácidos grasos: Obtención de acetil-CoA.
• Concentración de iones: Iones en proteínas, lípidos, metales, enzimas o iones (Ca²⁺).
• Síntesis de constituyentes mitocondriales: ADN, ARN y ribosomas.

Cloroplastos

Orgánulos de doble membrana (células vegetales). Fotosíntesis. Color verde (clorofila). Semiautónomos.

Estructura: Envoltura (membrana interna y externa, espacio intermembrana), estroma (espacio interior), tilacoides (discos aplanados, espacio tilacoidal), granas (agrupaciones de tilacoides), ADN (circular), enzimas, ribosomas.

Funciones: Fotosíntesis (fase luminosa y oscura), biosíntesis de proteínas y replicación del ADN.

Núcleo

Compartimento que separa el citoplasma del material genético. Presente en células eucariotas (un núcleo por célula). Forma variable. Posición generalmente central.

Núcleo Interfásico

Envoltura nuclear, nucleoplasma, nucléolo y cromatina.

• Envoltura nuclear: Membrana externa (ribosomas), espacio perinuclear, membrana interna (proteínas laminillas nucleares) y lámina fibrosa (ancla las fibras de ADN). Poros (intercambio de moléculas).
• Nucleoplasma: Matriz semifluida (cromatina y material no cromatínico). Red de proteínas fibrilares.
• Nucléolo: Estructura esferoidal sin membrana (ARN y proteínas). Síntesis de ARNr.
• Cromatina: Hebras de ADN, proteínas histónicas y no histónicas. Heterocromatina (condensada, inactiva) y eucromatina (no condensada, activa).

División Celular

Mecanismo para generar dos células hijas iguales a la célula madre. Ocurre para renovar células, cicatrizar tejidos o crecimiento.

Señal de la membrana plasmática. Desaparecen los nucleolos. Fragmentación de la membrana nuclear. Duplicación del ADN.

Ciclo Celular

Periodo desde la formación de una célula hasta su división. Tres etapas: interfase, fase M (mitosis) y citocinesis.

Interfase

Etapa larga de gran actividad metabólica. Duplicación del ADN y proteínas asociadas. Núcleo interfásico.

• Fase G₁: Síntesis de ARNm, proteínas y material para el crecimiento celular. Reparación de ADN. Punto de no retorno. Algunas células entran en fase G₀ (detención del ciclo).
• Fase S: Duplicación del ADN y síntesis de proteínas (tubulina).
• Fase G₂: Síntesis de histonas.

Fase M (Mitosis)

Reparto equitativo de cromosomas entre células hijas (células somáticas). Cuatro fases:

• Profase: Desaparece el nucléolo. Condensación de la cromatina (cromosomas). Migración de centriolos y formación del huso mitótico (microtúbulos y proteínas a partir de los centrosomas y tubulina).
• Prometafase: Rotura de la envoltura nuclear. Aparición de cinetocoros.
• Metafase: Cromosomas en la placa metafásica. Cromátidas engachadas a microtúbulos cinetocóricos.
• Anafase: Separación de cromátidas hermanas hacia polos opuestos. Acortan las fibras cinetocóricas.
• Telofase: Cromátidas en los polos. Descondensación. Reaparece el nucléolo. Se forma la membrana nuclear. Citocinesis (división del citoplasma).

Meiosis

División celular en células que originan gametos (células haploides). Una célula diploide (2n) pasa a ser haploide (n). Dos divisiones meióticas (M₁ y M₂) sin duplicación del ADN entre ellas. Resultado: 4 células haploides (1 viable en la ovogénesis).

Aparato Digestivo: Anatomía y Función

Digestión de alimentos para obtener nutrientes. Cuatro etapas:

• Ingestión: Boca (bolo alimenticio).
• Digestión: Estómago e intestino delgado (mecánica y química).
• Absorción: Intestino delgado.
• Excreción: Intestino grueso (ano).

Glúcidos a monosacáridos, lípidos a glicerol y ácidos grasos, proteínas a aminoácidos.

Compuesto por boca, faringe, esófago, estómago, intestino delgado e intestino grueso (recto y ano). Glándulas anejas: salivares, gástricas, intestinales (Lieberkühn y Brunner), hígado y páncreas.

Aparato Excretor: Anatomía y Función

Elimina productos de desecho y sustancias en exceso. Dos mecanismos: aparato urinario y glándulas sudoríparas.

Aparato urinario: Riñones, uréteres, vejiga y uretra. Filtra la sangre.

Riñones: Órganos vascularizados. Corteza, médula (pirámides renales) y pelvis renal. Nefronas (unidades funcionales): cápsula de Bowman, glomérulo de Malpighi, túbulo contorneado proximal, asa de Henle, túbulo contorneado distal y túbulo colector. Formación de orina (fase glomerular y fase tubular).

Orina: Agua, sales, ácido úrico, urea y creatinina.

Aparato Respiratorio: Anatomía y Función

Intercambio de gases entre sangre y medio externo. Vías respiratorias (fosas nasales, faringe, laringe, tráquea, bronquios y bronquiolos) y pulmones.

Fosas nasales: Pituitaria roja (calienta y humidifica el aire) y pituitaria amarilla (olfato).

Tráquea: Anillos cartilaginosos y musculatura lisa.

Bronquios y bronquiolos: Ramificaciones de la tráquea. Terminan en alvéolos pulmonares (intercambio gaseoso).

Pulmones: Órganos esponjosos. Pleura (parietal y visceral, líquido pleural). Respiración (inspiración y espiración).

Respiración: Pulmonar (intercambio gaseoso en alvéolos) y celular (en mitocondrias).

Aparato Circulatorio

Sangre, linfa y líquido intersticial. Corazón (aurículas y ventrículos, válvulas tricúspide y mitral, pericardio, miocardio y endocardio). Vasos sanguíneos (arterias, venas y capilares). Circulación (menor o pulmonar y mayor o sistémica).

Sangre: Plasma sanguíneo, glóbulos rojos (hemoglobina, grupos sanguíneos), glóbulos blancos (sistema inmunológico: granulocitos, monocitos y linfocitos) y plaquetas.

Aparato Reproductor: Anatomía y Función

Formación de gametos y fecundación. Gónadas y genitales externos.

Aparato Reproductor Femenino

Ovarios (folículos y oocitos), trompas de Falopio (infundíbulo), útero (perimetrio, miometrio y endometrio), cérvix, vagina y vulva (labios mayores y menores, clítoris y glándulas de Bartolino).

Ovogénesis: Inicio en periodo embrionario. Oogonias a oocitos (meiosis I detenida en profase I hasta la pubertad). Ciclo ovárico (FSH y LH). Ovulación (folículo de Graaf). Oocito secundario (meiosis II detenida en metafase II). Zona pelúcida y corona radiada.

Ciclo menstrual: 28 días. FSH y LH. Crecimiento del endometrio (estrógenos). Ovulación (pico de LH). Progesterona (crecimiento del endometrio o menstruación).

Aparato Reproductor Masculino

Testículos (escroto, túbulos seminíferos y células de Leyding), epidídimo, conducto deferente, conducto eyaculador, uretra, vesículas seminales, próstata, glándulas de Cowper y pene (cuerpo cavernoso y glande).

Espermatogénesis: Inicio en la pubertad (FSH y LH). Espermatogonias a espermatocitos (meiosis). Espermátidas a espermatozoides (espermiogénesis).