Cuales son las células sanguíneas y su función

LA ORGANIZACIÓN DE LA MATERIA VIVA

1. LA TEORÍA CELULAR

La idea de que todos los seres vivos están constituidos por células, y que cada célula proviene de otra que ya existía antes, es relativamente reciente. De hecho, la teoría celular se enunció por primera vez en la segunda mitad del Siglo XIX. Sin embargo, la célula fue “descubierta” a medidos del S. XVII, cuando se introduce el microscopio como instrumento de observación. Justamente, la formulación de la teoría celular estuvo condicionada al desarrollo de instrumentos ópticos que aumentaran muchas veces el tamaño de las células para poder visualizarlas. En el S XVII comienzan a usarse los primeros microscopios, que eran lentes simples superpuestas; a inicios del S XIX se inventa el microscopio de luz polarizada y en 1937 surge el microscopio electrónico.

Con los primeros instrumentos de aumento, en el S XVII, científicos como Hooke, Leeuwenhoek, Grew o Malpighi observaron diversos tejidos celulares. Pero a estos autores no se les puede atribuir la paternidad de la teoría celular pues apenas interpretaron lo que veían, siendo sus descubrimientos ante todo una fuente de admiración. No trataron de relacionar las observaciones efectuadas en el reino vegetal y animal y, en el ámbito vegetal, se fijaron sólo en la membrana.
Después de un período de estancamiento en el S XVIII, Dutrochet (1776-1837) en 1824 preconiza una de las ideas centrales de la teoría celular: “la célula es la pieza fundamental de los organismos”. El botánico alemán Schleiden (1804-1881) formuló explícitamente esta teoría para los vegetales en 1837: “la célula es un pequeño organismo.
Cada planta es un agregado de células completamente individualizadas y con una existencia propia”. En 1839, Schwann (1810-1882) la aplica al reino animal considerando a la célula como la unidad elemental de la vida: “todos los seres vivos están constituidos por células y únicamente por células”.

Cuando Scheiden y Schwann propusieron la teoría celular en 1838, la investigación sobre la biología celular cambió para siempre. Podemos resumir la Teoría Celular en los siguientes puntos:

1. Todos los seres vivos están formados por una o más unidades denominadas células (contempla a la célula como unidad estructural).

2. La célula es la mínima unidad de materia que puede llevar a cabo las funciones básicas de un ser vivo, o dicho de otro modo, toda célula posee la organización necesaria para mantener su propia existencia (contempla a la célula como unidad funcional).

3. Las células se forman solamente a partir de células preexistentes (contempla a la célula como unidad de origen).

4. Toda célula contiene el material genético que contiene las carácterísticas específicas del ser vivo y se las transmite a la descendencia (contempla a la célula como unidad genética). Este punto se incorpora a la teoría celular más tarde, después de que, a partir de los experimentos de Mendel sobre la herencia de los caracteres y del descubrimiento de la naturaleza molecular del ADN por Watson y Crick, quedase establecido el papel del material genético en la dirección de la actividad celular y de ser la molécula de ADN la que se transmite a la descendencia.

2. LA CÉLULA COMO UNIDAD ESTRUCTURAL

Todas las células presentan las siguientes carácterísticas comunes:

– Están compuestas por las biomoléculas o moléculas orgánicas biológicas que conforman diferentes estructuras (revisar el tema de biomoléculas). Por lo tanto las

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interacciones entre moléculas, el mismo fenómeno que ocurre en procesos no relacionados con los seres vivos, constituyen la naturaleza de ese principio «misterioso» que es la vida.

– Tienen el mismo tipo de material genético (ADN) para controlar su funcionamiento.

– Una envoltura (la membrana citoplasmática) separa el interior de la célula respecto al medio externo.

– Llevan a cabo reacciones químicas catalizadas por enzimas.

Según el grado de complejidad se consideran dos tipos de organización celular: la célula procariota y la eucariota y aún se considera un tercer tipo, formado por los virus, cuya extraordinaria simplicidad estructural y la carencia de metabolismo propio los convierte en organismos entre lo vivo y lo inerte.

Hay organismos formados por una sola célula: seres unicelulares. Esto ocurre, por ejemplo, con el grupo de los protozoos. A veces, los organismos unicelulares se agrupan formando colonias en las que todos los individuos son iguales, como en las Vorticelas. En otras colonias, sin embargo, los individuos son distintos y se especializan en determinadas funciones, como las colonias de Volvox. Sin embargo, en estos casos, cada una de las células es capaz por sí sola de realizar todas las funciones vitales.

Frecuentemente los organismos están constituidos por muchas células que viven coordinadas y dan origen a los seres pluricelulares. En estos organismos las células se especializan en determinadas funciones dando origen a los tejidos, por lo que cada célula no puede realizar todas las funciones vitales. Los primeros seres vivos que aparecieron sobre el planeta hace unos 3500 millones de años fueron unicelulares y durante más de 2000 millones de años los seres con una célula fueron los únicos pobladores del planeta.

2.1 Tipos de organizaciones celulares.

Hay dos tipos de células según su organización estructural: Células Procariotas: menos complejas y evolucionadas que las células eucariotas. El ADN no está separado del resto de la célula por una membrana, sino que está disperso en él. Los únicos orgánulos que presentan son los ribosomas. Tienen organización estructural procariota las bacterias y cianofíceas. Células Eucariotas: presentan el ADN incluido dentro de una envoltura nuclear. El contenido nuclear, por lo tanto, está separado del resto del contenido citoplasmático, formando el núcleo. En el citoplasma aparecen diferenciados diversos orgánulos, muchos de ellos rodeados de membrana. Poseen células eucariotas los protoctistas (algas y protozoos), hongos, vegetales y animales.

Imagen de microscópio de célula procariota (Escherichia coli)

80.000 aumentos

Imagen de microscopio de célula eucariota (Galium; herbáceo amor del hortelano) 13500 aumentos

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En el siguiente cuadro se resumen las diferencias principales entre la célula procariota y la eucariota.

Diferencias

Célula Procariota

Célula Eucariota

Núcleo

Sí

Material genético

DNA circular formando un cromosoma bacteriano

DNA abierto formando varios cromosomas independientes

Ribosomas

Más pequeños

Más grandes

Fisiología celular

En membrana celular

En orgánulos diferenciados

Reproducción

Bipartición

Mitosis(división en 4 fases del núcleo)

3. EVOLUCIÓN CELULAR

Como vimos en el tema sobre el origen de la vida, los organismos vivos más antiguos sobre la Tierra probablemente fueron células procariotas. Las células eucariotas aparecieron mucho más tarde. Los registros fósiles encontrados de ambos tipos celulares indican que los primeros organismos procariotas, las premóneras, vivieron hace 3.500 millones de años y los eucariotas datan de hace 700 -1.500 millones de años. Al no encontrar fósiles que correspondan a etapas intermedias de este proceso, resulta en principio difícil seguir la trayectoria evolutiva de uno a otro tipo de célula. Actualmente se admiten dos teorías que tratan de explicar el posible origen de la célula eucariota: La Teoría Endógena propone que la célula eucariota es el resultado del aumento de tamaño de la célula procariota, junto a una progresiva diferenciación interna, cuyo resultado ha sido alcanzar el alto grado de complejidad que posee la célula eucariota. La Teoría Endosimbionte se propuso en 1980 por la bióloga Lynn Margulis,, para explicar el origen de las mitocondrias y los cloroplastos. De acuerdo con esta teoría una célula procariota grande incorporó a una célula procariota pequeña y, en lugar de alimentarse de ella, se establecíó entre ambas una relación, que se consolidó con el tiempo llegando a ser permanente. Este pudo ser el origen de los cloroplastos y mitocondrias (fig. 2).

En vez de digerir al pequeño organismo, el grande y el pequeño entraron en un tipo de simbiosis conocida como mutualismo, en el cual ambos se benefician y ninguno es dañando: El organismo grande pudo haber ganado un excedente de ATP (recordemos que el ATP o adenosin trifosfato funciona como moneda de intercambio energético, almacenando y liberando energía en sus enlaces) que le proporcionaba la «protomitocondria» o un excedente de azúcares provisto por el «protocloroplasto». A su

Fig. 2

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vez, esta célula hospedadora proveía a la célula fagocitada (endosimbiote) un medio ambiente estable y rico en material nutritivo.

Con el tiempo esta uníón se convirtió en algo tan estrecho que las células eucariotas heterotróficas (las células animales) no podrían sobrevivir sin mitocondrias ni los eucariotas fotosintéticos (las células vegetales) sin cloroplastos, y el endosimbiote (protomitocondria o protocloroplasto) no podría sobrevivir fuera de la célula huésped (fig. 3). Esta teoría también se aplica a otros orgánulos celulares como cilios, flagelos, originados por simbiosis entre bacterias del tipo de los espirilos y un eucariota primitivo.

Protocloroplastos

Protomitocondrias

Fig. 3

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4. Carácterísticas generales de las células

4.1. La célula procariota.

Las bacterias y cianofíceas (reino Monera) son organismos procariotas. La ausencia de verdadero núcleo es la gran diferencia con las células eucariotas, aunque existen otras. Son organismos muy sencillos, microscópicos y unicelulares, los más parecidos a los primeros seres vivos que aparecieron en la Tierra hace entre 3.500 y 4.000 millones de años, y que pueden presentar aspectos diferentes, aunque todos poseen una estructura básica con las siguientes carácterísticas (fig. 4): Tienen una membrana citoplasmática con repliegues, donde se sitúan las

enzimas encargadas del metabolismo celular. La membrana está recubierta por una pared, cuya función es proteger y dar consistencia a la célula. Algunas bacterias pueden tener una cápsula por fuera de la pared, que les da protección y está relacionada con su patogenicidad (capacidad de producir enfermedades). En el citoplasma se encuentra el ADN libre, llamado cromosoma bacteriano y diversas

sustancias disueltas o formando gránulos (almidón, glucógeno). Tienen ribosoma, más pequeños que la célula eucariota, encargados de la síntesis de proteínas. No presentan otros orgánulos. Algunas bacterias poseen flagelos para su desplazamiento, distintos a los de la célula eucariota.

Son más pequeñas que las células eucariotas, generalmente de menos de 5μm de largo. Su tamaño es similar al de las mitocondrias y cloroplastos de las eucariotas. Según sea la forma que adquieren y las diversas maneras de agruparse, se denominan: cocos, bacilos, espirilos, vibrios estreptococos, etc, (fig. 5). Sin embargo, aún siendo tan simples, tienen su cromosoma bacteriano gracias al cual, por una parte, se replica la molécula de DNA para obtener descendencia con la misma información genética, y por otra, es capaz de transcribir su información al ARN que permite en los ribosomas fabricar las proteínas necesarias para el funcionamiento bacteriano.

4.2. La célula eucariota

Las células más evolucionadas, como las de los animales, vegetales, hongos y protoctistas (protozoos y algas) tienen organización eucariota. Se caracterizan porque su material

Fig. 4: Esquema

Fig. 6

Fig. 5: Esquemas de distintos tipos de células eucariotas.

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genético se halla envuelto por una membrana que constituye el núcleo (fig.6).

Contienen orgánulos membranosos y no membranosos, que flotan dispersos por el citoplasma celular. Entre los membranosos están los retículos endoplasmáticos rugoso y liso, el aparato de Golgi, los lisosomas, mitocondrias, cloroplastos, vacuolas y núcleo. Entre los no membranosos están el centrosoma (centriolo), ribosomas y el citoesqueleto. Todo el conjunto está envuelto en una membrana plasmática o celular, de estructura constante y unitaria.

4.2.1. Formas y tamaños de las células eucariotas

Existe una gran variedad de formas: esféricas (óvulos), estrelladas (neuronas), planas (epitelios), prismáticas (células vegetales), con formas cambiantes (glóbulos rojos) (fig.7), etc. La forma de cada célula está adaptada a la función que cumple o al entorno en que se desenvuelve.

Su tamaño también es muy variado. Para la mayoría está comprendido entre 10 y 200 μm (μm = micrómetro o micra, equivale a 10-6 m) con excepciones, como los óvulos de los huevos de aves (el de gallina es de 30mm y avestruz de 100mm).

En la siguiente figura aparece el tamaño comparativo de las células eucariotas, procariotas y virus en relación a las biomoléculas y estructuras que los constituyen.

En el link http://learn.Genetics.Utah.Edu/content/begin/cells/scale/ aparece un escalímetro, con el cual podéis interactuar para haceros una idea mejor sobre el tamaño de las células.

4.2.3 La estructura de la célula eucariota.

Todas las células eucariotas tienen una organización muy semejante. Las células observadas con un microscopio electrónico de pocos aumentos parecen estructuras sencillas en las que destacan la membrana celular y el núcleo; entre ambos queda un amplio espacio llamado citoplasma. El perfeccionamiento del microscopio electrónico ha

Fig. 7

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puesto de manifiesto que la célula es mucho más compleja de lo que se pensó inicialmente.

1. La membrana plasmática: delimita y separa a la célula de su entorno.

2. El citoplasma: es el material comprendido entre la membrana y el núcleo. Está lleno de un fluido por el que se extiende una red de filamentos proteicos, junto a los orgánulos citoplasmáticos.

3. El núcleo: es una estructura muy voluminosa, que contiene el material genético (DNA) y controla todas las funciones celulares.

4.2.4 Tipos de células eucariotas.

Hay dos tipos de células eucariotas: las animales y las vegetales. Las principales diferencias entre ellas son:

4.2.5. Estructuras de la célula eucariota

Dentro de la compleja organización celular que aparece detallada en los esquemas de las células animal y vegetal, es importante destacar algunas estructuras.

La membrana celular

Estructuras

Animal

Vegetal

Pared celular de celulosa

Sí

Orgánulos especiales: Plastos (orgánulos que producen y almacenan importantes compuestos químicos usados por la célula. Así, juegan un papel importante en procesos como la fotosíntesis, la síntesis de lípidos y aminoácidos, determinando el color de frutas y flores, entre otras funciones)

Sí; el principal es el cloroplasto

Vacuolas (orgánulos localizados en el citoplasma, donde se almacenan diversos materiales: sustancias nutritivas, productos de desecho, pigmentos, etc.)

Cuando existen son más pequeñas

Más frecuentes y grandes

Material de reserva energética

Glucógeno

Almidón

Esquema de célula eucariota animal

Esquema de célula eucariota vegetal

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Limita el medio interno de la célula del exterior. Realiza importantes actividades relacionadas con el transporte de sustancias entre el exterior y el interior de la célula. Este transporte a través de la membrana celular puede ser:

a) transporte pasivo: Es posible gracias a la existencia de poros que permiten el paso de moléculas pequeñas como las de la glucosa o el oxígeno. Cuando la concentración de una sustancia es mayor en el medio externo que en el interior de la célula, atraviesa la membrana celular por un proceso de ósmosis.

b) transporte activo: es selectivo y se utiliza para introducir o sacar una sustancia determinada de la célula. Esto exige procedimientos más complejos y el consumo de energía.

Los vegetales, los hongos y algunos protoctistas poseen una cubierta gruesa que rodea a membrana plasmática (fig. 11) llamada pared celular. Está formada generalmente por polisacáridos, como la celulosa en los vegetales y la quitina en los hongos.

Su función es proteger y sostener a las células, para que las plantas y hongos permanezcan erguidos sobre el suelo, y así resistan la fuerza de los vientos y de la gravedad. También impide que la célula estalle cuando entra en ella una cantidad excesiva de agua.

Retículo endoplasmático

Está formado por unas láminas sinuosas que ocupan gran parte del citoplasma, y que se unen en algunos puntos con la membrana del núcleo. El retículo endoplasmático puede ser liso o estar cubierto por unos granos llamados ribosomas, que son los encargados de sintetizar las proteínas. Los ribosomas pueden encontrarse también sueltos en el citoplasma.

Aparato de Golgi

Constituido por numerosos sacos aplanados, se sitúa cerca del núcleo y se encarga de organizar la circulación molecular de la célula, transportando, madurando y acumulando proteínas y lípidos.

Lisosomas

Fig. 11

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Son orgánulos rodeados de membrana que se forman a partir de las cisternas del Aparato de Golgi, y contienen unos 40 tipos de enzimas hidrolíticas. Se encargan de llevar a cabo la digestión intracelular de los materiales nutritivos que la célula incorpora por fagocitosis (heterofagia).

Vacuolas

Son orgánulos rodeados de una envoltura membranosa, donde se almacenan diversos materiales: sustancias nutritivas, productos de desecho, pigmentos, etc. Son más abundantes en las células vegetales en las que, a medida que transcurre el tiempo, se van uniendo unas con otras, formando al final una gran vacuola que ocupa casi todo el citoplasma. Además ayudan a mantener la forma de las células.

Mitocondrias

Son orgánulos de forma variable, frecuentemente alargada, que tienen una doble membrana: la externa es lisa y la interna se repliega hacia adentro. Hay entre 1000 y 2000 por célula. En su interior se llevan a cabo las reacciones químicas que permiten obtener energía oxidando las sustancias nutritivas: oxidación de la glucosa con liberación de energía, que se almacena como ATP (respiración celular aerobia). En el espacio interior también hay ADN, ARN y ribosomas, por lo que tienen capacidad de autoduplicarse y fabricar sus propias proteínas.

Cloroplastos

Son orgánulos de las células vegetales de las partes verdes de las plantas y algas, así como de las bacterias fotosintéticas y las cianofíceas. Están formados por una doble membrana, que deja en su interior un contenido llamado estroma y una serie de laminillas, llamadas tilacoides. Estas laminillas poseen enzimas y clorofila, ambas imprescindibles para realizar la fotosíntesis. Igual que en las mitocondrias, en el estroma de los cloroplastos hay moléculas de ADN, ARN y ribosomas, por lo que tienen capacidad de autoduplicarse y fabricar sus proteínas.

Núcleo

Es el orgánulo que dirige la vida celular. Normalmente sólo hay uno por célula. Consta de una membrana doble con numerosos poros que permiten el intercambio de moléculas entre el citoplasma y el interior del núcleo. El interior nuclear está formado por el nucleoplasma, que contiene al nucléolo y la cromatina.

La cromatina, formada por ADN y proteínas, es una estructura fibrilar que adquiere diferentes aspectos según el

Fig. 18

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momento en que se encuentre la célula. Tiene un aspecto difuso si la célula no está en división y se compacta formando los cromosomas en el proceso de división celular.

Como indicamos al inicio de este tema, según la teoría celular, todas las células provienen de células anteriores por división de éstas. Esta división, llamada mitosis, requiere la división tanto del núcleo como del citoplasma y de la membrana. La información genética que contienen los cromosomas pasa a las células hija en el momento de la división celular. Además de tener la función de reproducción de la célula (la transmisión de los caracteres genéticos), el núcleo es el responsable por la síntesis de moléculas de ARN (transcripción) que pasarán al citoplasma y se traducirán a proteínas.

El ADN: estructura desde la doble hélice hasta formar el cromosoma

MUY IMPORTANTE: LA CÉLULA ES UNA UNIDAD VIVA MAYOR QUE LA SUMA DE SUS PARTES

Hemos visto rápidamente la estructura de varios de los orgánulos celulares, cada uno de ellos con importantes funciones. Sin embargo, debemos recodar que ninguno de estos orgánulos trabaja sólo. Un ejemplo de esta integración lo podemos ver en la figura que aparece al lado. La célula grande es un macrófago, célula del sistema inmunitario de los mamíferos que ayudan a defender el cuerpo de infecciones al ingerir bacterias (las células de color amarillo más pequeñas de la figura) en las vesículas fagocíticas. El macrófago se arrastra por una superficie y alcanza las bacterias con finos filamentos. Estos filamentos interactúan con otros elementos del citoesqueleto para conseguir esos movimientos. Después que el macrófago engulle las bacterias, son destruidas por los lisosomas, que han sido producidos por el sistema endomembranoso. Las enzimas digestivas de los lisosomas y las proteínas del citoesqueleto están todas hechas de ribosomas. Y la síntesis de esas proteínas está programada por los mensajes enviados por el ADN desde el núcleo. Todos estos procesos requieren energía, en la forma de ATP, como veremos en la siguiente sección.

Las funciones celulares resultan del orden celular. La célula es una unidad de vida mayor que la suma de sus partes.

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5. LA CÉLULA COMO UNIDAD FUNCIONAL

Todos los seres vivos realizan tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Estas tres funciones se llevan a cabo en todas las células. Para poder realizarlas las células continuamente convierten la energía de una forma en otra a medida que cumplen con sus funciones esenciales.

5.1 La función de nutrición y respiración de los organismos

Antes de discutir la nutrición celular, vamos a repasar algunos conceptos que hemos aprendido acerca de la nutrición y la respiración de los seres vivos. De forma general, podemos definir la nutrición como el conjunto de procesos mediante los cuales los seres vivos intercambian materia y energía con el medio que los rodea para realizar sus funciones vitales. La función de nutrición incluye varios procesos: la captación de alimentos (que contienen nutrientes), su transformación en nutrientes utilizables por el organismo, su distribución a todas las células y la eliminación de sustancias de desecho. Todos estos procesos son comunes para todos los organismos pluricelulares.

De acuerdo a la forma en que obtienen los alimentos, los seres vivos se clasifican en autótrofos y heterótrofos. Son autótrofos los organismos capaces de sintetizar su propia materia orgánica. Es la nutrición propia de las plantas, algas y cianofíceas, que utilizan la energía solar, el dióxido de carbono del aire o disuelto en el agua (para las especies que viven dentro del agua) y la clorofila presente en los cloroplastos. Los organismos heterótrofos no sintetizan sus alimentos, con lo cual es la nutrición propia de los seres que consumen a otros organismos vivos (animales, protozoos, hongos y bacterias).

El oxígeno es también un nutriente básico para la mayoría de los seres vivos – los seres vivos aeróbicos — y se obtiene a partir de lo que conocemos como respiración (que deberíamos llamarlo intercambio de gases para no confundirlo con el proceso de respiración celular que veremos luego). Por respiración se entiende generalmente a la entrada (por ósmosis o difusión) de oxígeno al cuerpo de un ser vivo y la salida de dióxido de carbono. Según los distintos hábitats, los distintos seres vivos aeróbicos han desarrollado diferentes sistemas de intercambio de gases: cutáneo, traqueal, branquial, pulmonar. Es un proceso que se realiza todo el tiempo.

Entrada y salida de nutrientes en organismos pluricelulares (plantas y mamíferos) y en organismo unicelular (ameba).

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Para que se pueda llevar a cabo la nutrición, los seres vivos poseen órganos y sistemas especializados. En los animales, esos órganos forman parte de los sistemas digestivo, respiratorio, cardiovascular y excretor. Recordemos que en el hombre, por ejemplo, el aparato digestivo es el conjunto de órganos (boca, faringe, esófago, estómago, intestino delgado e intestino grueso) encargados del proceso de la digestión, es decir, la transformación de los alimentos en nutrientes aprovechables por el organismo, su absorción a través de las paredes del intestino y la excreción (mediante el proceso de defecación) de los residuos de los alimentos. Por otra parte, el sistema respiratorio, formado por vías aéreas, pulmones y músculos respiratorios, es el responsable por el intercambio de gases (oxígeno y dióxido de carbono) con el medio. Dentro del sistema alveolar de los pulmones, las moléculas de oxígeno y dióxido de carbono se intercambian pasivamente, por difusión, entre el entorno gaseoso y la sangre. El sistema circulatorio se encarga de distribuir los nutrientes que han sido absorbidos a todas las células y de llevar los desechos producidos en el metabolismo celular (que veremos luego) para su expulsión del organismo, tanto al sistema respiratorio (en el caso del dióxido de carbono y otros gases) como al sistema excretor (para el resto de los desechos).

5.2 La nutrición a nivel celular

Una célula es una fábrica química en miniatura, donde miles de reacciones químicas ocurren en un espacio microscópico. Los azúcares pueden ser convertidos en aminoácidos que son unidos para formar las proteínas cuando es necesario, y cuando la comida es digerida, las proteínas de la misma son desmanteladas en aminoácidos que pueden convertirse en azúcares. Pequeñas moléculas son montadas en polímeros que pueden ser desmontados cuando la célula lo requiera. En organismos multicelulares, muchas células exportan productos químicos que son usados en otras partes del organismo. Para realizar estas reacciones química así como para realizar varios tipos de trabajos – por ejemplo, transportar los solutos a través de la membrana plasmática, reproducirse, moverse – la célula necesita energía. La función de nutrición a nivel celular es la que garantiza la liberación de energía (contenida en los enlaces de las moléculas orgánicas), utilizada para el funcionamiento del organismo y la síntesis de las sustancias para la renovación celular y el crecimiento.

Es importante darse cuenta que los procesos macroscópicos de nutrición (incluida la respiración en los organismos aeróbicos) realizados por los distintos órganos tienen como finalidad captar, transformar, distribuir los nutrientes para que sean usados a nivel celular para el mantenimiento y crecimiento del organismo. Los desechos a nivel celular de estos procesos que se llevan a cabo en las células son después eliminados por los órganos de excreción propios de cada organismo, cerrando así el ciclo de la nutrición.

Aunque cada célula realiza la función de nutrición, los productos resultantes de la misma serán diferentes de acuerdo a las necesidades de cada grupo celular y su localización en el organismo. Así, las células del hígado trasforman el exceso de glucosa

IMPORTANTE

Como muchos niños tienen ideas erróneas sobre la respiración, sobre todo de las plantas, ideas reforzadas por algunos libros de texto, vamos a puntualizar algunas ideas centrales:

— Las plantas, igual que los animales, son organismos aeróbicos—precisan oxígeno para los procesos celulares de producción de energía.

— Por esta razón, también realizan la respiración. Para ello las plantas toman durante el día y la noche el oxígeno que hay en el aire y expulsan dióxido de carbono.

— Este oxígeno se introduce en la planta por las raíces, los poros del tallo y los estomas de las hojas.

— Muchos niños confunden fotosíntesis con respiración y adoptan posiciones antropocéntricas. Esta “mezcla” les lleva a creer que las plantas “respiran” para que nuestra reserva de oxígeno se reponga.

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(que obtenemos, por ejemplo, al ingerir miel) en ácidos grasos, mientras que las células de los músculos la utilizan completamente en la producción de energía para la contracción muscular.

5.2.1 El metabolismo

Se llama metabolismo al conjunto de reacciones químicas a través de las cuales el organismo intercambia materia y energía con el medio y que permite a las células mantener y perpetuar su composición frente a los cambios ambientales. Sin metabolismo no existiría ni auto mantenimiento, ni reproducción y sin organización celular, no existiría metabolismo.

El metabolismo tiene principalmente dos finalidades:

• Obtener energía química utilizable por la célula, que se almacena en forma de ATP (adenosín trifostato). Esta energía se obtiene por degradación de los nutrientes que se toman directamente del exterior o bien por degradación de otros compuestos que se han fabricado con esos nutrientes y que se

almacenan como reserva. Estos procesos constituyen el catabolismo, cuyo ejemplo más importante es la oxidación de la glucosa en la respiración celular y en la fermentación.

• Fabricar sus propios compuestos a partir de los nutrientes, que serán utilizados para crear sus estructuras o

para almacenarlos como reserva. Estos procesos requieren energía en forma de ATP, y en conjunto reciben el nombre de anabolismo. Entre ellos se encuentran la fotosíntesis y la síntesis de proteínas.

5.2.2 Catabolismo: Producción y almacenamiento de energía

a) En la respiración celular

La respiración celular es el conjunto de reacciones bioquímicas por las cuales determinados compuestos orgánicos son degradados completamente, por oxidación, hasta su conversión en sustancias inorgánicas, proceso que rinde energía aprovechable por la célula. Las sustancias nutritivas necesarias para que se realice esta producción de energía en cualquier organismo formado por células eucariotas, vegetal o animal, son principalmente la glucosa y el oxígeno, oxígeno obtenido por los procesos de respiración “macroscópicos”. Para que se produzca entonces esta reacción, estas sustancias deben llegar primero a las células y después al interior de las mitocondrias. El transporte de estas sustancias a través de la membrana celular se realiza de manera pasiva. Como consecuencia, en el interior del citoplasma se acumulan oxígeno y glucosa que al entrar en contacto con las paredes de la mitocondria penetran en su interior.

En la respiración aeróbica, o sea, con la utilización de oxígeno, en el interior de las mitocondrias se desarrolla un conjunto de reacciones muy complejas, que pueden resumirse en la siguiente reacción:

En esta reacción una sustancia compleja como la glucosa al oxidarse (incorporar oxígeno) se transforma completamente en otras más sencillas, el dióxido de carbono y el agua, y se produce una liberación de energía que puede ser utilizada posteriormente por la célula para realizar diversas funciones.

C6H12O6 + 6 02 6 CO2 + 6H20 + ENERGÍA

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Si la energía liberada en las mitocondrias se desprendiera en forma de calor sería, como hemos visto en el tema de la energía, difícilmente utilizable. Por otra parte, la temperatura del organismo subiría peligrosamente. Por ello, las mitocondrias pueden realizar unas reacciones químicas que permiten acumular esta energía en forma de compuestos químicos y, posteriormente, volver a liberarla.

El compuesto químico más utilizado para almacenar energía es el ATP (adenosin-tri-fosfato). A partir de una molécula de glucosa, se producen 38 moléculas de ATP. Cuando esta sustancia pierde uno de los fosfatos, libera energía transformándose en ADP (adenosin-di-fosfato). Cuando se necesita energía, el ATP se transforma en ADP y se obtiene la energía precisa. El proceso energético celular lo podemos representar como un ciclo.

b) En la fermentación

La fermentación es un proceso anaeróbico (sin uso del oxígeno, por lo que no interviene la cadena respiratoria), que se realiza en el citoplasma celular, donde la oxidación de las moléculas orgánicas es incompleta. En este proceso catabólico se produce menos energía que en la respiración celular (por cada molécula de glucosa oxidada resultan sólo 2 moléculas de ATP) y se obtiene productos carácterísticos que dan el nombre a la fermentación (fermentación láctica, si se obtiene lactosa; fermentación alcohólica, si se obtiene etanol).

La fermentación es propia de los microrganismos menos evolucionados y que necesitan menos energía, como las bacterias y levaduras. De hecho, las células procariotas no cuentan con órganos especializados para realizar la respiración como en las células eucariotas por lo que su respiración celular es anaerobia, empleándose otras sustancias oxidantes distintas, como el sulfato o el nitrato (aceptores finales de electrones), provenientes de minerales, y en ocasiones subproductos del metabolismo de otros organismos. En este caso, la respiración celular sucede en el citoplasma y pliegues de la membrana. También se produce la fermentación en el tejido muscular de los animales, cuando las células musculares no reciben suficiente oxígeno para el metabolismo y la contracción muscular. Así, cuando se realiza un esfuerzo intenso y prolongado, los músculos obtienen un poco de energía extra sin necesidad de oxígeno, recurriendo a la fermentación; pero las consecuencias de este proceso serán, posteriormente, las agujetas.

5.2.3. Anabolismo: síntesis de sustancias nuevas

Como ya indicamos, en el interior de las células, además de producirse energía, se sintetizan sustancias nuevas necesarias para el crecimiento y renovación del propio organismos, que usan la energía almacenada en forma de ATP.

a) La síntesis de materia inorgánica: la fotosíntesis

Todas las células tienen la capacidad de transformar moléculas sencillas en moléculas más complejas. Sin embargo, únicamente las células autótrofas pueden sintetizar materia

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orgánica a partir de materia inorgánica mediante la fotosíntesis. Pertenecen a este grupo todas las células eucariotas que tienen cloroplastos (las partes verdes) y ciertas bacterias.

Este proceso, que requiere energía (proveniente de la luz solar) y compuestos inorgánicos (agua, dióxido de carbono y sales minerales) se desarrolla en dos fases: la fase lumínica y la fase oscura. En la fase lumínica, la clorofila presente en los cloroplastos capta la energía luminosa que es usada para romper la molécula de agua en oxígeno, electrones y protones y sintetizar ATP. Durante la fase oscura, llamada así porque no necesita la intervención de la luz, se utilizan los productos obtenidos en la fase luminosa para reducir el dióxido de carbono a moléculas orgánicas (glucosa, aminoácidos,…) que son distribuidas al resto de las células vegetales (en el caso de las plantas, a través de la savia elaborada) para la realización de sus funciones.

b) La síntesis de materia orgánica: la síntesis de proteínas

Uno de los grupos de sustancias más importantes para los seres vivos son las proteínas. Cada proceso en los organismos vivos tiene lugar por medio de proteínas. Por ello cada célula necesita proteínas constantemente. Como ya vimos en el tema 1 sobre biomoléculas, las proteínas son compuestos químicos formados por la uníón de otros más sencillos, llamados aminoácidos. Con sólo una veintena de aminoácidos diferentes se pueden elaborar millones de proteínas distintas.

Los organismos autótrofos, como acabamos de ver, producen aminoácidos en la fotosíntesis. Sin embargo, las proteínas animales y vegetales que toman con los alimentos los organismos heterótrofos son muy diferentes a las proteínas que necesitan las células. Por ello, es necesario descomponerlas en los aminoácidos que las forman (proceso que realizan las enzimas digestivas) y volver a sintetizar con ellos las proteínas propias.

Las moléculas de los aminoácidos son pequeñas, pudiendo atravesar los poros de la membrana celular y llegar al citoplasma de las células. La síntesis de las proteínas se

IMPORTANTE

Los niños tienen muchas dificultades con el concepto de nutrición en las plantas. La idea intuitiva y muy persistente es que las plantas obtienen su alimento del entorno, específicamente del suelo, siendo las raíces los órganos de alimentación. En algunos casos, suponen que las plantas se alimentan de manera similar a los animales, tomando sustancias orgánicas (almidón y azúcar o proteínas) del suelo. Los niños, al entender que las plantas absorben agua del suelo y que el agua es esencial para crecer, parecen asumir que es el principal componente del material de crecimiento. Al aprender que las plantas incorporan dióxido de carbono, agua y minerales, los consideran como los alimentos de las plantas y cuando se asocia en clase alimentos con energía, suponen que estas sustancias contienen y aportan energía.

En relación a la fotosíntesis, muchos niños piensan que es una sustancia más que un proceso o como el tipo de respiración de las plantas. En general, les resulta muy difícil comprender que un elemento químico, el carbono (que es sólido en su forma pura) esté presente en el dióxido de carbono (que es un gas) y que este gas es convertido por una planta verde en azúcar (un sólido, pero disuelto) cuando se le añade hidrógeno (un gas) del agua (un líquido) utilizando energía luminosa que se convierte en energía química. Por ello, los alumnos no creen que se pueda producir un aumento de peso y un crecimiento debido en su mayor parte a la incorporación de materia a partir de un gas.

Por otra parte, tienen dificultades para comprender el papel de la luz en el proceso de fotosíntesis, considerando que es el calor del sol la energía para la fotosíntesis. Muchos niños parecen pensar que las plantas siempre necesitan luz para crecer y aplican esta idea incluyendo la germinación.

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realiza en los ribosomas gracias a la intervención del ARN (ácido ribonucleico). Así, en los ribosomas de las células se realizan complejas reacciones químicas que permiten sintetizar las proteínas específicas necesarias, gracias a la intervención del ARN mensajero y del ARN de transferencia.

El ARNt, que está en el citoplasma, se encarga de capturar los aminoácidos que han penetrado en la célula y conducirlos hasta los ribosomas. El ARNm, que se forma en el núcleo y tiene una molécula muy larga, actúa como molde donde se va encajando el ARNt siguiendo un orden concreto, que permite que los aminoácidos se unan dando lugar a una molécula determinada.

Podemos entender este proceso con una analogía, la de la construcción. Para realizar una construcción se necesitan dos cosas: localizar el tipo y número de piezas necesarias y después unirlas siguiendo un plan determinado. El ARNt localiza en el citoplasma el número y el tipo de aminoácidos necesarios. El ARNm contiene el plano para construir una molécula determinada. Tanto el ARNt y el ARNm se sintetizan en el núcleo, gracias al ADN, y salen al citoplasma a través de los poros de la membrana del núcleo.

En los siguientes enlaces, hay videos que explican la síntesis de las proteínas. http://www.Dailymotion.Com/video/xc5gxg_sintesis-de-proteínas-animación-3d_school http://videos.Educ.Ar/play/Disciplinas/_Biologia/Sintesis_de_proteinas

5.3. La función de relación

La función de relación permite a las células captar los estímulos del medio que las rodea y elaborar respuestas a los mismos. De esta forma pueden soportar las condiciones cambiantes de su medio externo. La función de relación celular es muy simple, ya que las células reaccionan con acciones sencillas ante los estímulos externos. En organismos pluricelulares les permite reaccionar en coordinación con otras células.

Los estímulos son variaciones de las condiciones ambientales que afectan a la célula. Pueden ser de naturaleza diversa: químicos, luminosos, térmicos, eléctricos y mecánicos.

En la relación pueden diferenciarse tres etapas: Recepción de la información: en primer lugar los seres vivos tiene que detectar los estímulos, como variaciones de la presión, temperatura, presencia de ciertas moléculas, etc. El receptor de la información suele ser una proteína de membrana que se modifica con una variable del medio. Integración de la información: una vez recibida la información es procesada para elaborar la respuesta adecuada. Producción de la respuesta: la respuesta puede ser de dos tipos, estática, cuando no hay movimiento o dinámica, cuando la célula responde con un movimiento.

5.4. La función de reproducción

5.4.1 El ciclo celular

La reproducción es un proceso de división celular (que comprende la mitosis o división del núcleo y la citocinesis o división del citoplasma) por el cual a partir de una célula, llamada célula madre, se originan nuevas células hijas. Las células se reproducen duplicando su contenido y luego dividíéndose en dos: es un proceso que asegura que cada descendiente tenga una copia del material genético de la célula madre y la mitad de los orgánulos citoplasmáticos que ésta tenía.

La división celular forma parte de un proceso más amplio, el ciclo celular (conjunto ordenado de sucesos que conducen al crecimiento de la célula y a la división en dos células hijas).

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El ciclo celular, que se inicia en el instante en que aparece una nueva célula, descendiente de otra que se divide, y termina en el momento en que dicha célula origina dos nuevas por división, comprende el conjunto de procesos implicados en la replicación exacta del DNA y la segregación de los cromosomas replicados en dos células distintas (interfase + mitosis). La gran mayoría de las células también doblan su masa y duplican todos sus orgánulos citoplasmáticos durante la interfase en cada ciclo celular. De este modo durante el ciclo celular un conjunto complejo de procesos citoplasmáticos y nucleares tienen que coordinarse unos con otros. Las células que no entran en división no se consideran que estén en el ciclo celular. Hay células que se encuentran permanentemente en el ciclo como las células epiteliales, otras están permanentemente fuera del ciclo como las neuronas, y otras están fuera del ciclo pero bajo estímulos adecuados pueden volver a dividirse, como el caso de las células hepáticas.

Para muchos organismos unicelulares, como las bacterias y las levaduras, el ciclo celular representa todo su ciclo de vida y, por tanto, cada vez que se divide la célula se reproduce el organismo.

En los organismos pluricelulares el ciclo celular es una parte de su ciclo de vida. La división de sus células, por mitosis, permite el crecimiento y desarrollo y reparación del individuo, así como la reparación de los tejidos dañados. Así, un humano adulto debe producir muchos millones de nuevas células cada segundo simplemente para mantener el estado de equilibrio y, si la división celular se detiene, el individuo moriría en pocos días. La reproducción del organismo en los seres pluricelulares, sin embargo, requiere la formación de células sexuales, gametos, que se originan mediante una división celular especial: la meiosis. También hay algunos organismos pluricelulares que se reproducen asexualmente a partir de un solo progenitor (por ej. A partir de yemas en vegetales y por fragmentación de una parte del organismo en animales como estrellas de mar).

Ciclo celular

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5.4.2 Reproducción de células procariotas

Se produce la división simple por bipartición: el ADN de la bacteria se duplica y forma dos copias idénticas. Después se duplican los orgánulos celulares, la célula aumenta de tamaño y se forman unos entrantes en la membrana, que crecen hacia el interior hasta separar dos zonas del citoplasma.

En la zona de separación se forma pared bacteriana, que completa la separación de las dos células hijas.

5.4.3 Reproducción de células eucariotas no sexuales

El proceso es más complicado. Primero se divide el núcleo en dos partes exactamente iguales por mitosis. La mitosis es la división nuclear asociada a la división de las células somáticas – células de un organismo eucariótico que no van a convertirse en células sexuales. Luego se divide el citoplasma repartíéndose entre las dos células hijas en un proceso llamado citocinesis.

A) MITOSIS

Comienza tras la autoduplicación del ADN al final de la interfase. En este proceso las dobles hélices de ADN se abren y se copian, formándose dos cromátidas hermanas, que permanecen unidas por el centrómero. Posteriormente se espiralizan y forman los cromosomas.

La mitosis consta de una serie de fases, que en las células animales son:

1º.- Profase: la célula aparece más esférica y el citoplasma más viscoso. Los cromosomas son perfectamente visibles. Los centriolos se duplican y empiezan a separarse, permaneciendo unidos por unos filamentos de proteínas (inicio de la formación del huso mitótico). La envoltura nuclear se desorganiza y desaparece el nucléolo.

2º.-Metafase: aparece el huso mitótico formado por fibras proteicas (que van de un extremo al otro de la célula uniendo los centriolos) y que se unen a los cromosomas a la altura del centrómero). Los cromosomas se sitúan en la zona central de la célula, formando la placa ecuatorial.

3º.- Anafase: las fibras proteicas tiran y separan las dos cromátidas de cada cromosoma, que se desplazan hacia los polos opuestos de la célula.

4º.- Telofase: desaparece el huso mitótico y en cada polo de la célula se sitúan dos grupos iguales de filamentos de ADN, que posteriormente se desespiralizan. Se forman las nuevas envolturas nucleares y aparecen los nucleolos. A continuación se inicia la citocinesis.

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B) CITOCINESIS

Es el proceso de división del citoplasma, que completa la formación de las células hijas. Según el modo en que se produzca, existen varias modalidades de reproducción celular:

Bipartición o fisión binaria: es la forma más sencilla en organismos unicelulares. Al final de la telofase se forman unas invaginaciones en la membrana, que progresan hacia el interior hasta separar las dos células hijas, que inicialmente son más pequeñas que la célula madre. (Ej. Euglena)

Gemación: es un sistema de duplicación de organismos unicelulares donde por evaginación se forma una yema que recibe uno de los núcleos mitóticos y una porción de citoplasma. Uno de los organismos formados es de menor tamaño que el otro. (Saccharomyces cerevisiae).

Esporulación o división múltiple: el núcleo de la célula sufre varias mitosis sucesivas por lo que forma varios núcleos. Estos se rodean de una membrana y se forman pequeñas células dentro de la célula progenitora. Finalmente, llega un momento en que la célula progenitora rompe su membrana y las nuevas células salen al exterior.

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En las células vegetales el proceso presenta dos diferencias: Por carecer de centriolos, el movimiento de los cromosomas se lleva a cabo mediante fibras que se organizan desde dos lugares específicos de la

membrana situados en zonas opuestas de la célula. La citocinesis se produce en el espacio limitado por la pared celular rígida, y requiere la formación de nueva membrana y pared que separen las dos células hijas. Para ello en la zona media de la célula en división se acumulan vesículas procedentes del aparato de Golgi, que contienen las moléculas necesarias para la organización de estas

cubiertas. Las dos células hijas quedarán comunicadas por unos orificios llamados plasmodesmos (fig. 35).

5.4.4 La reproducción de las células sexuales: la meiosis

Los organismos superiores que se reproducen de forma sexual se forman a partir de la uníón de dos células sexuales especiales denominadas gametos en los animales y meiosporas en las plantas. Los gametos se originan mediante meiosis, proceso de división de las células germinales. La meiosis se diferencia de la mitosis en que sólo se transmite a cada célula nueva un cromosoma de cada una de las parejas de la célula original. Por esta razón, cada gameto contiene la mitad del número de cromosomas que tienen el resto de las células del cuerpo. Cuando en la fecundación se unen dos gametos, la célula resultante, llamada cigoto, contiene toda la dotación doble de cromosomas. La mitad de estos cromosomas proceden de un progenitor y la otra mitad del otro.

Los gametos formados poseen nuevas combinaciones de cromosomas. Los cromosomas homólogos, paterno y materno, se distribuyen al azar entre las cuatro células hijas.

Dado que la meiosis consiste en dos divisiones celulares, estas se distinguen como Meiosis I y Meiosis II. Ambos sucesos difieren significativamente de los de la mitosis. En una fase previa a la meiosis, llamada interfase, los cromosomas se duplican, dando como resultado cromosomas formados por dos cromátidas hermanas. En la meiosis I los cromosomas homólogos se aparean y se produce el entrecruzamiento, donde un fragmento de una cromátida de un cromosoma homólogo se rompe y se intercambia con la del otro homólogo. El entrecruzamiento es un mecanismo que permite la combinación de material genético.

Al final de la meiosis I, los cromosomas homólogos se separan y cada uno se dirige a un polo opuesto de la célula. Alrededor de cada grupo se forma una envoltura nuclear dando como resultado dos núcleos haploides (tiene la mitad del número de cromosomas del núcleo original).

En la meiosis II las cromátidas hermanas se separan y emigran a los polos opuestos de la célula. Alrededor de cada grupo de cromátidas, llamadas ahora cromosomas, se forma una envoltura y se forman 4 grupos haploides. Después se produce la citocinesis y se originan cuatro células haploides.

Estas células haploides no son iguales porque contienen las distintas combinaciones de los genes formadas mediante el entrecruzamiento.

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6.- LOS VIRUS

Los virus no tienen estructura celular, aunque tienen algunas semejanzas con las células: están compuestos por biomoléculas y tienen ácidos nucleicos que actúan como moléculas informativas. Por sí solos no pueden llevar a cabo ninguna función vital, por lo que está en discusión si se les debe considerar seres vivos.

La supervivencia de los virus requiere que se asocien con células, utilizando los componentes de éstas para reproducirse. Por esta razón se les considera parásitos de bacterias (bacteriófagos) o de células animales o vegetales.

Aunque presentan formas diferentes, todos los virus están formados por:

• una cápsida de proteínas, que constituye la cubierta externa

• una molécula de ácido nucleico en el interior, que puede ser ADN ó ARN, y permitirá controlar la síntesis de las proteínas de la cápsida y de otras necesarias para infectar a las células y reproducirse.

Cuando un virus entra en contacto con un ser vivo, debe penetrar en las células específicas que permitirán su reproducción. Para ello debe superar las barreras defensivas que presente el organismo (cutículas, caparazones, piel, sistema inmunitario, etc.). Cuando el virus está próximo a la célula, se adhiere a la membrana plasmática y se incluye en ella, completamente o al menos su material genético. Entonces se pone en marcha su ciclo de reproducción, que puede ser de dos tipos:

1. Ciclo lítico

Si el virus contiene DNA se incorpora al material genético de la célula. Si contiene RNA ocurre un proceso de transcripción inversa, que permite sintetizar DNA a partir de RNA, y también se incorporará a la célula.

A partir de ese momento, el material genético del virus controla la actividad celular, formando copias de su material genético y proteínas para la cápsida. Posteriormente se ensamblarán, formando nuevos virus, que producen la ruptura de la membrana celular y salen de ella para infectar nuevas células.

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2. Ciclo lisogénico

El ADN vírico se incorpora en el celular y permanece inactivo durante un tiempo variable, que depende del propio virus y de la célula. Cuando la célula se divide, sus descendientes llevan integrada en sus cromosomas una copia del ADN del virus sin que se manifieste su presencia. Transcurrido un tiempo y sin que se conozcan las causas, el ADN del virus inicia el control de la actividad de todas las células en las que se encuentra, desarrollando ciclos líticos como el que se ha descrito antes. Un ejemplo de este tipo de virus es el retrovirus, que produce el SIDA.

Los virus tienen importancia por los trastornos que producen en los organismos a los que infectan. Algunos producen enfermedades, como el resfriado, la gripe, la varicela o el SIDA entre otras. Nuestro organismo posee mecanismos de defensa: las barreras externas (piel, mucosas, etc.) y el sistema inmunitario, que combate los agresores mediante la producción de células defensivas que los fagocitan, o proteínas específicas (anticuerpos) que bloquean su actividad.

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