Biología molecular

La biología celular o bioquímica celular (anteriormente citología, del griego κύτος, que significa ‘célula’) es una disciplina académica que se encarga del estudio de las células en lo que respecta a las propiedades, estructura, funciones, orgánulos que contienen, su interacción con el ambiente y su ciclo vital.

La biología celular se centra en la comprensión del funcionamiento de los sistemas celulares, de cómo estas células se regulan y la comprensión del funcionamiento de sus estructuras. Una disciplina afín es la biología molecular.Con la invención del microscopio óptico fue posible observar estructuras nunca antes vistas por el hombre, las células. Esas estructuras se estudiaron más detalladamente con el empleo de técnicas de tinción y de cito-química y con la ayuda fundamental del microscopio electrónico.

La biología celular tiene 4 puntos fundamentales:

La célula es la unidad anatómica y fisiológica de todos los seres vivos. Unidad anatómica quiere decir que los organismos vivos están formados por una o muchas células. Unidad fisiológica significa que el conjunto del organismo funciona porque todas las células funcionan.

Cada célula procede de una célula madre o anterior por división de esta última.

La información necesaria para el funcionamiento de la célula y para la división de ésta, está depositada en el núcleo en forma de ADN. El ADN se transmite de generación en generación (de célula madre y células hijas).

Las reacciones químicas que tienen lugar en los organismos vivos (metabolismo) se realizan en el interior de las células.   

Estudios estructurales

La primera referencia al concepto de célula data del siglo XVII, cuando el inglés Robert Hooke utilizó este término, para referirse a los pequeños huecos poliédricos que constituían la estructura de ciertos tejidos vegetales como el corcho (y por su parecido con las habitaciones de los sacerdotes llamadas celdas).

No obstante, hasta el siglo XIX no se desarrolla este concepto considerando su estructura interior. Es en este siglo cuando se desarrolla la teoría celular, que reconoce la célula como la unidad básica de estructura y función de todos los seres vivos, idea que constituye desde entonces uno de los pilares de la biología moderna.

Fue esta teoría celular la que impulsó en buena medida las investigaciones biológicas al terreno microscópico, pues las células no son visibles a simple vista. La unidad de medida utilizada es el micrómetro (μm) antes conocida como micra, existiendo células de entre 2 y 20 μm.

La investigación microscópica pronto daría lugar al descubrimiento de la estructura celular interna incluyendo el núcleo, los cromosomas, el aparato de Golgi, las mitocondrias y otros orgánulos celulares, así como la identificación de la relación existente entre la estructura y la función de los orgánulos celulares.

Ya en siglo XX, la introducción del microscopio electrónico reveló detalles de la megaestructura celular, y aparecieron la histoquímica y la citoquímica. También se descubrió la base material de la herencia, con los cromosomas y el ADN, y nació la citogenética

NIVELES DE ORGANIZACIÓN CELULAR

En la organización celular se distinguen varios niveles:

MOLECULAR

En los organismos vivos pueden ser orgánicas, como proteínas, lípidos, ácidos nucleicos (ADN, ARN) e inorgánicas, como agua, fosfato de calcio (en los huesos), carbonatos, bicarbonatos, etc. Estas moléculas establecen interacción entre sí formando un nivel de organización submolecular.

SUBCELULAR

Donde hay dos tipos de estructura:

Virus: no se pueden considerar seres vivos, ya que no se reproducen por sí mismos, sino que necesitan invadir una célula para reproducirse.

Orgánulos celulares: aunque forman parte de la célula, por sí mismo no se pueden reproducir, sino que lo hacen el conjunto de la célula. Los orgánulos, junto con la membrana y el núcleo forman la célula.

CELULAR

La célula.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN

Nivel molecular:

Moléculas orgánicas: glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos (ADN, ARN)

Moléculas inorgánicas: fosfato de calcio, agua, carbonato, bicarbonato, etc.

Las moléculas establecen interacciones entre sí y dan lugar al nivel de organización subcelular.

Nivel de organización subcelular:

Virus.

Orgánulos celulares. Los orgánulos celulares interaccionan entre sí y dan lugar a la célela.

La célula:

Células procariotas.

Células eucariotas.

LA CÉLULA

La célula es la unidad básica más pequeña del ser vivo. Es decir, la cantidad más pequeña de materia viva que posee vida propia, que nace, crece, se reproduce y muere.

Las células son pequeñísimas cavidades o celdillas que presentan diversas formas: estrelladas, alargadas, redondeadas, cúbicas, poligonales, ect. Pero la forma más común es la redondeada.

En general, son tan pequeñas que no pueden verse a simple vista, sino a través del microscopio. Se miden en micras (1 micra = milésima parte de 1 mm.). Suelen medir de 5 a 50 micras de diámetro, Algunas, no obstante, son mucho mayores: hay fibras vegetales que llegan a medir 20 cm. Las yemas de los huevos de las aves son también células de gran tamaño.

En la célula se distinguen dos partes fundamentales: el citoplasma y el núcleo. Ambas han de vivir unidas. No puede ninguna de ellas vivir independientemente.

• El citoplasma es una masa transparente y viscosa parecida a la clara de huevo. Representa la mayor parte de la materia que constituye la célula. En su interior se encuentra el núcleo. Envolviendo al citoplasma se encuentra la membrana, que se considera como parte de aquél.
• El núcleo es una masa de forma esférica que se halla en el interior del citoplasma.

En resumen, podemos decir que la célula es un conjunto de orgánulos, cada uno de los cuales tiene su propia función.

Para estudiar la célula con un microscópio óptico (formado por un sistema de lentes) que aumenta la imagen de 100 a 2.000 veces, ésta se verá de forma muy elemental. La célula se vería así:

Núcleo Los orgánulos no se ven bien

Citoplasma

Membrana

citoplasmática

Para ver la estructura de los orgánulos se necesita un microscopio electrónico que aumenta de 10.000 a 100.000 veces. Con ellos ya se ven bien y se pueden estudiar estos orgánulos.

Para alcanzar sus objetivos, los biólogos celulares se ven obligados a estudiar los componentes de la célula a nivel molecular (biología molecular).

Componentes principales del estudio celular:

• membrana plasmática
• citoesqueleto
• núcleo celular
• ribosomas
• retículo endoplásmico
• aparato de Golgi
• mitocondrias
• cloroplastos
• lisosomas
• peroxisomas
• vacuolas
• pared celular
• tráfico intracelular de membranas

TIPOS DE CÉLULAS

Según su grado de complejidad y organización, las células pueden clasificarse en dos grupos: a) células procariotas y b) células eucariotas. Se diferencian por su estructura, complejidad, metabolismo, orgánulos, etc.

CÉLULAS PROCARIOTAS

Las células procariotas son más pequeñas y poseen una menor complejidad organizativa. PRO significa primitivo, que no está muy desarrollado. CARIO significa que el núcleo es muy primitivo o que el material genético no está dentro de los límites del núcleo, sino desparramado por el interior de la célula.

• No tienen orgánulos membranosos: los únicos que tienen son los RIBOSOMAS.
• Tienen como principal característica carecer de envoltura nuclear, por lo que su ADN aparece en el citoplasma en una región denominada nuclear o nucleoide.
• El ADN suele ser una única molécula cíclica y se empaqueta mediante proteínas no histonas.
• Por fuera de la membrana celular tienen una pared bacteriana.
• Tienen una gran versatilidad metabólica, ya que pueden realizar muchas reacciones químicas.
• Siempre se presentan de forma unicelular.
• Los organismos procariotas más conocidos son: las bacterias, los micoplasmas, las algas cianofíceas.

CÉLULAS EUCARIOTAS

EU significa verdadero. Son más grandes y poseen una mayor complejidad organizativa.

• Tienen un núcleo verdadero, delimitado por una envoltura membranosa, en cuyo interior se halla el material genético o ADN, por lo que está separado del resto del material de la célula. El ADN, debido a la mayor complejidad estructural y fisiológica de este tipo de células, es muy abundante y aparece dividido en varias moléculas lineales y empaquetadas por su asociación a proteínas (histonas). Hay células que no tienen núcleo (como los hematíes, que viven 128 días y luego mueren).
• Tienen orgánulos membranosos en su interior (aparato de Golgi, retículo endoplasmático, etc.).

Hay dos tipos de células eucariotas: 1) vegetales y 2) animales que se diferencian en los orgánulos y en la forma de nutrirse.

CÉLULAS VEGETALES

Carecen de centrosoma, pero tienen orgánulos exclusivos que no tienen otro tipo de células, que son:

• La pared celular, formada por capas de celulosa, depositadas sobre la membrana celular.
• los cloroplastos, que contienen clorofila, la cual da el color verde a las plantas. Son exclusivos de las células vegetales.

El tipo de nutrición de las células vegetales se llama fotosíntesis o alimentación autótrofa, ya que sintetiza su propio alimento mediante la luz solar, el agua y los minerales que absorbe de la tierra y el anhídrido carbónico que toman del aire. La fotosíntesis la realizan de la siguiente forma: toman 6CO2, las combinan con 6H2O + luz y transforman la materia inorgánica en glucosa (6H12O6) y desprenden 6 O2 (oxígeno) Este tipo de alimentación tiene lugar en los cloroplastos.

CÉLULAS ANIMALES

No tienen pared celular ni cloroplastos (orgánulos propios de los vegetales), pero sí tienen otros exclusivos que les permiten moverse (a algunas), como los cilios, los flagelos, el citocentro. Tienen centrosoma

El tipo de alimentación es heterótrofo: se alimentan de materia orgánica ya formada (glúcidos, lípidos, proteínas, etc.) que provienen de los vegetales o de otros animales. Esta materia se transforma en los orgánulos para dar la energía necesaria a otros seres vivos.

RESUMEN

NIVEL DE ORGANIZACIÓN orgánicas

MOLECULAR

(MOLÉCULAS) inorgánicas

Virus

NIVEL DE ORGANIZACIÓN SUBCELULAR

Orgánulos

NIVEL ORGANIZATIVO CELULAR: célula (conjunto de orgánulos).

PROCARIOTAS EUCARIOTAS

Vegetales Animales

CÉLULA EUCARIOTA ANIMAL

Las partes de una célula eucariota animal son, desde el exterior hacia el interior, las siguientes:

Membrana citoplasmática.

Citoplasma:

Hialoplasma

Morfoplasma

Ribosomas

Retículo endoplasmático (liso y rugoso)

Aparato de Golgi.

Mitocondrias.

Lisosomas.

Peroxisomas.

Citocentro (centrosoma).

Cilios y flagelos.

Núcleo:

Membrana nuclear.

Cromatina (ADN) / Cromosomas

Nucleolo (ARN)

LA MEMBRANA CITOPLASMÁTICA

La membrana citoplasmática (membrana citoplasmática + membrana de secreción o matriz extracelular), que es la parte más externa de la célula. Es una delgada lámina que envuelve completamente a la célula y la separa del medio externo. Esta lámina, al no ser rígida, permite movimientos y deformaciones de la célula. La membrana puede presentar deformaciones o prolongaciones, como los cilios, flagelos,microvilli, estereocilios, micropúas, pseudópodos, lamelipodios, etc., generalmente sostenidos por una red de filamentos de actinia y/o microtúbulos. Las células de los tejidos presentan estructuras de contacto que las mantienen unidas; estas estructuras son: desmosomas puntuales, desmosomas de banda, uniones herméticas y uniones gap.

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MEMBRANA CITOPLASMÁTICA

La membrana citoplasmática está constituida por una doble capa de lípidos (fosfolípidos, esfingolípidos y colesterol) a la que se adosan moléculas proteicas, las cuales pueden situarse en ambas caras de la superficie de dicha doble capa o incrustarse en la misma. Esta estructura molecular recibe el nombre de membrana unitaria, ya que es igual en todas las células y en todos los orgánulos celulares que presentan membrana. Esquemáticamente, la membrana tendría esta composición química:

fosfolípidos

Lípidos Esfingolípidos

Composición química Colesterol

Proteínas

Glúcidos

Los fosfolípidos están formados por 1 molécula de glicerol + 2 de ácido graso + 1 de ácido fosfórico.

El glicerol tiene la siguiente estructura:

CH2 - OH

CH - OH

CH2 - OH

Los hidrógenos de los radicales del glicerol son sustituidos por:

CH2 - O -

Insolubles en agua (hidrófobos)

CH - O -

CH2 - O - Soluble en agua (hidrófilo)

Así, la molécula de glicerol se representa como una estructura que tiene una parte (cabeza) hidrófila y otras dos opuestas (colas) que son hidrófobas. Este tipo de moléculas se llama anfipáticas por que tienen dos parte bien diferenciadas: una parte hidrófoba (rechaza el agua) y otra hidrófila (se diluye en agua). Se representan así:

ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA CITOPLASMÁTICA

La membrana citoplasmática tiene estructura de bicapa lípida (fosfolípidos). Hay que tener en cuenta que aunque tiene dos capas, es una sola membrana. Estas dos capas de fosfolípidos (bicapa lípida) están estructurada de la siguiente manera:

Las cabezas (hidrófilas) están orientadas hacia el medio acuoso (exterior e interior de la célula).

Las colas (hidrófobas) se orientan hacia el interior de la membrana

El colesterol está intercalado entre los fosfolípidos de la monocapa interna; en la externa no hay.

Las proteínas están intercaladas en la bicapa de fosfolípidos. Las proteínas se disponen de tal modo que sus radicales polares (hidrófilos) quedan fuera de la membrana y sus radicales lipófilos establecen contactos con los lípidos de la membrana.

Glúcidos que se adosan en el exterior de la bicapa externa de la membrana citoplasmática formando el glucocálix / membrana de secreción / matriz extracelular.