Citología y Fisiología celular

Introducción y teoría celular:

La célula es la unidad morfológica, estructural y funcional básica de la vida, pues es la parte más pequeña de un organismo que presenta las características propias de los seres vivos, es decir, es capaz de nutrirse, relacionarse y reproducirse.
En el siglo XVII Leeun Wenhoek (1632-1723), fue el inventor del primer microscopio, lo hizo aplicando el principio de las lentes covergentes (permitía ampliar la imagen), que descubrieron los hermanos Jansen en 1590.





Se dedicaba a ver muchas células (semen, agua de charcas podridas) y además las dibujaba.
Sus observaciones estaban mediatizadas por sus convicciones religiosas pseudocientíficas. Dibujaba lo que su religión le enseñó. Se creía en la generación espontánea, las dibujó pero no descubrió la célula.
La primera aproximación a la célula fue descubierta por Hooke 1665 con el microscopio observando corcho.
Veía unas celdas poliédricas que le recordaban a los panales de abejas. Lo que veía eran los huecos dejados por las células al morir.
Posteriormente se fue mejorando el perfeccionamiento técnico de observación, se descubrió el microscopio óptico (usa la luz para formar las imágenes) y mucho más tarde se inventó el microscopio electrónico (utiliza chorros de electrones para formar las imágenes). También se inventó un aparato para hacer cortes ultrafinos mediante microtomos, otra técnica fue tinciones selectivas, es decir, teñir orgánulos de forma diferente.
Todo esto permitió que hubiera muchos descubrimientos como: núcleo, citoplasma, aparato de Golgi, así hasta descubrir el interior de la célula.
En el año 1838-1839 dos investigadores alemanes, Schleiden (botánico) y Schwann (zoologo) por separado se dedicaron a observar muchos tejidos vegetales y animales. Ellos dos elaboraron la teoría celular.
La pseudociencia admitió la existencia de la célula (que se veian) pero su origen era por generación espontánea.
Lo que no explicaban en su teoría celular era como se originaba la célula.
En 1858 Virchow se dedicó a observar animales y plantas y vió que siempre procedían de una primera célula, su famosa máxima era "omnis célula e célula).
De esta forma Virchow cierra la teoría celular, quedando establecida como:
○La célula es el ser vivo más pequeño y más sencillo (unidad vital).
○Todos los seres vivos están compuestos por una o más unidades vivas llamadas células (unidad anatómica o estructural).
○Cada célula posee su propia actividad vital (unidad fisiológica o funcional).
○Toda célula procede de otra preexistente (unidad de origen o genética).

Origen, estructura general y niveles de organización celular:

1.-Niveles de organización:

Los niveles de organización son:
─ Nivel atómico→ bioelementos, se organizan en biomoléculas
─ Nivel molecular→ orgánicas, complejas
                               inorgánicas, sencillas
─ Nivel supramolecular→ orgánulos
                                         virus
─ Nivel celular→ procariotas, bacterias
                           eucariotas, levadura, protozoo
─ Nivel pluricelular→ tejido, conjunto de células
                                  órgano, conjunto de tejidos
                                  aparato/sistema, formado por órganos de diferentes orígenes
─ Nivel población
─ Nivel ecosistema→ ecosfera (biosfera)

Las macromoléculas son extraordinariamente complejas (proteínas, ácidos nucleicos) pero no son un nivel de organización biótico. No son capaces de realizar las funciones vitales, se asocian entre sí formando complejos supramoleculares (proteína + ácido nucleico = ribosomas, orgánulos no bióticos).
Sólo la célula tiene una alta complejidad, suficiente para realizar funciones vitales y ser autónomas. Este sería el primer nivel biótico de los seres vivos.
Según su complejidad hay dos tipos celulares, las más primitivas, procariotas y las más evolucionadas, eucariotas. Son dos tipos de organización celular que existen en los seres vivos.
Junto a esto hay otro tipo de organización no celular en los seres vivos, que son los virus.
Los virus comparados con la célula son sencillos (complejos supramoleculares), están formados por ácido nucleico + proteína, no son capaces de realizar por sí mismo las funciones vitales, no tienen metabolismo, ni nutrición, ni reproducirse por sí mismo, sólo hacen la función vital de relación, son parásitos obligados.
Se dice que es la frontera entre lo vivo y lo inerte.

2.-Origen y estructura general de las células:

Las células surgieron hace 3500 millones de años, en una atmósfera primitiva reductora (rica en NH3, CH4, H2, H2Ov) y energética, procedía de los volcanes, rayos ultravioletas y descargas eléctricas.
En estas condiciones se forman los monómeros que terminaban por caer al océano primitivo, que se llama "gran cardo" o "sopa primigenia".



Estos monómeros se forman en sus polímeros:
-aminoácidos→proteínas
-ácidos grasos→lípidos
-nucleótidos→ácidos nucleicos
Un ADN con una serie de proteínas quedó envuelto en una membrana lipídica, se había originado la primera célula.
Esta célula fue procariota, la más sencilla, se había originado la primera bacteria, que sería heterótrofa, fermentativa y anaeróbica.
Se alimentaba de materia orgánica del océano primitivo sin oxígeno porque no existía. Hasta que empezó a escasear el alimento, que constituye la primera crisis energética.
En esta situación la selección natural lo que hizo fue favorecer a unos procariotas capaces de fabricar su propio alimento a partir de la materia inorgánica (fotosíntesis).
Aparecieron las primeras algas cianofíceas (verde-azuladas). Estas algas aseguraban la perpetuación de la vida sobre la Tierra.
Las células eucariotas aparecieron hace 1500 millones de años. Se cree que apareció con la fusión de dos células procariotas que originó el núcleo y los orgánulos membranosos. este eucariota primitivo adquirió la capacidad de realizar la fagocitosis (capacidad de algunas células de destruir las bacterias o agentes nocivos para el organismo).
Cuando fagocitó a un procariota heterótrofo dió lugar a la mitocondria, monómeros + oxígeno, produce energía (respiración celular).
Cuando fagocitó a un alga cianofícea dió lugar a un cloroplasto, materia inorgánica + luz (monómeros).
Cuando mitocondrias y cloroplastos transfirieron a la célula los genes necesarios para su independencia se habían convertido desde célula independiente a orgánulo celular eucariota. Todo esto se conoce como teoría endosimbiótica.

Procariota:
Tiene un diámetro de 1-10µm. Son más sencillas y más primitivas.
Todas presentan pared celular no celulósica, tanto animal como vegetal.
Me,brana plasmática, ribosomas 70s (síntesis de proteínas), único orgánulo que poseen las células procariotas es el más fundamental. Su ADN no tiene proteínas, forma un único cromosoma circular que está desnudo (sin membrana nuclear), se encuentra en una posición central, se llama nucleoide.
Pro = primitivo, carión = núcleo, tienen un núcleo primitivo.
Flagelos (flagelina).



Eucariota:
Tiene un diámetro entre 10-100µm. Son más complejas.
La diferencia fundamental es la compartimentación de orgánulos membranosos. Estos compartimentos permiten realizar más funciones.
Permite que la célula pueda realizar distintas reacciones químicas aunque sean incompatibles.
Presentan membrana nuclear = núcleo, un compartimento más.
Eu = verdadero, carión = núcleo, tiene núcleo verdadero.
ADN asociado a proteínas = cromatina, que luego forma los cromosomas en división.
Tienen nucleolo donde se produce la síntesis de ARNr.
Núcleo, orgánulo membranoso, retículo endoplasmático que se encarga de la síntesis y tratamiento de lípidos y proteínas, aparato de Golgi (síntesis de glúcidos y tratamiento de sustancias dedicadas a la exportación o almacenamiento de lisosomas).
Tienen ribosomas 80s (síntesis de proteínas).
Mitocondria que realizan la respiración celular, monómeros + oxígeno→ CO2 + H2O + energía.
Tienen cilios y flagelos (tubulina).




Los vegetales son iguales que los animales pero además presentad pared celular (celulosa), plastos (almidón), cloroplastos (pigmentos fotosintéticos) son los que realizan la fotosíntesis.
Tienen muchísimas vacuolas (90% de la célula), sin centrosoma que realiza los movimientos del cromosoma durante la división.
Sólo bacterias y algas verde-azuladas (cianofíceas) son procariotas, todos los demás tienen células eucariotas.
La gran variedad de estructuras y funciones celulares en los distintos tejidos se debe a la diferenciación celular, todas el total del ADN, represión irreversible del 90% de los genes + 10% está formado de proteínas que son las que van a dar su estructura y función.

Membranas celulares:

La aparición espontánea de la primera membrana fue lo que dió lugar a la primera célula.
La membrana celular es una frontera entre el interior y el exterior de la célula, es una frontera activa que mediatiza los intercambios entre la célula y el medio.
En la membrana se localiza  reacciones químicas y otras funciones de la membrana.
Se conoce hace poco tiempo porque sólo se puede ver con un microscopio electrónico. Para su estudio se utiliza eritrocitos, glóbulos rojos (no son células, son semicélulas que tienen muchas membranas).
Se purifica la membrana y se ve que en su composición se tiene un 40% de lípidos y un 60% de proteínas, es semejante a la mayoría de las membranas.
Hay membranas que están más especializadas en alguna función.




1.-Lípidos:

Son la mayoría fosfolípidos, glucolípidos, colesterol sólo en células animales y fitoesteroides en las células vegetales.
Tienen una característica en común, polar/apolar o hidrófila/lipófica, caracter anfipático.
Comportamiento en medio acuoso, forman bicapas y micelas.
Le dan la estructura a la membrana pero también le dan propiedades de los lípidos que las constituyen.
Propiedades:
○Autoensamblaje. Permite la fusión de membranas sin pérdida de continuidad (pompas de jabón). Sin contacto con el medio, esto permite explicar el funcionamiento de los liposomas, son vesículas de fosfolípidos con medicamentos cosméticos para que llegue a la piel. Permite la endocitosis (proceso por el que una célula captura sustancias extracelulares).
○Autosellado. Rotura de la membrana sin perder continuidad. Cuando se tocan se sellan. Permite la exocitosis (proceso celular por el cual las vesículas situadas en el citoplasma se fusionan con la membrana citoplasmática y liberan su contenido). Se debe a la afinidad química de ssu lípidos por anfipáticos.
○Fluidez. Las membranas son fluidas, más o menos líquidas (dispersión). Están formadas por bajo punto de fusión de lípidos, ácidos grasos cortos más insaturados. Además los enlaces son siempre débiles (Van der Waals, hidrofóbicos), fluidas y flexibles. Permiten la difusión de las moléculas de la membrana (difusión lateral), síntesis de proteínas asociadas a la membrana (tunel). difusión de arriba a bajo no es posible por el colesterol. El colesterol estabiliza la bicapa e impide que se convierta en monocapa, no difusión de arriba a abajo.
○Impermeable. La memebrana es apolar, separa las capas polares. Son impermeables para las sustancias polares y/o que tienen cargas. También para las moléculas que son muy grandes, que llevan un sistema de transporte específico.

2.-Proteínas:

Las proteínas dan a la membrana sus funciones.
Las posiciones de las proteínas en la bicapa estan según su lipoficidad (hidrófoba), olo apolar que sea. Así serán más fáciles o díficiles de separar, también dependen de su lipoficidad.
Son potreínas intrínsecas o integrales, son parte de la membrana (lipófilas).
Son proteínas extrínsecas o periféricas (lipófobas).
Igual que los lípidos también tienen difusión lateral. Difunden más espacio porque tienen más peso molecular.

3.-Oligosacáridos:

Son cadenas entre 2-10 monosacáridos. Se encuentran combinados con algunos lípidos y algunas proteínas de a membrana, son los glucolípidos y las glucoproteínas.
Típicamente se encuentran en la cara externa de la membrana y constituye el glicocálix.

4.-Modelo mosaico fluido:

Singer y Nicholson en 1972 lo utilizaron como modelo para explicar la membrana que aún está vigente.
Las moléculas, lípidos y proteínas que forman las membranas forman un puzzle (mosaico), fluido y flexible que le permite a las moléculas difundirse literalmente.
Las membranas son asimétricas por el glicocálix, las proteínas son extrínsecas.

Funciones de la membrana:

Se deben a las proteínas que tienen un papel en la división celular.
Las más importantes tienen que ver con el intercambio con el medio y otra sería las reacciones químicas que se localizan en la membrana.
Estas reacciones tienen que ver con los intercambios de materia y /o información con el medio, otras con el movimiento de las células.
Funciones:
○Transportadores. De sustancias con el medio.
○Identificación celular. Como si fuera el carnet de identidad de las células, permite el reconocimiento celular (el sistema inmunitario lo rechaza), esto es el glicocálix.
○Receptores de hormonas no lipídicas. Transmite su orden a través de los receptores hormonales. Los receptores son proteínas y todas son específicas. La hormona es un sistema químico de transmisión de la información, va por la sangre, sólo afecta a aquella que tiene ese receptor, sólo afecta a células diana con receptores para esa hormona.
La adrenalina es el primer mensajero, la célula fabrica AMPc, que es el segundo mensajero, éste desencadena la respuesta celular a la hormona. Por un lado se modifica la permeabilidad de la membrana, aumenta la velocidad del metabolismo, regula la expresión genética (teoría del operon).
El AMPc desencadena en el interior de la célula la respuesta, activa los enzimas reguladores, se activa la fosforilasa quinasa ( 2Fb→Fa), enzimas modulados covalentemente, también activa enzimas alostéricos. Siempre que hay una transmisión química de la información (hormonas, neurotransmisores), debe ser destruido inmediatamente el transmisor para no producir un efecto continuo.
La enzima fosfodiesterasa destruye el AMPc, la cafeína destruye la fosfodiesterasa, la cafeína mantiene más tiempo el estado de excitación de la adrenalina.
○Actividad ATP asica. Algunas de sus proteínas realizan la hidrólisis del ATP.
H2O + ATP ↔ ADP + Pi + E
Tiene que ver con el transporte, con los movimientos celulares debidos a las proteínas contráctiles (músculos).

1.-Transporte de pequeñas moléculas:

Las membranas son semipermeables, tienen una permeabilidad selectiva. Resulta impermeable para las grandes moléculas y también para otras moléculas polares y/o con cargas.
El transporte puede ser pasivo (espontáneo sin consumo de energía) o activo (con consumo de energía).
La membrana ejerce siempre el control sobre las sustancias.

1.1.-Pasivo:

El transporte es pasivo cuando un soluto es empujado por la presión osmótica, se mueve a favor de un gradiente de concentración o químico (se llama difusión).
Puede ocurrir también que una sustancia, más soluto más cargas eléctricas sea gradiente eléctrico cuando halla diferencia de cargas.
Cuando se disuelve y tiene carga es gradiente electroquímico (gradiente eléctrico + químico = gradiente electroquímico).
Difusión simple es la forma que tiene de atravesar la membrana las sustancias apolares (ácidos grasos, O2, N2, hormonas lipídicas, insecticidas), disuelven en los lípidos la membrana, atraviesan por difusión.
Sustancias polares (H2O, iones) no disuelven los lípidos de la membrana, atraviesan la membrana a través de las proteínas intrínsecas (transmembrana), formando canales acuosos para el agua o ionoforos para los iones.
Difusión facilitada , entran moléculas que son más grandes y que además pueden ser y/o polares (aminoácidos, monosacáridos), necesitan la ayuda de un transportador, son proteínas de la membrana que como todas las proteínas son específicas (cada transportador es específico para un tipo de sustancia), se unen a un ligando (aminoácidos, monosacáridos).
Cuando se unen al ligando se produce un cambio de estructura que le hace girar en la membrana y suelta el ligando. Cambiando la estructura e introduciendo la sustancia siempre a favor del gradiente electroquímico.



1.2.-Activo:

Es exactamente igual que en la difusión facilitada, la diferencia es que el transporte es contra el gradiente.
El cambio estructural del transportador consume energía.
Las moléculas más grandes como virus y bacterias llevan otros mecanismos específicos de transporte, como son la pinocitosis y la fagocitosis.

Pared celular:

Es exclusivo de las células vegetales eucariotas. Está formada por unas sustancias secretadas (secrección) por las células.
Es un orgánulo "extracelular". Como toda secrección lo hace a través del Aparato de Golgi (también sintetiza los componentes de la pared celular).
La formación de la pared celular comienza cuando  se divide una célula. Se forma desde la división celular, formación lámina media. Se llama citocinesis por tabicación.
La lámina media está constituida por polisacáridos y glucoproteínas. Se añaden nuevas capas por aposición (unas capas sobre otras).
Por aposición en la lámina media se pueden juntar entre 3 o 4 capas que están formadas por celulosa y cemento.
Celulosa, son haces paralelos en cada capa y cruzados con la capa anterior y posterior, su estructura y consistencia es cuasicristalina.
Cemento, está formado de polisacáridos, hemicelulosa, preoteínas y sales.
Todo esto constituye la pared primaria.
La pared primaria se caracteriza porque predomina el cemento sobre la celulosa. Es típico de las células embrionarias.
En el meristemo (tejido embrionario) apenas se diferencian, según se van quedando atrás se produce la diferenciación celular (distintos tejidos adultos).
Cuando se da la diferenciación celular se forma la pared secundaria por aposición de la primera.
La pared secundaria tiene de 3 a 20 capas. En ella predomina la celulosa sobre el cemento. Es una pared estándar, sobre esta pared algunas células sufren modificaciones.
Las células que hacen de sosten o las que forman vasos, en la pared secundaria acumulan lignina (proteína rígida), las células de la epidermis producen cutina (cera), las semillas de las gramíneas acumulan Si, CaCO3 para endurecer la semilla, en el corcho suberina que es impermeable e inifugo.





Funciones de la pared celular:

La pared celular sostiene, da rígidez y forma las células vegetales y también protege del choque osmótico. No necesitan esqueleto.
Las células vegetales no tienen plasmolisis porque no explotan, tienen turgencia.
Como es impermeable, las células se comunican a través de unos orificios que atraviesan la pared (punteaduras), que permiten el contacto entre las membranas.
En algunos casos en células más evolucionadas es cuando la célula se divide, la división no es completa, comparten el retículo endoplásmico son los plasmodesmos (citocinesis por tabicación).

Hialoplasma soluble:

Entre la membrana nuclear y la membrana plasmática se encuentra el hialoplasma (líquido).
Es un líquido gelatinoso, dispersión coloidal en estado de sol, por eso al hialoplasma se le conoce por el nombre de citosol, esto sería el medio interno de la célula.
El hialoplasma es amorfo está estructurado por el citoesqueleto (esqueleto de las células).
Si se le quita el citoesqueleto y las inclusiones (almidón/glucógeno envuelto en membrana, gotas de lípidos desnudas (sin membrana), cristales de pigmentos o proteínas) queda el hialoplasma soluble (hialino traslúcido).
Está formado en un 85% de H2O + monómeros + iones + metabolitos (son sustancias intermedias del metabolismo)+ ARNs + muchas enzimas.
Las enzimas del metabolismo necesarias que ocurren en el hialoplasma son síntesis de proteínas de ribosomas libres, catabolismo anaeróbico de los azúcares y la conversión mecanoquímica de la energía (energía química en movimiento).
El metabolismo que ocurre en el hialoplasma es metabolismo intermediario, comienza y termina en un orgánulo sólo partes intermedias en hialoplasma.
El hialoplasma es el lugar de la encrucijada metabólica.

Orgánulos no memebranosos:

Citoesqueleto y estructuras afines:

El citoplasma está ocupado por un líquido viscoso, coloide, dispersión en estado sol. Siendo un líquido no es amorfo (hialoplasma).
Está estructurado por red de proteínas (citoesqueleto), que da forma a la célula. Sostiene a los orgánulos y está relacionado con los movimientos celulares.
Estructuras afines al citoesqueleto y el citoesqueleto son diferentes estructuras semejantes entre sí y a los filamentos de las células musculares. Son inhibidos por un metabolito citocolasina B (moho).
Los movimientos celulares son fagocitosis, exocitosis, anillo contractil, ciclosis, movimiento de los cromosomas, de los cilios, de los flagelos, contracción muscular, todos son inhibidos por la citocolasina B (dejan de ocurrir). Ciclosis (corrientes citolplasmáticas).
Si todos se inhiben por el mismo tipo de sustancia quiere decir que todos están formados por proteínas parecidas que realizan interacciones semejantes.
Contracción muscular, las células musculares están completamente abarrotadas de unos filamentos llamados miofibrillas.
En estos filamentos se repiten unas estructuras lllamadas sarcómeros, sería la unidad estructural y funcional de la célula muscular.
Un sarcómero está formado por dos tipos de filamentos, filamentos gruesos (miosina) que son fijos por la base y filamentos delgados (actina) que se encuentran entre los filamentos gruesos, éstos son flotantes no están unidos a nada.
Función del sarcómero, la miosina tiene unas cabezas, en un músculo relajado los filamentos gruesos y delgados están separados. Durante la contracción las cabezas de la miosina se unen a los filamentos delgados y después se produce un cambio de orientación de las cabezas de la miosina con consumo de energía.
Se produce un deslizamiento de los filamentos gruesos (fijos) sobre los delgados (flotantes), no se acortan los filamentos se deslizan, se acorta el sarcómero.
Toda la célula muscular y el músculo se acorta. Esto se llama el modelo de los filamentos deslizantes, que es el que explica la contracción muscular.
Los movimientos celulares se deben a estructuras derivadas del citoesqueleto producidas por tres tipos de filamentos.





1.-Los microfilamentos:
Tienen un diámetro de 4 nm (10(-9) m). Están formados de actina. La actina es una proteína globular que polimeriza en dos hebras enrolladas helicoidalmente. Son los responsables de los cambios en longitud de las membranas, endocitosis y exocitosis (invaginaciones y evaginaciones de la membrana). Causados por los filamentos.
Por los mismos filamentos se produce el anillo contractil de la citocinesis animal.

2.-Filamentos intermedios:
Tienen un diámetro entre 8-10 nm. Varían en cada tipo celular, encontramos:
○ Neurofibrillas en las neuronas. Los neurotransmisores se fabrican en el Aparato de Golgi.
○ Queratina de las células epidérmicas.
○ Citoesqueleto.
Los filamentos intermedios producen la ciclosis (corrientes plasmáticas), sirven para mover cosas en la célula o a ella misma. Se produce movimiento, ciclosis.

3.-Microtúbulos:
Tienen un diámetro de 25 nm y están formados de una proteína globular que se llama tubulina, se caracteriza porque polimeriza en tubos.
Estos tubos organizados de distintos modos son los responsables de los movimientos del cromosoma durante la división, forman cilios, flagelos, centriolos, corpúsculos basales y base de sustentación del citoesqueleto.
Los filamentos intermedios están pegados a los microtúbulos.
Algunas son estructuras más o menos complejas, algunas son lábiles (se rompen fácilmente), da forma como el huso acromático.
Esto permite a la célula adaptarse a las condiciones de vida. Más estables son los cilios, flagelos y centriolos.
La tubulina se ensambla para formar los microtúbulos siempre en cierta orientación, se llama polaridad.
Poe el lado que se ensambla, se polimerizan, se organizan, es decir, crecen y por el otro lado se despolariza, se desorganiza, es decir, acortan.
Todos estos elementos del citoesqueleto se forman a partir del centro organizador de los microtúbulos. Se encuentra en un orgánulo exclusivo animal llamado centrosoma.

3.1.-Centrosoma:
Es un pequeño orgánulo estrellado en la periferia del núcleo y rodeado del Aparato de Golgi.
Está formado por dos centriolos, cilindros de proteínas, que están colocados perpendicular uno del otro.
Alrededor de los centriolos se encuentra la sustancia pericentriolar, aquí nos encontramos la tubulina y enzimas necesarias para su polimerización.
Esto es el centro organizador de los microtúbulos, desde ahí crecen hacia arriba.
Los animales son los que tienen centrosoma.
Los vegetales no tienen centrosoma, pero si centro organizador de los microtúbulos, zonas más densas y amorfas que tienen en los polos de las células.



3.2.-Cilios y flagelos:
Lo presentan las células animales y vegetales.
Se diferencian en el número, en la longitud y en el tipo de movimiento que realizan.
Los flagelos se encuentran en 1 o 2, son largos y producen un movimiento de propulsión.
Los cilios son muchos, son cortos y reman.
Son extraordinariamente semejantes, estructural y funcionalmente.