Las células vivas son un sistema bioquímico complejo. Las características que permiten diferenciar las células de los sistemas químicos no vivos son:
- Nutrición. Las células toman sustancias del medio, las transforman de una forma a otra, liberan energía y eliminan productos de desecho, mediante el metabolismo.
- Crecimiento y multiplicación. Las células son capaces de dirigir su propia síntesis. A consecuencia de los procesos nutricionales, una célula crece y se divide, formando dos células idénticas a la célula original, mediante la división celular.
- Diferenciación. Muchas células pueden sufrir cambios de forma o función en un proceso llamado diferenciación celular. Cuando una célula se diferencia, se forman algunas sustancias o estructuras que no estaban previamente formadas y otras que lo estaban dejan de formarse. La diferenciación es a menudo parte del ciclo celular en que las células forman estructuras especializadas relacionadas con la reproducción, la dispersión o la supervivencia.
- Señalización. Las células responden a estímulos químicos y físicos tanto del medio externo como de su interior y, en el caso de células móviles, hacia determinados estímulos ambientales o en dirección opuesta mediante un proceso que se denomina quimiotaxis. Frecuentemente en seres pluricelulares las células pueden interaccionar o comunicarse con otras células, generalmente por medio de señales o mensajeros químicos, como hormonas, neurotransmisores, etc., en complicados procesos de comunicación celular y transducción de señales.
- Evolución. A diferencia de las estructuras inanimadas, los organismos unicelulares y pluricelulares evolucionan. Esto significa que hay cambios hereditarios que pueden influir en la adaptación global de la célula o del organismo superior de modo positivo o negativo. El resultado de la evolución es la selección de aquellos organismos mejor adaptados a vivir en un medio particular.
Las propiedades celulares no tienen por qué ser constantes a lo largo del desarrollo de un organismo: evidentemente, el patrón de expresión de los genes varía en respuesta a estímulos externos, además de factores endógenos. Un aspecto importante a controlar es la pluripotencialidad, característica de algunas células que les permite dirigir su desarrollo hacia un abanico de posibles tipos celulares. En metazoos, la genética subyacente a la determinación del destino de una célula consiste en la expresión de determinados factores de transcripción específicos del linaje celular al cual va a pertenecer, así como a modificaciones epigenéticas. Además, la introducción de otro tipo de factores de transcripción mediante ingeniería genética en células somáticas basta para inducir la mencionada pluripotencialidad, luego este es uno de sus fundamentos moleculares.
La función de nutrición celular
La membrana de la célula pone en comunicación a la célula con el medio exterior, con el que intercambia sustancias: moléculas inorgánicas sencillas (agua, electrólitos,...), monómeros esenciales (monosacáridos, aminoácidos,...) y otras moléculas orgánicas (glúcidos, lípidos y proteínas) más complejas. El transporte de estas sustancias puede ser pasivo, por difusión u ósmosis, o activo, por permeabilidad selectiva de la membrana. En este último caso el paso de sustancias requiere un gasto de energía. Otros mecanismos de transporte de sólidos o líquidos a través de la membrana son la fagocitosis y la pinocitosis.
Las células necesitan agua para mantener sus estructura y su equilibrio interno, y también se nutren de sustancias que toman del medio.
Ellas mismas son capaces de transformar esas sustancias en materia propia, o bien, la descomponen para obtener la energía necesaria para vivir. A la vez, tienen que expulsar los desechos al exterior.
Las células pueden tomar los nutrientes del exterior de varias maneras.
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| Pinocitosis |
- Mediante pinocitosis. Las partículas se unen a una zona de la membrana plasmática, la cual se va hundiendo hacia el interior de la célula. Ello da lugar a una vesícula interna que se cierra y se rodea de citoplasma, con las partículas en su interior.
A través de la membrana plasmática también se transportan sustancias hacia el interior. Para ello existen unos canales que permiten el paso de dichas sustancias.
Intercambio de sustancias en la membrana plasmática.
Según las sustancias de las que se alimentan las células y las transformaciones que esas sustancias experimentan se distinguen dos tipos de nutrición: autótrofa y heterótrofa.
1.- Nutrición autótrofa: Las células de nutrición autótrofa tienen sistemas capaces de captar y utilizar la energía lumínica del Sol o la energía química de ciertos compuestos. Con ello consiguen transformar moléculas simples, como el agua, el dióxido de carbono y las sales minerales en moléculas más complejas, como hidratos de carbono, lípidos y proteínas. Este proceso se produce gracias a la fotosíntesis. Son autótrofos los vegetales, las algas y otros microorganismos.
Los vegetales toman materia inorgánica del medio externo, es decir, agua, dióxido de carbono y sales minerales. Estas sustancias se dirigen a las partes verdes de la planta. Allí las sustancias entran en los cloroplastos de las células y se transforman en materia orgánica. Para ello se utiliza la energía procedente de la luz que ha sido captada por la clorofila. Este proceso recibe el nombre de fotosíntesis. Además de la materia orgánica, se obtiene oxígeno. Una parte de éste es desprendida por la planta y el resto pasa a las mitocondrias celulares junto una parte de materia orgánica. Allí se realiza la respiración celular y se obtiene ATP necesario para todas las actividades de la célula. Además, se produce dióxido de carbono que en parte se utiliza para la fotosíntesis, juntamente con el que la planta toma del exterior.
2.- Nutrición heterótrofa: Las células de nutrición heterótrofa carecen de los sistemas para autoalimentarse, por lo que deben obtener su energía a partir de los hidratos de carbono, lípidos y proteínas previamente elaborados por los seres autótrofos o por otros heterótrofos. Son heterótrofos los animales, los hongos y numerosos microorganismos.
Los animales no pueden transformar materia inorgánica en materia orgánica. Tampoco pueden utilizar la energía precedente de la luz. Por ello se alimentan siempre de otros seres vivos y así se obtienen la materia orgánica que precisan para crecer y desarrollar su cuerpo. Al igual que en las células vegetales, una parte de esta materia orgánica es utilizada en las mitocondrias, donde se realiza la respiración celular y se obtiene ATP y dióxido de carbono que es eliminado fuera del cuerpo del animal.
Metabolismo celular
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se producen en interior de las células y que conducen a la transformación de unas biomoléculas en otras para mantener su composición, realizar la transcripción, síntesis de proteínas, hidrólisis de grasas, ruptura de almidón o glucógeno, etc... Las distintas reacciones químicas del metabolismo se denominan vías metabólicas y las moléculas que intervienen son metabolitos.
Todas las reacciones del metabolismo están reguladas por enzimas que son específicas para cada metabolito inicial o sustrato y para cada tipo de transformación. Las sustancias finales de una vía metabólica se denominan productos. Las conexiones exitentes entre diferentes vías metabólicas reciben el nombre de metabolismo intermediario.
Se puede clasificar en dos fases; anabolismo y catabolismo.
- Anabolismo: son reacciones divergentes constructivas, endoergónicas, de síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras biomoléculas más sencillas, en las que se requiere energía.
- Catabolismo: son reacciones convergentes de transformación de moléculas orgánicas complejas que pasan a convertirse en moléculas sencillas. Este proceso produce la liberación de energía química que no se pierde, sino que se conserva en forma de enlaces fosfato del ATP,
Anabolismo y catabolismo se producen simultáneamente en las células.
Hay procesos que liberan energía y otros que la consumen. La liberación y el consumo no tienen porque ocurrir al mismo tiempo, ni en el mismo lugar de la célula. Debe existir un mecanismo que almacene y transporte esta energía desde los lugares donde se produce hasta donde se consume. Se basa en la formación y ruptura de enlaces químicos que acumulan y liberan gran cantidad de energía. Se suele usar el ATP o adenosin-tri-fosfato.
En el metabolismo se producen de forma continua reacciones redox, de oxidación-reducción. Cuando los grupos fosfatos se transfieren al ADP para formar ATP, se está almacenando energía. Otra forma es transferir electrones (e-), las reacciones se denominan de oxidorreducción o reacciones redox.
La ganancia de uno o más e- por un átomo, ión o molécula --> REDUCCIÓN
La pérdida de uno o más e- por un átomo, ión o molécula --> OXIDACIÓN
Hay que tener en cuanta que una molécula se oxida o se reduce no solamente cuando intercambian electrones (e-), sino también cuando intercambia átomos de hidrógeno, ya que involucra transferencia de electrones. Por ello una oxidación siempre ocurre simultáneamente con una reducción. Cuando un material se oxida, los e- perdidos se transfieren a otro material, reduciéndolo.
Conservación de la energía
En las mitocondrias se encuentran las cadenas respiratorias que proporcionan la energía para todas las funciones vitales, energía que se acumula en vectores energéticos como el adenosindifosfato y el adenosintrifosfato (ADP y ATP, respectivamente). También se localizan en las mitocondrias los enzimas del ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs, a través del cual glúcidos, lípidos y prótidos son interconvertibles actuando como la turbina central de todo el metabolismo, y las enzimas que oxidan las grasas en el proceso de la β-oxidación. En el espacio citoplasmático se realiza el proceso previo de la glicólisis.
La función de relación celular
Las funciones de relación son aquéllas que abarcan procesos de captación de determinadas variaciones del medio ambiente y de producción de respuestas adecuadas a cada uno de dichos estímulos. La función de relación de un célula es su capacidad para recibir y responder a estímulos que provienen del exterior. Las células reaccionan fundamentalmente a la presencia de alimento, pues éste asegura su supervivencia. Las respuestas pueden ser de dos tipos: dinámicas, cuando se produce algún movimiento; y estáticas, sí la célula permanece inmóvil.
Según el tipo de movilidad, se distinguen cinco tipos de movimientos:
— Movimiento flagelar (flagelos).
— Movimiento ciliar (cilios).
— Movimiento ameboideo (seudópodos).
— Movimientos de ciclosis, por ejemplo, el movimiento de los cloro-plastos alrededor de la vacuola.
— Movimiento contráctil, por ejemplo, el debido a las miofibrillas en las células musculares.
2. Las respuestas estáticas consisten básicamente en la secreción de sustancias. El ejemplo más conocido es el enquistamiento, que se debe a que la célula segrega una cubierta que la aisla del medio ambiente externo, pudiendo superar así épocas de sequía u otras condiciones adversas.
Las células detectan básicamente estímulos de dos tipos: químicos y físicos. Un ejemplo de estímulo químico es la variación en la concentración de sal en el medio. Los estímulos físicos son los cambios de temperatura, de luz, de presión, de gravedad o los cambios eléctricos. Las células responden a estos estímulos por medio de un movimiento o de una variación en su actividad interna, es decir, en su fisiología.
Como manifestación de la función de relación, existen muchas células que pueden moverse. Este movimiento puede ser vibrátil o ameboide.
La movilidad de los organismos depende en última instancia de movimientos o cambios de dimensión en las células. Las células móviles pueden desplazarse emitiendo seudópodos (mediante movimientos amebóides) debidos a cambios de estructura en las proteínas plasmáticas, o bien mediante movimiento vibrátil a través de la acción de cilios y flagelos.
- Los cilios son filamentos cortos y muy numerosos que rodean la célula, además de permitir el desplazamiento de la célula, remueven el medio externo para facilitar la captación del alimento.
- Los flagelos son filamentos largos y poco numerosos que desplazan la célula. Las células musculares están especializadas en la producción de movimiento, acortándose y distendiéndose gracias al cambio de estructura de proteínas especiales.
- Los cilios son filamentos cortos y muy numerosos que rodean la célula, además de permitir el desplazamiento de la célula, remueven el medio externo para facilitar la captación del alimento.
- Los flagelos son filamentos largos y poco numerosos que desplazan la célula. Las células musculares están especializadas en la producción de movimiento, acortándose y distendiéndose gracias al cambio de estructura de proteínas especiales.
Tipos de estímulos y respuestas.
Los estímulos que capta una célula pueden ser cualquier tipo de variación de las condiciones ambientales, pudiendo tener naturaleza muy diversa: luminosos, térmicos, mecánicos, químicos, magnéticos, gravitatorios, eléctricos, etc. Los de tipo químico son los que mayor variedad y complejidad presentan.
Las respuestas también pueden tener una amplia gama de modalidades: secreción de sustancias, activación o desactivación del metabolismo y de la división celular, formación de paredes protectoras, emisión de luz, etc. La forma de respuesta más extendida es el movimiento.
El movimiento celular suele clasificarse según determine o no el desplazamiento de la célula y según afecte a su interior o solo a la superficie celular, aunque en general todos ellos tienen su origen en las estructuras del citoesqueleto o derivados de las mismas. El mismo tipo de movimiento puede ser de locomoción en células libres y no serlo en las células de los tejidos.
Entre los movimientos celulares más representados se encuentran los siguientes:
• Ciclosis o corrientes endocelulares. Son frecuentes en células vegetales. Estas corrientes redistribuyen orgánulos celulares en respuesta a ciertos estímulos, como cambios de temperatura o de pH.
• Contracción. Los provocan las estructuras fibrilares del citoesqueleto, como los filamentos de actina y miosina de la célula muscular, que se deslizan entre sí y producen el acortamiento o estiramiento de toda la célula, lo que conduce a la contracción de todo el tejido y del musculo en su conjunto.
• Ameboide o por pseudópodos. Es típico de amebas y otros protozoos, así como de células como los fagocitos de la sangre y de los tejidos. Recordemos que las prolongaciones citoplasmáticas que constituyen los pseudópodos sirven también para la captura de partículas. La base molecular de este movimiento implica la participación de filamentos de actina que producen la tracción del citoplasma y la formación de contactos mediante moléculas de adhesión con el sustrato.
• Por cilios y flagelos. Los primeros producen un movimiento vibrátil sincronizado con otros muchos cilios. Cada cilio se mueve de forma similar a como lo hace el brazo de un nadador. Los segundos tienen un movimiento ondulatorio, como el de un látigo, que recorre toda su longitud. La base molecular del movimiento de cilios y flagelos es el deslizamiento de los brazos de dineina que se intercalan entre los microtúbulos, haciendo que estos se flexionen.
• Por cilios y flagelos. Los primeros producen un movimiento vibrátil sincronizado con otros muchos cilios. Cada cilio se mueve de forma similar a como lo hace el brazo de un nadador. Los segundos tienen un movimiento ondulatorio, como el de un látigo, que recorre toda su longitud. La base molecular del movimiento de cilios y flagelos es el deslizamiento de los brazos de dineina que se intercalan entre los microtúbulos, haciendo que estos se flexionen.
La comunicación celular
Las funciones de relación de la célula incluyen, las señales que proceden de otras células y que permiten establecer la comunicación celular. Esta existe en los organismos unicelulares que se agrupan para formar colonias, pero en los organismos pluricelulares llega a ser indispensable, hasta el extremo de que debió de ser la dificultad para establecer esta comunicación celular una de las causas por las que se retardó el paso de los seres unicelulares a pluricelulares en el transcurso de la evolución.
El estado pluricelular requiere que las células estén comunicadas mediante un complejo sistema de señales, principalmente químicas, que permita coordinar su actividad como un todo en beneficio del organismo. Distintos grupos celulares se han especializado solo en algunos aspectos de la comunicación para satisfacer la relación del organismo, tanto con su entorno exterior como con su medio interno: la captación de señales por las células de los órganos de los sentidos, la transmisión de información por las neuronas o por las hormonas de la sangre, las respuestas mediante la contracción muscular, etc. Cada célula cuenta con un elaborado sistema de comunicación, que se reduce a toda una serie de proteínas que le permiten reconocer y responder a señales procedentes de otras células.
La comunicación celular rebasa las funciones de relación en sentido estricto y permite que las células puedan responder a cuestiones tales como determinar su posición espacial y funcional en el organismo, o asegurar que se dividirán en el momento oportuno de acuerdo con sus vecinas.
Elementos de la comunicación celular
El sistema de comunicación o señalización celular consta de los siguientes elementos:
• Una célula señal o emisora de señales.
El sistema de comunicación o señalización celular consta de los siguientes elementos:
• Una célula señal o emisora de señales.
• La molécula señal o mensajero químico.
• La célula diana o receptora, que posee el receptor y el sistema de transducción de la señal.
La célula emisora produce la molécula señal que, al unirse al receptor, actúa como estímulo para generar la secuencia de reacciones intracelulares que hemos llamado transducción de la señal, que conducen a la respuesta fisiológica de la célula diana.
La célula emisora de señales puede tener la molécula señal fija a su membrana y unirse con la célula diana a través de su receptor, pero es más frecuente que segregue la señal en forma de mensajero químico para hacerla llegar a la célula diana. Se pueden presentar tres modalidades de secreción o formas de señalización:
• Paracrina, si la molécula señal se segrega al medio intercelular para ser captada de inmediato por los receptores de las células vecinas.
• Endocrina, si la señal se segrega a la sangre en los animales, o a la savia en las plantas, por donde se transportan hasta alcanzar los receptores de las células diana repartidas por el cuerpo.
• Sináptica, si la señal es segregada por una neurona en su membrana presináptica y alcanza los receptores de su célula diana.
Los mensajeros químicos pueden ser sustancias hidrófilas como lo son muchas hormonas, neurotransmisores y factores de crecimiento, que no pueden atravesar la membrana, por lo que sus receptores están en la superficie celular. Otras son sustancias hidrofóbicas, como hormonas esteroides, hormonas tiroideas, vitamina D, etc., que son transportadas en el medio interno por proteínas especificas hasta alcanzar las membranas, que atraviesan con facilidad, para unirse a receptores intracelulares. Algunos gases, como el oxido nítrico y el monóxido de carbono, actúan como mensajeros que atraviesan la membrana y actúan directamente.
Los receptores de las células diana pueden estar en la superficie celular o en su interior.
• Los receptores de superficie unen mensajeros hidrolicos y pueden agruparse en tres tipos o familias:
— Receptores asociados a canales iónicos.
— Receptores asociados a proteínas G.
— Receptores asociados a enzimas.
• Los receptores intracelulares pueden estar en el citoplasma o en el núcleo. Por ejemplo, el receptor de la hormona Cortisol es citoplasmático y, una vez formado el complejo de unión entre ambos, penetra en el núcleo para unirse al ADN y modificar la expresión genética, con el consiguiente cambio de comportamiento o actividad celular.
La función de reproducción celular
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| Tipos de reproducción celular. |
La célula cuando se reproduce da lugar a nuevas células. Como ya sabemos, existen organismos unicelulares y pluricelulares, estos últimos forman parte de los diferentes tejidos que tienen la función de sustituir a una célula muerta o ayudarla a crecer. Para la reproducción celular se necesita que tengan lugar dos procesos: la división del núcleo y la división del citoplasma.
Para conservar los caracteres de la célula madre es necesario que las células hijas tengan el mismo tipo y número de cromosomas que la célula madre; por ello, todos los cromosomas de la célula madre se duplican antes de la división celular.
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| Esquema simplificado de la división celular. |
- Mitosis en células somáticas. Las células resultantes son idénticas a las célula madre y tienen el mismo número de cromosomas que ésta.
- Meiosis en células sexuales. Las células hijas son diferentes genéticamente a la madre ya que poseen la mitad de cromosomas.
-La mitosis es un proceso de división celular en la que las dos células resultantes obtienen exactamente la misma información genética de la célula progenitora. Se realiza en las células somáticas cuando los organismos necesitan crecer o reparar tejidos dañados.Para poder realizar la división celular es necesario realizar cuatro fases. Para que se puedan realizar estas cuatro fases es necesario una preparación conocida como interfase donde la célula posee un centriolo (orgánulo), donde el ADN se duplica para las fases posteriores. Es ahora cuando comienza la mitosis:
Profase: fase en la que se condensan los cromosomas (ya que la cromatina estaba suelta por el núcleo) y empiezan a unirse. Posteriormente se duplica el centriolo y la membrana central se desintegra, dirigiéndose cada centriolo a los polos opuestos.
Metafase: se crea el huso mitótico constituido de fibras protéicas que une los dos centriolos. Los cromosomas formados constituyen el plano ecuatorial, situado en medio de la célula en línea recta colgado del huso mitótico.
Anafase: las cromátidas de cada cromosoma se separan y se mueven hacia los polos opuestos .
Telofase: los cromosomas están en los polos opuestos y son cada vez más difusos. La membrana nuclear se vuelve a formar. El citoplasma se divide.
Citocinesis: por último la célula madre se divide en dos células hijas, finalizando así la mitosis.
- La meiosis se produce en las células sexuales llamadas gametos. Cuando se produce la fecundación se unen los cromosomas paternos con los maternos. Ambos poseen en total 46 cromosomas (23 cromosomas y sus copias). En este caso tienen lugar dos divisiones celulares consecutivas, sin producirse ninguna duplicación de los cromosomas.
El comienzo de la meiosis, se inicia con la profase I donde los cromosomas homólogos se juntan e intercambian fragmentos de ADN en un proceso denominado sobrecruzamiento, que consigue que los descendientes de la misma pareja no salgan idénticos y cada célula posea sus características propias.
Meiosis I: Los cromosomas se separan y cada uno va a una célula hija diferente, por lo que cada uno posee información similar pero no igual.
Meiosis II: Las cromátidas de cada cromosoma se separan y son repartidas entre las células hijas, concluyendo así este proceso con cuatro células haploides distintas entre sí.
Ciclo vital de la célula
El ciclo celular es el proceso ordenado y repetitivo en el tiempo mediante el cual una célula madre crece y se divide en dos células hijas. Las células que no se están dividiendo se encuentran en una fase conocida como G0, paralela al ciclo. La regulación del ciclo celular es esencial para el correcto funcionamiento de las células sanas y está estructurado en fases.
- El estado de no división o interfase. La célula realiza sus funciones específicas y, si está destinada a avanzar a la división celular, comienza por realizar la duplicación de su ADN.
- El estado de división, llamado fase M, que comprende la mitosis y citocinesis. En algunas células la citocinesis no se produce, obteniéndose como resultado de la división una masa celular plurinucleada denominada plasmodio.
A diferencia de lo que sucede en la mitosis, donde la dotación genética se mantiene, existe una variante de la división celular, propia de las células de la línea germinal, denominada meiosis. En ella, se reduce la dotación genética diploide, común a todas las células somáticas del organismo, a una haploide, esto es, con una sola copia del genoma. De este modo, la fusión, durante la fecundación, de dos gametos haploides procedentes de dos parentales distintos da como resultado un zigoto diploide, equivalente en dotación genética a sus padres.
La interfase consta de tres estadios claramente definidos.
- Fase G1: es la primera fase del ciclo celular, en la que existe crecimiento celular con síntesis de proteínas y de ARN. Es el período que trascurre entre el fin de una mitosis y el inicio de la síntesis de ADN. En él la célula dobla su tamaño y masa debido a la continua síntesis de todos sus componentes, como resultado de la expresión de los genes que codifican las proteínas responsables de su fenotipo particular.
- Fase S: es la segunda fase del ciclo, en la que se produce la replicación o síntesis del ADN. Como resultado cada cromosoma se duplica y queda formado por dos cromátidas idénticas. Con la duplicación del ADN, el núcleo contiene el doble de proteínas nucleares y de ADN que al principio.
- Fase G2: es la segunda fase de crecimiento del ciclo celular en la que continúa la síntesis de proteínas y ARN. Al final de este período se observa al microscopio cambios en la estructura celular, que indican el principio de la división celular. Termina cuando los cromosomas empiezan a condensarse al inicio de la mitosis.
La fase M es la fase de la división celular en la cual una célula progenitora se divide en dos células hijas idénticas entre sí y a la madre. Esta fase incluye la mitosis, a su vez dividida en: profase, metafase, anafase, telofase; y la citocinesis, que se inicia ya en la telofase mitótica.
La incorrecta regulación del ciclo celular puede conducir a la aparición de células precancerígenas que, si no son inducidas al suicidio mediante apoptosis, puede dar lugar a la aparición de cáncer. Los fallos conducentes a dicha desregulación están relacionados con la genética celular: lo más común son las alteraciones en oncogenes, genes supresores de tumores y genes de reparación del ADN.