Fundamentos de Biología Celular: Estructura, Biomoléculas y Procesos Esenciales

Propiedades Físico-Químicas del Agua

El agua posee características únicas fundamentales para la vida:

• Elevada cohesión molecular: Permite dar volumen a las células, turgencia a las plantas y actuar como esqueleto hidrostático en animales invertebrados.
• Elevada tensión superficial: Hace que la superficie oponga una gran resistencia a ser traspasada y origina una película superficial.
• Elevada fuerza de adhesión: Facilita la ascensión por capilaridad de la savia a través de los vasos leñosos en las plantas.
• Elevado calor específico y calor de vaporización: Actúa como regulador térmico, moderando los cambios de temperatura.
• Densidad máxima a 4 °C: Provoca que el hielo flote, permitiendo la vida acuática en climas fríos.
• Elevada capacidad disolvente: Actúa como vehículo de transporte de sustancias disueltas en el interior de los seres vivos y facilita su intercambio con el medio externo.
• Bajo grado de ionización: Permite que el agua pueda actuar como reactivo químico, reduciendo u oxidando numerosas sustancias.

Ósmosis

La ósmosis es un proceso donde una membrana semipermeable permite el paso de disolventes (como el agua) pero no de solutos. El disolvente atraviesa la membrana desde la zona de menor concentración de soluto hacia la de mayor concentración, hasta igualar las concentraciones en ambos lados.

Biomoléculas Esenciales

Glúcidos

También conocidos como carbohidratos, son fundamentales para la energía y estructura.

• Monosacáridos: Son los glúcidos más simples, sólidos cristalinos blancos y solubles en agua. Contienen entre 3 y 7 átomos de carbono. Se clasifican en aldosas y cetosas.
  • Pentosas: Ribosa (componente estructural del ARN) y Desoxirribosa (componente estructural del ADN).
  • Hexosas: Glucosa (nutriente principal de la respiración celular en animales), Fructosa (utilizada como edulcorante) y Galactosa (forma parte de la lactosa de la leche).
• Disacáridos: Formados por la unión de dos monosacáridos. Ejemplos: Sacarosa (azúcar común), Lactosa (azúcar de la leche), Maltosa (azúcar de malta).
• Polisacáridos: Largas cadenas de monosacáridos. Ejemplos: Celulosa (componente estructural de la pared celular vegetal), Almidón (reserva energética en plantas), Glucógeno (reserva energética en animales).

Lípidos

Grupo heterogéneo de moléculas insolubles en agua. Cumplen funciones energéticas (reserva a largo plazo), estructurales (componentes de membranas) y protectoras (aislamiento térmico, protección de órganos).

Proteínas

Macromoléculas formadas por aminoácidos. Desempeñan múltiples funciones vitales:

• Estructural: Forman numerosas estructuras celulares y tisulares (colágeno, queratina).
• Enzimática: Actúan como catalizadores biológicos (enzimas) acelerando reacciones químicas.
• Hormonal: Algunas actúan como hormonas regulando procesos fisiológicos (insulina).
• Defensiva y Coagulación: Participan en la respuesta inmune (anticuerpos) y en la coagulación sanguínea (fibrinógeno).
• Transporte: Transportan sustancias (hemoglobina transporta oxígeno).
• Homeostática: Ayudan a mantener el equilibrio osmótico del medio celular y extracelular.
• Movimiento: Responsables de la contracción muscular (actina y miosina).
• Energética: Pueden ser utilizadas para la obtención de energía en casos de necesidad.

Ácidos Nucleicos: ADN y ARN

Son macromoléculas clave en el almacenamiento y expresión de la información genética.

Diferencias Principales entre ADN y ARN

• Estructura del Nucleótido:
  • ADN: Grupo fosfato, desoxirribosa (azúcar), bases nitrogenadas (Adenina, Guanina, Citosina, Timina).
  • ARN: Grupo fosfato, ribosa (azúcar), bases nitrogenadas (Adenina, Guanina, Citosina, Uracilo).
• Cadena:
  • ADN: Generalmente doble hélice.
  • ARN: Generalmente cadena simple.

La Célula: Unidad Fundamental de la Vida

La célula es la unidad anatómica y fisiológica de todos los seres vivos. La Teoría Celular, enunciada por Schleiden, Schwann y Virchow, establece los principios fundamentales sobre la célula.

Diferencias entre Células Procariotas y Eucariotas

Célula Procariota

• Tamaño: Pequeño.
• Organización: Siempre organismos unicelulares.
• Pared Celular: Generalmente presente, compuesta por peptidoglicano (mureína).
• Cubierta Externa: Puede tener cápsula mucosa (glucocálix).
• Orgánulos Membranosos: Escasos (mesosomas, tilacoides en fotosintéticas).
• Orgánulos No Membranosos: Ribosomas (70S).
• Núcleo: Carecen de membrana nuclear (nucleoide).
• ADN: Circular, no asociado a histonas (no forma nucleosomas).
• Procesos Genéticos: Transcripción y traducción acopladas en el citoplasma.
• División Celular: No hay mitosis; división por fisión binaria (bipartición).
• Reproducción: Asexual.
• Metabolismo: Fermentación, respiración aeróbica o anaeróbica (en mesosomas o membrana plasmática), fotosíntesis oxigénica o anoxigénica, quimiosíntesis.

Célula Eucariota

• Tamaño: Más grandes que las procariotas.
• Organización: Pueden ser unicelulares (protozoos, levaduras) o formar organismos pluricelulares.
• Pared Celular: Presente en plantas (celulosa) y hongos (quitina); ausente en animales.
• Cubierta Externa: Membrana de secreción (glucocálix en animales).
• Orgánulos Membranosos: Abundantes y diversos (Retículo Endoplasmático, Aparato de Golgi, vacuolas, lisosomas, mitocondrias, cloroplastos, peroxisomas).
• Estructuras No Membranosas: Ribosomas (80S), citoesqueleto, centriolos (en animales y algunos protistas).
• Núcleo: Poseen membrana nuclear bien definida.
• ADN: Lineal, asociado a histonas formando nucleosomas (cromatina/cromosomas).
• Procesos Genéticos: Transcripción en el núcleo, traducción en el citoplasma.
• División Celular: Núcleo se divide por mitosis o meiosis. Citoplasma se divide por diversos mecanismos (bipartición, esporulación, gemación, pluripartición).
• Reproducción: Asexual (mitosis) y sexual (meiosis).
• Metabolismo: Catabolismo principalmente por respiración aeróbica (en mitocondrias), fotosíntesis siempre oxigénica (en cloroplastos), no realizan quimiosíntesis.

Diferencias Clave entre Células Animales y Vegetales (Eucariotas)

Membrana Plasmática

Es la estructura que delimita la célula, regulando el paso de sustancias.

Composición Química

• Lípidos: Forman una bicapa lipídica, base estructural de la membrana. Es asimétrica y heterogénea. Presentan movimiento (difusión lateral, rotación, flip-flop), lo que confiere fluidez a la membrana.
• Proteínas: Confieren especificidad funcional a la membrana. Son de estructura globular y pueden moverse (difusión lateral). Se clasifican en:
  • Intrínsecas (o integrales): Atraviesan total o parcialmente la bicapa.
  • Extrínsecas (o periféricas): Asociadas a la superficie interna o externa.
• Glúcidos: Se encuentran unidos a lípidos (glucolípidos) o a proteínas (glucoproteínas), siempre en la cara externa de la membrana. Forman el glucocálix. Su distribución es asimétrica.

Modelo del Mosaico Fluido

Propuesto por Singer y Nicolson, describe la membrana como:

• Un mosaico donde proteínas y lípidos se hallan dispuestos de forma intercalada.
• Una estructura fluida donde lípidos y proteínas pueden desplazarse lateralmente.
• Una estructura asimétrica en cuanto a la distribución de sus componentes químicos (lípidos, proteínas y especialmente glúcidos).

Morfoplasma (Citoplasma)

Es el contenido celular entre la membrana plasmática y el núcleo (en eucariotas).

Sistemas Internos de Membranas

• Retículo Endoplasmático Rugoso (RER): Red de sacos aplanados (cisternas) y vesículas interconectadas, con ribosomas adheridos a su superficie externa. Función principal: síntesis y modificación de proteínas destinadas a la secreción o a otros orgánulos.
• Retículo Endoplasmático Liso (REL): Red de finos túbulos interconectados, sin ribosomas adheridos. Funciones: síntesis de lípidos, detoxificación celular, almacenamiento de calcio.
• Aparato de Golgi: Conjunto de dictiosomas (pilas de cisternas aplanadas). Recibe vesículas del RE, modifica, clasifica y empaqueta proteínas y lípidos para su destino final (secreción, lisosomas, membrana). Forma vesículas por estrangulamiento. Presente en células eucariotas.

Orgánulos Membranosos

• Lisosomas: Vesículas que contienen enzimas hidrolíticas (digestivas). Actúan como el sistema digestivo celular, degradando macromoléculas y orgánulos viejos (autofagia).
• Peroxisomas: Vesículas que contienen enzimas oxidativas (oxidasas, catalasa). Participan en el metabolismo de ácidos grasos y aminoácidos, detoxificación (ej. peróxido de hidrógeno), metabolismo de lípidos y, en plantas, en el ciclo del glioxilato.
• Vacuolas: Sacos membranosos. En células vegetales, destaca la gran vacuola central (delimitada por el tonoplasto) con funciones de almacenamiento (agua, iones, nutrientes, desechos), mantenimiento de la turgencia celular y digestión celular (similar a lisosomas).
• Mitocondrias: Presentes en células eucariotas aeróbicas. Son las centrales energéticas de la célula, donde ocurre la respiración celular para producir ATP. Poseen doble membrana y ADN propio.
• Plastos: Exclusivos de células vegetales y algas.
  • Cloroplastos: Realizan la fotosíntesis. Contienen clorofila y otros pigmentos. Poseen doble membrana, tilacoides y ADN propio. Su tamaño es variable.
  • Otros plastos incluyen cromoplastos (almacenan pigmentos) y leucoplastos (almacenan sustancias incoloras como almidón).

Estructuras No Membranosas

• Citoesqueleto: Red de filamentos proteicos (microfilamentos, filamentos intermedios, microtúbulos) que da forma a la célula, permite el movimiento celular y de orgánulos, y participa en la formación del huso mitótico durante la división celular.
• Ribosomas: Compuestos por ARNr y proteínas. Son los sitios de síntesis de proteínas. Se encuentran libres en el citoplasma, adheridos al RER o en mitocondrias y cloroplastos. En eucariotas son 80S, en procariotas, mitocondrias y cloroplastos son 70S.
• Centrosoma: Presente en células animales y algunos eucariotas inferiores. Contiene un par de centriolos y material pericentriolar. Actúa como el principal centro organizador de microtúbulos (COMT) y es crucial para la formación del huso mitótico y de cilios/flagelos.

Estructura del Núcleo Eucariota

Contiene la mayor parte del material genético de la célula.

Envoltura Nuclear

Doble membrana que rodea el núcleo:

• Membrana nuclear externa (continuación del RER).
• Espacio perinuclear o intermembranoso.
• Membrana nuclear interna (asociada a la lámina nuclear).

Funciones:

• Separa el contenido nuclear (nucleoplasma) del citoplasma.
• Regula el intercambio de sustancias entre núcleo y citoplasma a través de los poros nucleares.
• Participa en la organización de la cromatina y la formación de los cromosomas.

Poros Nucleares

• Complejas estructuras proteicas que atraviesan la envoltura nuclear.
• Son estructuras dinámicas que regulan el paso selectivo de moléculas.
• Función: Permiten el intercambio de moléculas hidrosolubles y regulan el transporte activo de macromoléculas (proteínas, ARN) entre el núcleo y el citoplasma.

Nucleoplasma

Medio interno del núcleo, similar al citosol. Contiene:

• Nucléolo (sitio de síntesis de ARNr y ensamblaje de ribosomas).
• Cromatina.
• Diversas partículas como gránulos de intercromatina, gránulos de pericromatina y partículas de ribonucleoproteína.

Cromatina

• Complejo formado por filamentos de ADN asociados a proteínas (principalmente histonas). Es la forma en que el ADN se organiza dentro del núcleo en interfase.
• Durante la división celular, la cromatina se condensa para formar los cromosomas.
• Estructura de un cromosoma metafásico:
  • Dos cromátidas hermanas idénticas.
  • Constricción primaria o centrómero: Región que une las cromátidas.
  • Cinetocoro: Estructura proteica sobre el centrómero donde se anclan los microtúbulos del huso.
  • Constricción secundaria: Estrechamientos adicionales (no siempre presentes), a menudo relacionados con la organización nucleolar (Región Organizadora Nucleolar o NOR).
  • Telómeros: Extremos protectores de los cromosomas.
  • Bandas: Patrones de tinción característicos que permiten identificar los cromosomas.