Célula: naturaleza y funciones de las células


Naturaleza y funciones de las células. Las moléculas de las células, la información genética de las células y la organización de las células.

La Célula, en biología, es la unidad básica unida a la membrana que contiene las moléculas fundamentales de la vida y de la cual se componen todos los seres vivos. Una sola célula suele ser un organismo completo en sí mismo, como una bacteria o levadura. Otras células adquieren funciones especializadas a medida que maduran. Estas células cooperan con otras células especializadas y se convierten en los bloques de construcción de grandes organismos multicelulares, como animales y seres humanos. Aunque las células son mucho más grandes que los átomos, todavía son muy pequeñas.

Las células más pequeñas conocidas son un grupo de minúsculas bacterias llamadas micoplasmas; Algunos de estos organismos unicelulares son esferas de aproximadamente 0,3 micrómetros de diámetro, con una masa total de 10-14 gramos-igual a la de 8.000.000.000 de átomos de hidrógeno.

Las células de los seres humanos típicamente tienen una masa 400.000 veces mayor que la masa de una única bacteria de micoplasma, pero incluso las células humanas tienen sólo unos 20 micrómetros de diámetro. Requeriría una hoja de aproximadamente 10.000 células humanas para cubrir la cabeza de un alfiler, y cada organismo humano se compone de más de 75.000.000.000.000 de células.

Célula animal: Estructuras principales de una célula animal.

Célula animal: Estructuras principales de una célula animal.
El citoplasma rodea las estructuras especializadas de la célula, u orgánulos. Los ribosomas, los sitios de síntesis de proteínas, se encuentran libres en el citoplasma o se unen al retículo endoplásmico, a través del cual los materiales son transportados a través de la célula. La energía que necesita la célula es liberada por las mitocondrias. El complejo de Golgi, pilas de sacos aplanados, procesa y envasa materiales que se liberan de la célula en vesículas secretoras. Las enzimas digestivas están contenidas en los lisosomas. Los peroxisomas contienen enzimas que desintoxican sustancias peligrosas.

El centrosoma contiene los centríolos, que desempeñan un papel en la división celular. Las microvellosidades son extensiones similares a los dedos que se encuentran en ciertas células. Los cilios, estructuras parecidas a los cabellos que se extienden desde la superficie de muchas células, pueden crear movimiento del fluido circundante. La envoltura nuclear, una membrana doble que rodea al núcleo, contiene poros que controlan el movimiento de sustancias dentro y fuera del nucleoplasma. La cromatina, una combinación de ADN y proteínas que se convierten en cromosomas, constituye gran parte del nucleoplasma. El nucleolo denso es el sitio de producción de ribosomas.


Este artículo discute la célula como una unidad individual y como una parte que contribuye de un organismo más grande. Como unidad individual, la célula es capaz de metabolizar sus propios nutrientes, sintetizando muchos tipos de moléculas, proporcionando su propia energía y replicándose para producir generaciones sucesivas. Puede ser visto como un recipiente cerrado, dentro del cual se producen innumerables reacciones químicas simultáneamente. Estas reacciones están bajo un control muy preciso para que contribuyan a la vida y la procreación de la célula. En un organismo multicelular, las células se especializan para realizar diferentes funciones a través del proceso de diferenciación. Para ello, cada célula mantiene una comunicación constante con sus vecinos. A medida que recibe nutrientes y expulsa los desechos hacia su entorno, se adhiere y coopera con otras células. Conjuntos cooperativos de células similares forman los tejidos, y una cooperación entre los tejidos, a su vez, forma órganos, que llevan a cabo las funciones necesarias para sostener la vida de un organismo.

En este artículo se hace especial hincapié en las células animales, con una discusión sobre los procesos de síntesis de energía y los componentes extracelulares propios de las plantas. Para una discusión detallada de la bioquímica de las células vegetales, ver fotosíntesis. Para un tratamiento completo de los eventos genéticos en el núcleo celular, vea la herencia.

La naturaleza y la función de las células


Una célula es encerrada por una membrana plasmática, que forma una barrera selectiva que permite que los nutrientes entren y los productos de desecho salgan. El interior de la célula está organizado en muchos compartimentos especializados, u orgánulos, cada uno rodeado por una membrana separada. Una organela principal, el núcleo, contiene la información genética necesaria para el crecimiento y la reproducción celular. Cada célula contiene sólo un núcleo, mientras que otros tipos de orgánulos están presentes en múltiples copias en el contenido celular, o citoplasma. Las organelas incluyen mitocondrias, que son responsables de las transacciones de energía necesarias para la supervivencia celular; Lisosomas, que digieren los materiales no deseados dentro de la célula; Y el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi, que desempeñan papeles importantes en la organización interna de la célula sintetizando moléculas seleccionadas y luego procesándolas, clasificándolas y dirigiéndolas a sus lugares apropiados.

Además, las células vegetales contienen cloroplastos, que son responsables de la fotosíntesis, por lo que la energía de la luz solar se utiliza para convertir las moléculas de dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) en hidratos de carbono. Entre todos estos orgánulos se encuentra el espacio en el citoplasma llamado citosol. El citosol contiene un armazón organizado de moléculas fibrosas que constituyen el citoesqueleto, lo que da a la célula su forma, permite que los organelos se muevan dentro de la célula y proporciona un mecanismo por el cual la propia célula puede moverse. El citosol también contiene más de 10.000 tipos diferentes de moléculas que están involucradas en la biosíntesis celular, el proceso de hacer grandes moléculas biológicas de pequeñas.

Célula: células típicas

Célula: células típicas
Las células animales y las células vegetales contienen organelos unidos a la membrana, incluyendo un núcleo distinto. En contraste, las células bacterianas no contienen organelos.

Los organelos especializados son una característica de las células de organismos conocidos como eucariotas. Por el contrario, las células de los organismos conocidos como procariotas no contienen orgánulos y son generalmente más pequeñas que las células eucariotas. Sin embargo, todas las células comparten fuertes similitudes en la función bioquímica.

Eucariota: célula animal

Eucariota: célula animal
Corte-dibujo de una célula eucariótica.

Las moléculas de las células


Las células contienen una colección especial de moléculas que están encerradas por una membrana. Estas moléculas dan a las células la capacidad de crecer y reproducirse. El proceso general de reproducción celular se produce en dos etapas: crecimiento celular y división celular. Durante el crecimiento celular, la célula ingiere ciertas moléculas de su entorno al llevarlas selectivamente a través de su membrana celular. Una vez dentro de la célula, estas moléculas se someten a la acción de moléculas altamente especializadas, grandes y elaboradamente dobladas llamadas enzimas. Las enzimas actúan como catalizadores uniéndose a moléculas ingeridas y regulando la velocidad a la que se alteran químicamente. Estas alteraciones químicas hacen que las moléculas sean más útiles para la célula. A diferencia de las moléculas ingeridas, los catalizadores no se alteran químicamente durante la reacción, permitiendo que un catalizador regule una reacción química específica en muchas moléculas.

Los catalizadores biológicos crean cadenas de reacciones. En otras palabras, una molécula transformada químicamente por un catalizador sirve como el material de partida, o sustrato, de un segundo catalizador y así sucesivamente. De esta manera, los catalizadores utilizan las moléculas pequeñas introducidas en la célula desde el entorno exterior para crear productos de reacción cada vez más complejos. Estos productos se utilizan para el crecimiento celular y la replicación de material genético. Una vez que el material genético ha sido copiado y hay suficientes moléculas para apoyar la división celular, la célula se divide para crear dos células hijas. A través de muchos de estos ciclos de crecimiento celular y división, cada célula madre puede dar lugar a millones de células hijas, en el proceso de convertir grandes cantidades de materia inanimada en moléculas biológicamente activas.

La estructura de las moléculas biológicas

Las células están en gran parte compuestas de compuestos que contienen carbono. El estudio de cómo los átomos de carbono interactúan con otros átomos en compuestos moleculares forma la base del campo de la química orgánica y desempeña un papel importante en la comprensión de las funciones básicas de las células. Debido a que los átomos de carbono pueden formar enlaces estables con otros cuatro átomos, son especialmente adecuados para la construcción de moléculas complejas. Estas moléculas complejas se componen típicamente de cadenas y anillos que contienen átomos de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, así como átomos de carbono. Estas moléculas pueden consistir en cualquier lugar de 10 a millones de átomos unidos entre sí en matrices específicas.

La mayoría, pero no todas, de las moléculas que contienen carbono en las células se construyen a partir de miembros de una de cuatro familias diferentes de pequeñas moléculas orgánicas: azúcares, aminoácidos, nucleótidos y ácidos grasos. Cada una de estas familias contiene un grupo de moléculas que se asemejan entre sí en estructura y función. Además de otras funciones importantes, estas moléculas se utilizan para construir grandes macromoléculas. Por ejemplo, los azúcares pueden unirse para formar polisacáridos tales como almidón y glucógeno, los aminoácidos pueden estar unidos para formar proteínas, los nucleótidos pueden estar unidos para formar el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico) de los cromosomas, y Los ácidos grasos se pueden unir para formar los lípidos de todas las membranas celulares.

Composición química aproximada de una célula típica de mamífero

Composición química aproximada de una célula típica de mamífero

Aparte del agua, que forma el 70 por ciento de la masa de una célula, una célula se compone sobre todo de macromoléculas. Con mucho, la mayor parte de las macromoléculas son las proteínas. Una macromolécula de proteínas de tamaño promedio contiene una cadena de aproximadamente 400 moléculas de aminoácidos. Cada aminoácido tiene una cadena lateral diferente de átomos que interactúan con los átomos de cadenas laterales de otros aminoácidos. Estas interacciones son muy específicas y hacen que la molécula de proteína entera se pliegue en una forma globular compacta.

En teoría, pueden formarse casi una infinita variedad de proteínas, cada una con una secuencia diferente de aminoácidos. Sin embargo, casi todas estas proteínas no podrían doblarse de las formas únicas requeridas para formar superficies funcionales eficientes y, por lo tanto, serían inútiles para la célula. Las proteínas presentes en las células de animales y humanos modernos son productos de una larga historia evolutiva, durante la cual las proteínas ancestrales fueron seleccionadas naturalmente por su capacidad para doblarse en formas tridimensionales específicas con superficies funcionales únicas útiles para la supervivencia celular.

La mayoría de las macromoléculas catalíticas en las células son enzimas. La mayoría de las enzimas son proteínas. La clave para la propiedad catalítica de una enzima es su tendencia a experimentar un cambio en su forma cuando se une a su sustrato, reuniendo así grupos reactivos sobre las moléculas de sustrato. Algunas enzimas son macromoléculas de ARN, llamadas ribozimas. Las ribozimas consisten en cadenas lineales de nucleótidos que se pliegan de formas específicas para formar superficies únicas, similares a las formas en que las proteínas se pliegan.

Al igual que con las proteínas, la secuencia específica de las subunidades de nucleótidos en una cadena de ARN da a cada macromolécula un carácter único. Las moléculas de ARN son mucho menos frecuentemente utilizadas como catalizadores en las células que las moléculas de proteínas, presumiblemente porque las proteínas, con la mayor variedad de cadenas laterales de aminoácidos, son más diversas y capaces de cambios de forma complejos. Sin embargo, se cree que las moléculas de ARN han precedido a las moléculas de proteínas durante la evolución y han catalizado la mayoría de las reacciones químicas requeridas antes de que las células pudieran evolucionar.

Reacciones químicas acopladas

Las células deben obedecer las leyes de la química y la termodinámica. Cuando dos moléculas reaccionan entre sí dentro de una célula, sus átomos se reorganizan, formando moléculas diferentes como productos de reacción y liberando o consumiendo energía en el proceso. En general, las reacciones químicas se producen sólo en una dirección; Es decir, las moléculas de producto de reacción final no pueden reaccionar espontáneamente, en una inversión del proceso original, para reformar las moléculas originales. Esta direccionalidad de las reacciones químicas se explica por el hecho de que las moléculas sólo cambian de estados de mayor energía libre a estados de menor energía libre. La energía libre es la capacidad de realizar el trabajo (en este caso, el "trabajo" es el reordenamiento de los átomos en la reacción química).

Cuando se realiza el trabajo, se utiliza y pierde alguna energía libre, con el resultado de que el proceso termina con una energía libre más baja. Para usar una analogía mecánica familiar, el agua en la cima de una colina tiene la capacidad de realizar el "trabajo" de fluir cuesta abajo (es decir, tiene alta energía libre), pero, una vez que ha fluido cuesta abajo, no puede fluir hacia atrás Es decir, está en un estado de baja energía libre). Sin embargo, a través de otro proceso de trabajo -como el de una bomba, por ejemplo- el agua puede ser devuelta a la cima de la colina, recuperando así su capacidad de fluir cuesta abajo. En términos termodinámicos, la energía libre del agua ha sido aumentada por la energía de una fuente externa (es decir, la bomba). De la misma manera, las moléculas de producto de una reacción química en una célula no pueden revertir la reacción y volver a su estado original a menos que se suministre energía acoplando el proceso a otra reacción química.

Todos los catalizadores, incluyendo las enzimas, aceleran las reacciones químicas sin afectar su dirección. Para volver a la analogía mecánica, las enzimas no pueden hacer que el agua fluya cuesta arriba, aunque pueden proporcionar vías específicas para un flujo descendente. Sin embargo, la mayoría de las reacciones químicas que la célula necesita para sintetizar nuevas moléculas necesarias para su crecimiento requieren un flujo cuesta arriba. En otras palabras, las reacciones requieren más energía de la que pueden proporcionar sus moléculas iniciales.

Las células usan una sola estrategia una y otra vez para superar las limitaciones de la química: utilizan la energía de una reacción química de liberación de energía para impulsar una reacción de absorción de energía que de otra manera no ocurriría. Una analogía mecánica útil podría ser una rueda de molino impulsada por el agua en una corriente. El agua, para poder fluir cuesta abajo, es forzada a fluir más allá de las palas de la rueda, haciendo girar la rueda. De esta manera, parte de la energía de la corriente en movimiento es aprovechada para mover una rueda de molino, que puede estar unida a un cabrestante. A medida que el torno gira, se puede utilizar para tirar de una carga pesada cuesta arriba. Por lo tanto, el movimiento ascendente de absorción de energía (pero útil) de una carga puede ser accionado acoplándolo directamente al flujo de liberación de energía del agua.

En las células, las enzimas desempeñan el papel de las ruedas del molino mediante el acoplamiento de reacciones de liberación de energía con reacciones de absorción de energía. Como se describe a continuación, en las células la reacción de liberación de energía más importante que sirve un papel similar al de la corriente que fluye es la hidrólisis del trifosfato de adenosina (ATP). A su vez, la producción de moléculas de ATP en las células es una reacción de absorción de energía que se conduce por estar acoplado a la descomposición de liberación de energía de las moléculas de azúcar. Al replantear esta cadena de reacciones, es necesario primero comprender la fuente de las moléculas de azúcar.

La fotosíntesis: el inicio de la cadena alimentaria

Las moléculas de azúcar son producidas por el proceso de fotosíntesis en las plantas y ciertas bacterias. Estos organismos se encuentran en la base de la cadena alimentaria, en que los animales y otros organismos no fotossintetizadores dependen de ellos para un suministro constante de moléculas orgánicas que soportan la vida. Los seres humanos, por ejemplo, obtienen estas moléculas comiendo plantas u otros organismos que previamente han comido alimentos derivados de organismos fotosintéticos.

Las plantas y las bacterias fotosintéticas son únicas en su capacidad de convertir la energía electromagnética libremente disponible en la luz solar en energía de enlace químico, la energía que mantiene átomos juntos en moléculas y se transfiere o se libera en reacciones químicas. El proceso de fotosíntesis puede resumirse mediante la siguiente ecuación:

(Energía Solar) + CO2 + H2O → moléculas de azúcar + O2.

La reacción fotosintética de absorción de energía es la inversa de la descomposición oxidativa que libera energía de las moléculas de azúcar. Durante la fotosíntesis, las moléculas de clorofila absorben la energía de la luz solar y la utilizan para alimentar la producción de azúcares simples y otros carbohidratos. La abundancia resultante de moléculas de azúcar y productos biológicos relacionados hace posible la existencia de vida no fotossintesta en la Tierra. ATP: alimentando reacciones químicas Ciertas enzimas catalizan la descomposición de los alimentos orgánicos. Una vez que los azúcares son transportados a las células, o bien sirven como bloques de construcción en forma de aminoácidos para las proteínas y ácidos grasos para los lípidos o se someten a vías metabólicas para proporcionar la célula con ATP. El ATP, el portador común de energía dentro de la célula, está hecho de difosfato de adenosina (ADP) y fosfato inorgánico (Pi). Almacenado en el enlace químico que contiene el compuesto de fosfato terminal en la molécula de ATP es la energía derivada de la descomposición de azúcares. La eliminación del fosfato terminal, a través de la reacción mediada por el agua llamada hidrólisis, libera esta energía, que a su vez alimenta un gran número de reacciones cruciales de absorción de energía en la célula. La hidrólisis puede resumirse como sigue:

ATP + H2O → ADP + Pi + energía.

La formación de ATP es el inverso de esta ecuación, requiriendo la adición de energía. La vía celular central de la síntesis de ATP comienza con la glicolisis, una forma de fermentación en la que la glucosa del azúcar se transforma en otros azúcares en una serie de nueve reacciones enzimáticas, cada reacción sucesiva implica un azúcar intermedio que contiene fosfato. En el proceso, la glucosa de seis carbonos se convierte en dos moléculas del ácido pirúvico de tres carbonos. Parte de la energía liberada a través de la glucólisis de cada molécula de glucosa se captura en la formación de dos moléculas de ATP.

La segunda etapa en el metabolismo de los azúcares es un conjunto de reacciones interrelacionadas llamado ciclo del ácido tricarboxílico. Este ciclo toma el ácido pirúvico de tres carbonos producido en la glucólisis y usa sus átomos de carbono para formar dióxido de carbono (CO2) mientras que transfiere sus átomos de hidrógeno a moléculas portadoras especiales, donde se mantienen en enlace de alta energía.

En la tercera y última etapa de la descomposición de los azúcares, la fosforilación oxidativa, los átomos de hidrógeno de alta energía se separan primero en protones y electrones de alta energía. Los electrones se pasan entonces de un portador de electrones a otro por medio de una cadena de transporte de electrones. Cada portador de electrones en la cadena tiene una afinidad creciente por electrones, siendo el aceptor final de electrones oxígeno molecular (O2). Como electrones separados y protones, los átomos de hidrógeno son transferidos a O2 para formar agua. Esta reacción libera una gran cantidad de energía, lo que impulsa la síntesis de un gran número de moléculas de ATP de ADP y Pi. (Para más información sobre la cadena de transporte de electrones.

La mayor parte del ATP de la célula se produce cuando los productos de la glucólisis se oxidan completamente por una combinación del ciclo del ácido tricarboxílico y la fosforilación oxidativa. El proceso de glucólisis solo produce cantidades relativamente pequeñas de ATP. La glicólisis es una reacción anaeróbica; Es decir, puede ocurrir incluso en ausencia de oxígeno. El ciclo del ácido tricarboxílico y la fosforilación oxidativa, por otro lado, requieren oxígeno. La glicólisis constituye la base de la fermentación anaeróbica, y presumiblemente fue una fuente importante de ATP para la vida temprana en la Tierra, cuando muy poco oxígeno estaba disponible en la atmósfera. Finalmente, sin embargo, las bacterias evolucionaron que fueron capaces de llevar a cabo la fotosíntesis.

La fotosíntesis liberó a estas bacterias de una dependencia del metabolismo de los materiales orgánicos que se habían acumulado de los procesos naturales, y también liberó oxígeno en la atmósfera. Durante un período prolongado de tiempo, la concentración de oxígeno molecular aumentó hasta que se hizo libremente disponible en la atmósfera. El ciclo de ácido tricarboxílico aeróbico y la fosforilación oxidativa evolucionaron entonces, y las células aeróbicas resultantes hicieron un uso mucho más eficiente de los alimentos que sus antepasados ​​anaeróbicos, porque podían convertir cantidades mucho mayores de energía de enlace químico en ATP.

La información genética de las células


Por lo tanto, las células pueden ser vistas como una red auto-replicante de macromoléculas catalíticas involucradas en una serie cuidadosamente equilibrada de conversiones de energía que impulsan la biosíntesis y el movimiento celular. Pero la energía por sí sola no es suficiente para hacer posible la auto-reproducción; La célula debe contener instrucciones detalladas que dicten exactamente cómo se va a utilizar esa energía. Estas instrucciones son análogas a los planos que un constructor utiliza para construir una casa; En el caso de las células, sin embargo, los propios planos deben ser duplicados junto con la célula antes de que se divida, de modo que cada célula hija puede conservar las instrucciones que necesita para su propia replicación. Estas instrucciones constituyen la herencia de la célula.

ADN: el material genético

Durante el siglo 19, se hizo ampliamente aceptado que todos los organismos vivos se componen de células que surgen sólo del crecimiento y la división de otras células. La mejora del microscopio condujo entonces a una era durante la cual muchos biólogos hicieron observaciones intensivas de la estructura microscópica de las células. En 1885, una cantidad sustancial de evidencia indirecta indicaba que los cromosomas -hilos de tinción oscura en el núcleo de la célula- llevaban la información para la herencia celular. Más tarde se demostró que los cromosomas son aproximadamente la mitad de ADN y la mitad de proteína en peso.

El descubrimiento revolucionario que sugiere que las moléculas de ADN podrían proporcionar la información para su propia replicación vino en 1953, cuando el genetista y biofísico estadounidense James Watson y el biofísico británico Francis Crick propusieron un modelo para la estructura de la molécula de ADN de doble cadena (llamada doble hélice de ADN ). En este modelo, cada cadena sirve como molde en la síntesis de una cadena complementaria. La investigación posterior confirmó el modelo de Watson y Crick de la replicación del ADN y demostró que el ADN lleva la información genética para la reproducción de la célula entera.

Crick, Francis Harry Compton: estructura de ADN propuesta

Crick, Francis Harry Compton: estructura de ADN propuesta
La propuesta inicial de la estructura del ADN por James Watson y Francis Crick fue acompañada por una sugerencia sobre los medios de replicación.

Inicialmente se pensó que toda la información genética en una célula estaba confinada al ADN en los cromosomas del núcleo celular. Los descubrimientos posteriores identificaron pequeñas cantidades de información genética adicional presente en el ADN de cromosomas mucho más pequeños localizados en dos tipos de organelos en el citoplasma. Estos organelos son las mitocondrias en las células animales y las mitocondrias y cloroplastos en las células vegetales. Los cromosomas especiales llevan la información que codifica para algunas de las muchas proteínas y moléculas de ARN necesarias para los organelos. También sugieren el origen evolutivo de estos orgánulos, que se cree que se originaron como bacterias de vida libre que fueron absorbidos por otros organismos en el proceso de simbiosis.

ARN: replicado de ADN

Es posible que el ARN se repliegue por mecanismos relacionados con los utilizados por el ADN, a pesar de que tiene una estructura monocatenada en lugar de una estructura de doble hebra. En las células tempranas se cree que el ARN se ha replicado de esta manera. Sin embargo, todo el ARN en las células actuales se sintetiza mediante enzimas especiales que construyen una cadena de ARN de cadena sencilla utilizando una hebra de la hélice de ADN como plantilla. Aunque las moléculas de ARN se sintetizan en el núcleo celular, donde se encuentra el ADN, la mayoría de ellas son transportadas al citoplasma antes de que realicen sus funciones.

Cómo el ADN dirige la síntesis de proteínas

¿Cómo el ADN dirige la síntesis de proteínas?
La genética molecular surgió de la comprensión de que el ADN y el ARN constituyen el material genético de todos los organismos vivos. (1) El ADN, localizado en el núcleo celular, está formado por nucleótidos que contienen las bases adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C). (2) El ARN, que contiene uracilo (U) en lugar de timina, transporta el código genético a sitios de síntesis de proteínas en la célula. (3) El ARN mensajero (mRNA) lleva entonces la información genética a los ribosomas en el citoplasma celular que traducen la información genética en moléculas de proteína.

Las moléculas de ARN en las células tienen dos funciones principales. Algunas, las ribozimas, se pliegan de manera que les permita servir como catalizadores para reacciones químicas específicas. Otros sirven como "ARN mensajero", que proporciona plantillas que especifican la síntesis de proteínas. Los ribosomas, pequeñas máquinas de síntesis de proteínas ubicadas en el citoplasma, "leen" las moléculas de ARN mensajero y las "traducen" en proteínas usando el código genético. En esta traducción, la secuencia de nucleótidos en la cadena de ARN mensajero se decodifica tres nucleótidos a la vez, y cada triplete de nucleótidos (llamado codón) especifica un aminoácido particular. Por lo tanto, una secuencia de nucleótidos en el ADN especifica una proteína siempre que se produzca una molécula de ARN mensajero a partir de esa secuencia de ADN. Cada región de la secuencia de ADN que especifica una proteína de esta manera se denomina un gen.

Mediante los mecanismos anteriores, las moléculas de ADN catalizan no sólo su propia duplicación sino que también dictan las estructuras de todas las moléculas de proteínas. Una sola célula humana contiene aproximadamente 10.000 proteínas diferentes producidas por la expresión de 10.000 genes diferentes. En realidad, se cree que un conjunto de cromosomas humanos contiene ADN con suficiente información para expresar entre 30.000 y 100.000 proteínas, pero la mayoría de estas proteínas parecen estar hechas sólo en tipos especializados de células y, por lo tanto, no están presentes en todo el cuerpo. (Para más discusión, ver abajo el núcleo.)

La organización de las células


Comunicación intracelular

Una célula con sus diferentes moléculas de ADN, ARN y proteína es muy diferente de un tubo de ensayo que contiene los mismos componentes. Cuando una célula se disuelve en un tubo de ensayo, miles de diferentes tipos de moléculas se mezclan al azar. En la célula viviente, sin embargo, estos componentes se mantienen en lugares específicos, lo que refleja el alto grado de organización esencial para el crecimiento y la división de la célula. El mantenimiento de esta organización interna requiere un aporte continuo de energía, porque las reacciones químicas espontáneas siempre crean desorganización. Por lo tanto, gran parte de la energía liberada por la hidrólisis de ATP alimenta procesos que organizan macromoléculas dentro de la célula.

Cuando se examina una célula eucariótica con gran aumento en un microscopio electrónico, se hace evidente que organelos específicos unidos a membrana dividen el interior en una variedad de subcompuestos. Aunque no es detectable en el microscopio electrónico, es evidente a partir de ensayos bioquímicos que cada organela contiene un conjunto diferente de macromoléculas. Esta segregación bioquímica refleja la especialización funcional de cada compartimento. De este modo, las mitocondrias, que producen la mayor parte del ATP de la célula, contienen todas las enzimas necesarias para llevar a cabo el ciclo del ácido tricarboxílico y la fosforilación oxidativa. De forma similar, las enzimas degradativas necesarias para la digestión intracelular de macromoléculas no deseadas se limitan a los lisosomas.

volúmenes relativos ocupados por algunos compartimentos celulares en una célula hepática típica.

Los volúmenes relativos ocupados por algunos compartimentos celulares en una célula hepática típica.

Está claro a partir de esta segregación funcional que las muchas proteínas diferentes especificadas por los genes en el núcleo de la célula deben ser transportadas al compartimiento donde se utilizarán. No es sorprendente que la célula contenga un sistema extensivo de membrana dedicado a mantener sólo este orden intracelular. El sistema sirve como una oficina de correos, garantizando el enrutamiento adecuado de macromoléculas recién sintetizadas a sus destinos apropiados.

Todas las proteínas se sintetizan en ribosomas localizados en el citosol. Tan pronto como la primera porción de la secuencia de aminoácidos de una proteína emerge del ribosoma, se inspecciona la presencia de una breve secuencia de "retículo endoplásmico (ER)". Los ribosomas que producen proteínas con tal secuencia se transportan a la Superficie de la membrana ER, donde completan su síntesis; Las proteínas fabricadas en estos ribosomas se transfieren inmediatamente a través de la membrana ER al interior del compartimento ER. Las proteínas que carecen de la secuencia señal ER permanecen en el citosol y se liberan de los ribosomas cuando se completa su síntesis. Este proceso de decisión química coloca algunas cadenas de proteínas recién completadas en el citosol y otras dentro de un amplio compartimiento limitado a membrana en el citoplasma, representando el primer paso en la clasificación intracelular de proteínas.

Las proteínas recién hechas en ambos compartimentos celulares se clasifican posteriormente de acuerdo con las secuencias señal adicionales que contienen. Algunas de las proteínas en el citosol permanecen allí, mientras que otras van a la superficie de las mitocondrias o (en las células vegetales) de los cloroplastos, donde se transfieren a través de las membranas a los organelos. Las subsignas de cada una de estas proteínas designan entonces exactamente en qué parte del organelo pertenece la proteína. Las proteínas inicialmente clasificadas en el ER tienen un rango aún más amplio de destinos. Algunos de ellos permanecen en el ER, donde funcionan como parte del organelle. La mayoría entra en vesículas de transporte y pasa al aparato de Golgi, organelos separados por membrana que contienen al menos tres subcompartimentos. Algunas de las proteínas se conservan en los subcompuestos del Golgi, donde se utilizan para funciones propias de ese organelo. La mayoría eventualmente entra en vesículas que salen del Golgi para otros destinos celulares como la membrana celular, lisosomas o vesículas secretoras especiales.

Comunicación intercelular

La formación de un organismo multicelular comienza con una pequeña colección de células similares en un embrión y procede por división celular continua y especialización para producir una comunidad entera de células cooperadoras, cada una con su propio papel en la vida del organismo. A través de la cooperación celular, el organismo se convierte en mucho más que la suma de sus componentes.

Blastocisto: desarrollo del embrión y determinación celular

Blastocisto: desarrollo del embrión y determinación celular
El óvulo contiene una pequeña colección de células en las primeras etapas del desarrollo humano. A medida que las células se dividen (A-D), se separan en diferentes regiones del óvulo. Cada región del óvulo transmite un conjunto único de señales químicas a las células cercanas. Por lo tanto, las señales detectadas por una célula difieren de las detectadas por sus células vecinas. En este proceso, conocido como determinación de células, las células se programan individualmente para dirigirlas hacia el desarrollo en diferentes tipos de células.

Un óvulo fertilizado se multiplica y produce una familia entera de células hijas, cada una de las cuales adopta una estructura y una función de acuerdo a su posición en todo el conjunto. Todas las células hijas contienen los mismos cromosomas y por lo tanto la misma información genética. A pesar de esta herencia común, los diferentes tipos de células se comportan de manera diferente y tienen diferentes estructuras. Para que esto sea así, deben expresar diferentes conjuntos de genes, de modo que produzcan proteínas diferentes a pesar de sus antepasados ​​embrionarios idénticos.

Durante el desarrollo de un embrión, no es suficiente para todos los tipos de células que se encuentran en el individuo plenamente desarrollado simplemente para ser creado. Cada tipo de célula debe formar en el lugar correcto en el momento adecuado y en la proporción correcta; De lo contrario, habría un revoltijo de células al azar variadas de ninguna manera se asemeja a un organismo. El desarrollo ordenado de un organismo depende de un proceso denominado determinación celular, en el que células inicialmente idénticas se comprometen con diferentes vías de desarrollo.

Una parte fundamental de la determinación celular es la capacidad de las células para detectar diferentes productos químicos dentro de diferentes regiones del embrión. Las señales químicas detectadas por una célula pueden ser diferentes de las señales detectadas por sus células vecinas. Las señales que una célula detecta activan un conjunto de genes que le indican a la célula que se diferencie de manera apropiada para su posición dentro del embrión. El conjunto de genes activados en una célula difiere del conjunto de genes activados en las células a su alrededor. El proceso de determinación celular requiere un elaborado sistema de comunicación de célula a célula en embriones tempranos.

TEMAS COMPLEMENTARIOS:

Membrana Celular: composición química, estructura y transporte a través de la membrana.

Célula: membranas internas - organelas y sus membranas.

Núcleo celular - organización estructural del núcleo celular

Célula: la mitocondria y el cloroplasto

El Citoesqueleto: filamentos de actina, microtúbulos y filamentos intermedios

División celular y crecimiento: duplicación del material genético y el ciclo de división celular

La evolución de las células, desarrollo de la información genética y desarrollo del metabolismo

Historia de la teoría celular - formulación de la teoría y contribución de otras ciencias

Bibliografía:

Tórtora y Derrickson. Principios de anatomía y fisiología (onceava edición)

https://www.britannica.com

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