Fisiología humana/Fisiología celular

Estructura Celular y Función

¿Qué es una célula?

Una célula es una estructura además de unidad funcional de vida, cada organismo vivo tiene células: bacterias, protozoos, hongos, plantas y animales son los grupos principales grupos de seres vivos. Algunos organismos están hechos solo de una célula y son llamados organismos unicelulares (bacterias y protozoos), pero los animales, incluyendo los seres humanos son organismos multicelulares. Un cuerpo humano adulto está compuesto de alrededor de 100 billones de células, cada célula tiene requerimientos básicos para mantenerse, y los sistemas de órganos del cuerpo están construidos en gran parte proveyendo de muchos trillones de células con esas necesidades básicas (como oxígeno, comida y remoción de desechos).

Existen alrededor de 200 clases diferentes de células especializadas en el cuerpo humano. Cuando muchas células idénticas están organizadas juntas se llaman un tejido (por ejemplo tejido muscular, tejido nervioso, etc.). Varios tejidos organizados juntos para un propósito común son llamados órganos (por ejemplo, el estomago es un órgano, y también lo es la piel, el cerebro y el útero).

Las ideas acerca de la estructura celular han cambiado considerablemente a lo largo de los años. Los biólogos de antaño vieron a las células como simples sacos membranosos que contenían fluidos y unas pocas partículas flotantes. En cambio los biólogos de hoy conocen que las células son inconcebiblemente más complejos que eso. Por lo tanto, un fuerte conocimiento de los variados orgánulos celulares y sus funciones es importante para cualquier fisiólogo. Si las células de una persona están saludables, entonces esa persona será saludable. Todos los procesos fisiológicos, enfermedades, crecimiento y desarrollo pueden ser descritos a nivel celular.

Células especializadas del Cuerpo humano

Si bien existen células especializadas en estructura y función dentro del cuerpo, todas las células tienen semejanzas en su organización estructural y necesidades metabólicas (tales como el mantenimiento de los niveles de energía vía conversión de carbohidratos a ATP y el uso de genes para crear y mantener las proteínas)

A continuación se presentan algunos de los diferentes tipos de células especializadas dentro del cuerpo humano

• Células nerviosas: también llamadas neuronas, estas células están en el sistema nervioso y su función es procesar y transmitir información (según las hipótesis). Son los componentes centrales del cerebro, la medula espinal y de los nervios periféricos. Estas células usan la sinapsis química que pueden evocar señales eléctricas, llamadas potenciales de acción, para transmitir señales a través del cuerpo.
• Células epiteliales: las funciones de estas células incluyen la secreción, absorción, protección, transporte transcelular, detección de sensación y permeabilidad selectiva. Las líneas epiteliales externas (piel) y las cavidades internas y lumen corporal.
• Células exocrinas: estas células secretan productos a través de ductos, como la mucosidad, sudor o encimas digestivas. Los productos de estas células van directamente al órgano objetivo a través de los ductos. Por ejemplo, la bilis de la vesícula es transportada al duodeno vía el conducto biliar.
• Células endocrinas: estas células son similares a las células exocrinas, pero estas secretan sus productos directamente en el torrente sanguíneo en lugar de llevarlas a través de conductos. Estas células se encuentran a través del cuerpo pero están concentradas en las glándulas secretoras de hormonas tal como la glándula pituitaria. Los productos de las células endocrinas van a través del cuerpo por el torrente sanguíneo pero actúan en órganos específicos gracias a los receptores en las células de los órganos objetivos. Por ejemplo, la hormona estrógeno actúa específicamente en el útero y las mamas de las mujeres, puesto que existen receptores de estrógeno en las células de estos órganos objetivo.
• Células sanguíneas: Los tipos más comunes de células sanguíneas son:
  • Glóbulos rojos (eritrocitos): la principal función de los glóbulos rojos es recolectar oxígeno en los pulmones y entregarlo a través de la sangre a los tejidos del cuerpo. El intercambio de gas es llevado a cabo por difusión simple.
  • Varios tipos de glóbulos blancos (leucocitos): se producen en la medula ósea y ayudan al cuerpo a combatir enfermedades infecciosas y objetos extraños en el sistema inmunológico. Las células blancas se encuentran en el sistema circulatorio, en el sistema linfático, en el bazo y otros tejidos del cuerpo.

Tamaño de una célula

Las células son las unidades vivas estructurales más pequeñas y funcionales dentro de nuestro cuerpo, pero juegan un rol importante en hacer que el cuerpo funcione adecuadamente. Muchas células nunca tienen un gran incremento de tamaño como los huevos, después de que se formaron de una célula parental. Las células madres típicas se reproducen, duplican su tamaño y se vuelven a reproducir. La mayoría de los contenidos citosólicos, tales como el sistema endomembranoso y el citoplasma fácilmente escalan a tamaños más grandes en células más grandes. Si una célula se convierte en una muy grande la cantidad celular normal de ADN puede que no sea adecuada para mantener el suministro de la célula con ARN. Las células más grandes a menudo replican sus cromosomas a una cantidad altamente anormal o se vuelven multinucleadas. Las células grandes que son principalmente para el almacenaje de nutrientes pueden tener membranas de superficie lisa, pero metabólicamente las células grandes activas a menudo tienen algún tipo de pliegue de la membrana de la superficie de la célula para incrementar el área de superficie disponible para funciones de transporte.

Organización Celular

Varias moléculas diferentes interactúan para formar orgánulos dentro del cuerpo. Cada tipo de orgánulo tiene una función específica. Los orgánulos desempeñan las funciones vitales que mantienen nuestras células vivas.

Membranas celulares

El límite de la célula, a veces llamada membrana plasmática, separa los eventos metabólicos internos del ambiente externo y controla el movimiento de materiales dentro y fuera de la célula. Esta membrana es muy selectiva con lo que permite pasar a través de ella, a ésta característica se le denomina “permeabilidad selectiva”. Por ejemplo, permite que entre el oxígeno y los nutrientes a la célula mientras que mantiene fuera a las toxinas y a los productos de desechos. La membrana plasmática es una membrana fosfolipídica doble, o una bicapa lipídica, con las colas hidrofóbicas apolares apuntando hacia dentro de la membrana y las cabezas hidrofílicas polar formando las superficies internas y externas de la membrana.

Estructura molecular de la membrana celular.

Proteína y Colesterol

Las moléculas de proteínas y colesterol están dispersas por toda la membrana fosfolipídica flexible. Las proteínas periféricas se adhieren libremente a la superficie interna y externa de la membrana plasmática. Las proteínas integrales se extienden a través de la membrana desde adentro hacia afuera. Una variedad de proteínas están dispersas por toda la matriz flexible de las moléculas fosfolipídicas, de manera similar a los icebergs que flotan en el océano, y esto es denominado modelo de mosaico fluido de la membrana celular.

La bicapa fosfolipídica es selectivamente permeable. Sólo las moléculas polares pequeñas, sin carga pueden pasar libremente a través de la membrana. Algunas de estas moléculas son H2O y CO2, las moléculas hidrofóbicas (apolar) como el O2, y moléculas solubles en lípidos como los hidrocarburos. Otras moléculas necesitan la ayuda de las proteínas de membrana para transmitir. Existen una variedad de membranas de proteínas que tienen varias funciones:

• Proteínas canal: son proteínas que proveen corredores a través de las membranas para ciertas substancias hidrofílicas o solubles en agua, tal como moléculas polares y con carga. Durante el transporte no se usa energía, por lo tanto este tipo de movimiento es llamado Difusión facilitada.
• Proteínas de transporte: son proteínas que gastan energía (ATP) para transferir materiales a través de la membrana. Cuando la energía es usada para proveer corredores para los materiales, el proceso es llamado Transporte activo.
• Proteínas de reconocimiento: estas proteínas distinguen la identidad de las células vecinas. Estas proteínas contienen oligosacáridos o cadenas cortas de polisacáridos que se extienden desde la superficie celular.
• Proteínas de adhesión: son proteínas que adhieren células a células vecinas o proveen anclajes para los filamentos internos y túbulos que dan estabilidad a la célula.
• Proteínas receptoras: son proteínas que inician respuestas específicas de la célula una vez que las hormonas u otras moléculas desencadenantes se adhieren a ellas.
• Proteínas de transporte de electrones: son proteínas que están envueltas en el movimiento de electrones desde una molécula a otra durante las reacciones químicas.

Transporte pasivo a través de la membrana celular

El transporte pasivo describe el movimiento de sustancias bajo una gradiente de concentración y no requiere uso de energía.

• Flujo en masa es el movimiento colectivo de sustancias en la misma dirección en respuesta a una fuerza, como la presión. La sangre que se mueve a través de los vasos es un ejemplo para el flujo en masa.
• Difusión simple, o difusión, es la red de movimiento de substancias de un área con alta concentración a otra con baja concentración. Este movimiento ocurre como resultado del movimiento constante y aleatorio de todas las moléculas (átomos o iones) y es independiente del movimiento de otras moléculas. Debido a que todas las moléculas se pueden mover contra la gradiente y otras moléculas se pueden mover a favor de la gradiente, y aunque el movimiento es aleatorio, la palabra “red” es usada para indicar el resultado final y general del movimiento.
• Difusión facilitada es la difusión de solutos a través de los canales en la membrana plasmática. El agua puede pasar libremente a través de la membrana plasmática sin la ayuda de proteínas especializadas (aunque con la ayuda de las acuaporinas).
• Osmosis es la difusión de moléculas de agua a través de la membrana selectivamente permeable. Cuando el agua se mueve dentro de un cuerpo gracias a la osmosis, la presión hidrostática o presión osmótica se pude desarrollar dentro del cuerpo.
• Diálisis es la difusión de solutos a través de la membrana selectivamente premiable.

Transporte activo a través de la membrana celular

El transporte activo es el movimiento de solutos contra una gradiente y requiere un gasto de energía, usualmente en la forma de ATP. El transporte activo es logrado a través de uno de los siguientes mecanismos:

Bombas de proteína

• El Transporte de proteínas en la membrana plasmática transfiere solutos tales como pequeños iones (Na+ , K+ , Cl-, H+ ), aminoácidos y monosacáridos.
• Las proteínas envueltas en el transporte activo son conocidas como bombas de iones.
• La proteína se combina a una molécula de la substancia a ser transportada en un lado de la membrana, entonces se usa la energía liberada (ATP) para cambiar su forma, y liberarla en el otro lado.
• Las bombas de proteína son específicas, existe una bomba diferente para cada molécula a transportar.
• Las bombas de proteína son catalizadores en la separación de ATP  ADP +fosfato, por lo tanto son llamados encimas ATPasa.
• Bomba de potasio y sodio (también llamada encima Na+ /K+ -ATPasa) mueve activamente sodio fuera de la célula y potasio dentro de la célula. estas bombas se encuentran en la membrana de virtualmente cada célula, y son esenciales en la transmisión de impulsos nerviosos y en las contracciones musculares.

La Fibrosis Quística es un desorden genético que resulta en un canal iónico de cloruro mutado. Al no regular la secreción de cloruro apropiadamente, el flujo de agua a través de la superficie de la vía aérea es reducida y la mucosidad se deshidrata y se vuelve espesa.

Transporte vesicular

Las vesículas u otros cuerpos en el citoplasma mueven macromoléculas o partículas de gran tamaño a través de la membrana plasmática. En los tipos de transporte vesicular se incluyen:

1. Exocitosis, es la que describe el proceso de fusión vesicular con la membrana plasmática, liberando su contenido al exterior de la célula. Este proceso es común cuando la célula produce sustancias para exportar.
2. Endocitosis, la que describe la captura de una sustancia en el exterior de una célula cuando la membrana plasmática se incorpora para envolverla. Luego de esto la sustancia entra al citoplasma envuelta en una vesícula.

Existen 3 tipos de Endocitosis:

• Fagocitosis o alimento celular, ocurre cuando los materiales disueltos entran en la célula. La membrana plasmática envuelve el material sólido, formando una vesícula fagosítica.

Pinocitosis o bebida celular ocurre cuando la membrana plasmática se pliega hacia el interior formando un canal permitiendo que las substancia disueltas entren a la célula. Cuando el canal está cerrado, el líquido es rodeado dentro de la vesícula pinocitica.

• Endocitosis mediada por receptor ocurre cuando moléculas específicas en el fluido que rodea la célula se combina en receptores especializados en la membrana plasmática. Como en la Pinocitosis, la membrana plasmática se pliega hacia el interior y la formación de vesículas continua.

Nota: ciertas hormonas son capaces de enfocar células específicas mediante la Endocitosis mediada por receptor.

Partes de la célula

Estructura de la célula animal

Leyenda de imagen:

1. Núcleo. 1.1. Poro nuclear. 1.2. Cromatina. 1.3. Membrana nuclear. 1.4. Núcleo. 1.5. Nucleolo. 2. Membrana plasmática. 3. Complejo de Golgi (vesículas, aparato). 4. Ribosomas. 5. Retículo endoplasmático rugoso. 6. Retículo endoplasmático liso. 7. Filamentos de actina. 8. Flagelo. 9. Peroxisoma. 10. Microtúbulo. 11. Lisosoma. 12. Ribosomas libres. 13. Mitocondria. 14. Fibras intermedias. 15. Citoplasma. 16. Vesícula secretora. 17. Centrosoma (con dos centríolos).

Citoplasma

El material gelatinoso dentro de la membrana celular es llamado citoplasma. Es un fluido de la matriz, el citosol , que consiste en 80% a 90% de agua, sales , moléculas orgánicas y muchas enzimas que catalizan las reacciones, junto con substancias disueltas tales como proteínas y nutrientes. El citoplasma tiene un rol importante en la célula, sirve de “sopa molecular” en la cual los orgánulos están suspendidos y unidos por una membrana grasa.

Dentro de la membrana plasmática de una célula, el citoplasma rodea la envoltura nuclear y los orgánulos citoplasmáticos. Juega un rol mecánico desplazándose dentro de la membrana y empujando contra la membrana celular ayudando a mantener la forma y consistencia de la célula y proveyendo suspensión para los orgánelos. También es un espacio de almacenaje para las sustancias químicas indispensables para la vida, que están envueltas en reacciones metabólicas vitales, como la glicolisis anaeróbica y síntesis de proteínas.

La membrana celular mantiene el citoplasma sin derrames. Contiene muchos orgánelos diferentes que son considerados los componentes insolubles del citoplasma, como lo son la mitocondria, lisosomas, peroxisomas, ribosomas , varias vacuolas y citoesqueleto , además de estructuras celulares membranosas complejas como el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi , los que tienen funciones específicas dentro de la célula.

Citoesqueleto

Son proteínas filiformes que forman el citoesqueleto y que se reconstruyen continuamente para adaptarse a las necesidades de las células que están en constante cambio. Esto ayuda a las células a mantener su forma y les permite moverse a las células y su contenido. El citoesqueleto permite que ciertas células, como los neutrófilos y macrófagos, realicen movimientos ameboides.

La red está compuesta de tres elementos: los microtúbulos, filamentos de actina y las fibras intermedias.

Microtúbulos

Los microtúbulos funcionan como infraestructura junto con los orgánelos y vesículas para que se muevan dentro de la célula. Son las estructuras más gruesas en el citoesqueleto, y son cilindros largos y huecos, compuestos de subunidades de proteínas, llamadas tubulinas. Los microtúbulos forman husos mitóticos, la maquinaria que particiona los cromosomas entre dos células en el proceso de la división celular. Sin esos husos las células no podrán reproducirse.

Los microtúbulos, filamentos intermedios y microfilamentos son tres fibras de proteínas de diámetro decreciente respectivamente. Todos estos elementos se encargan de establecer la forma o movimientos del citoesqueleto, la estructura interna de la célula.

Fotografía de Microfilamentos.

Microfilamentos

Los microfilamentos proporcionan soporte mecánico para la célula, determinan la forma de la célula y en algunos casos permite los movimientos de ésta. Tienen una apariencia de flecha con un extremo puntiagudo. Están hechos de la proteína actina y son responsables de la motilidad celular. Se pueden encontrar en casi todas las células, pero son predominantes en las células musculares y en las células que se mueven cambiando su forma, como los fagocitos (células blancas que exploran el cuerpo en búsqueda de bacterias y otros invasores externos)

Orgánulos

Los orgánulos son cuerpos incrustados en el citoplasma y sirven para separar físicamente las variadas actividades metabólicas que ocurren dentro de las células. Los organelos son como pequeñas fábricas separadas, cada uno es responsable de producir cierto producto que es usado en otro lugar ya sea en la célula o en el cuerpo.

Las células de todos los seres vivientes se dividen en dos grandes categorías: Procarionte y Eucarionte. Las bacterias (y las arqueas) son procariontes, que significa que carecen de núcleos o orgánulos unidos a una membrana. Las eucariotas incluyen todos los protozoos, hongos, plantas, y animales (incluyendo a los humanos), y estas células se caracterizan por tener un núcleo (que es el hogar de los cromosomas) además de una variedad de otros organelos. Las células humanas varían considerablemente (teniendo en cuenta las diferencias entre una célula ósea, un glóbulo rojo y una célula nerviosa), pero la mayoría de las células tienen las características descritas a continuación.

Comparación entre células procariotas y eucariotas.

Núcleo

Este componente controla la célula, además es el hogar del material genético (ADN). El núcleo es el orgánulo más grande de las células. Las células pueden tener más de un núcleo o falta de núcleo. Las células musculares esqueléticas contienen más de un núcleo, mientras que los glóbulos rojos no contienen un núcleo en su interior. El núcleo está rodeado por la membrana nuclear, una bicapa fosfolipídica similar a la membrana plasmática. El espacio entre estas dos capas es la nucleolema Cisterna.

Como se mencionó anteriormente, el núcleo contiene el ADN, la información hereditaria en la célula. Normalmente el ADN es esparcido dentro del núcleo como matrices filiformes llamadas cromatinas. Cuando la célula se comienza a dividir, la cromatina se condensa en cuerpos con forma de varas llamadas cromosomas, y cada uno de los cuales, antes de dividirse, está formado por dos largas moléculas de ADN y en varias moléculas histonas. Estas últimas moléculas sirven para organizar el larguísimo ADN, enrollándolos en lotes llamados nucleosomas. También entre los núcleos podemos ver uno o más nucléolos, cada uno formado de ADN en el proceso de fabricación de los componentes de los ribosomas. Los ribosomas son enviados al citoplasma donde transforman aminoácidos en proteínas. El núcleo también sirve como el sitio para la separación de los cromosomas durante la división celular.

Diagrama del corte transversal de una célula

Cromosomas

Un bosquejo básico de un cromosoma.

Dentro de cada núcleo celular hay cromosomas. Los cromosomas están compuestos de cromatina, la cual se constituye de proteína y espirales de ácido desoxirribonucleico. El ácido desoxirribonucleico es ADN, el material genético que tiene forma de espiral entrelazada, también denominado doble hélice. Los seres humanos tienen 23 pares de cromosomas. El síndrome de Down y el síndrome Cri du Chat se originan de una anormalidad en el número de cromosomas.

Centriolos

Los centriolos son estructuras con forma de varillas compuestas por estructuras de 9 grupos que contienen tres microtúbulos cada uno. El centrosoma se constituye de dos centriolos perpendiculares que están rodeados por proteínas. Los centriolos son muy importantes en la división celular, donde se organiza el huso mitótico que expulsa a los cromosomas hacia el exterior.

Los Centriolos y estructuras basales actúan como centros organizadores de microtúbulos. Un par de centriolos (encerrados en un centrosoma) se localizan fuera de la envoltura nuclear elevando a los microtúbulos que forman el huso mitótico durante la división celular. Las estructuras basales están en la base de cada flagelo y cilio y se presentan para organizar su desarrollo.

Ribosomas

Estructura de los ribosomas

Los ribosomas juegan un rol activo en el complejo proceso de síntesis de proteínas, donde sirven como estructuras que facilitan la unión de los aminoácidos. Cada ribosoma se compone de grandes y pequeñas subunidades que se constituyen de proteínas ribosomales y ARN ribosomales. Se encuentran solos o en grupos llamados poliribosomas dentro del citoplasma. Ocasionalmente, pueden estar adheridos al retículo endoplasmático.

Dibujo del interior de una mitocondria

Mitocondria

Las mitocondrias son orgánulos que funcionan como la fuente de poder, que produce ATP, la forma universal de energía usada por todas las células. Convierte los nutrientes de los alimentos como la glucosa, en combustible (ATP) que necesitan las células del cuerpo. Las mitocondrias son estructuras diminutas en forma de saco que se encuentran cerca del núcleo. Pequeñas estanterías llamadas crestas se forman desde el fondo de una membrana interna. Las células metabólicamente activas como células de músculos, hígado y riñón necesitan de mucha energía, por lo tanto tienen más mitocondrias.

Las mitocondrias son únicas ya que tienen su propio ADN mitocondrial (separado del ADN que está en el núcleo). Se cree que los eucariontes envuelven una célula viva dentro de otra célula y que la mitocondria comparte muchos rasgos con bacterias de crecimiento libre (cromosoma similar, ribosomas similares, etc.).

Retículo Endoplasmático

Endoplasmático significa "dentro del plasma" y retículo significa "red".

Un sistema tridimensional interno membranoso complejo de sáculos aplanados y tubos, que juegan un importante rol en hacer proteínas y transportar producto celular, que involucra el metabolismo de las grasas y la producción de varios materiales. En un corte transversal, se presentan como una serie de canales en forma de laberinto que a menudo se asocian con el núcleo.

Cuando los ribosomas están presentes, el retículo endoplasmático rugoso conecta el grupo de polisacáridos a los polipéptidos, reunidos por los ribosomas. El retículo endoplasmático liso, sin ribosomas, es responsable de varias actividades, incluyendo la síntesis de lípidos y hormonas, especialmente en células que producen están sustancias para exportarlas desde las células.

El retículo endoplasmático rugoso tiene un aspecto irregular debido a la multitud de ribosomas que lo cubre. En este lugar se sintetizan las proteínas que no están destinadas para el citoplasma

El retículo endoplasmático liso cumple muchas funciones, incluyendo la síntesis de lípidos y degradación, además del almacenaje de ion de calcio. En las células del hígado, el retículo endoplasmático liso se somete en una descomposición de tóxicos, drogas y subproductos tóxicos que provienen de la reacción celular.

Aparato de Golgi

“Empaqueta” productos celulares en sáculos llamados vesículas, de manera que los productos puedan cruzar la membrana celular y salir de la célula. El aparato de Golgi es el sistema de distribución central para las células. Es un grupo de sáculos aplanados organizados como un grupo de sacos discoidales. Funcionan para modificar y empacar proteínas y lípidos en vesículas, sáculos esféricos pequeños que surgen desde el final del aparato de Golgi. Las vesículas a menudo emigran y aparecen con la membrana plasmática, liberando su contenido fuera de la célula. El aparato de Golgi además transporta lípidos y crean lisosomas y orgánulos que participan en la digestión.

Vacuolas

Espacios en el citoplasma que a veces sirven para llevar materiales a las membranas celulares para descarga fuera de la célula. Las vacuolas se forman durante la Endocitosis cuando porciones de membrana celular se estrangulan.

Lisosomas

Los lisosomas son compartimentos en forma de sacos que contienen un gran número de poderosas enzimas degradativas. Se forman en el aparato de Golgi. Descomponen las células dañinas y materiales de desechos, restos celulares e invasores externos como bacterias y las fuerzan a salir de la célula. La enfermedad de Tay-Sachs y la enfermedad de Pompe son el mal funcionamiento de los lisosomas o proteína digestiva.

Peroxisomas

Orgánulos en los que el oxígeno es usado para la oxidación de sustancias, descomposición de lípidos y desintoxicación de ciertos químicos. Los peroxisomas se multiplican a sí mismos, aumentando su tamaño para luego dividirse. Son comunes en las células del hígado y riñón que descomponen sustancias potencialmente dañinas. Los peroxisomas se pueden convertir en peróxido de hidrógeno, una toxina compuesta de H2O2 a H2O.

Estructuras extracelulares

Matriz extracelular

Las células humanas, al igual que las animales, no tienen una pared celular rígida. Las células humanas poseen una estructura importante y variable fuera de su célula membranosa llamada matriz extracelular. A veces, esta matriz puede ser extensa y sólida (ejemplos: matriz de hueso calcificado, cartílago matriz) mientras que en otras ocasiones se componen de una capa de proteínas extracelulares y carbohidratos. Esta matriz es responsable de vincular una célula con otra y es sumamente importante en la forma en que las células interactúan tanto física como fisiológicamente, unas con otras.

Flagelo

Muchos procariontes tienen flagelo, permitiendo, por ejemplo, a una bacteria E.coli a impulsarse hacia la uretra causando una infección tracto urinaria (ITU). Sin embargo, las células humanas (en la mayoría células eucariontes) no tienen flagelos. Esto hace sentido ya que los seres humanos son multicelulares y las células individuales no necesitan desplazarse en un líquido. La excepción obvia es la esperma, ya que cada esperma es expulsada por un flagelo propio. El flagelo de la esperma se compone de microtúbulos.

Cilio

Los cilios son visibles en protozoos unicelulares, donde golpean sincronizadamente para mover las células ágilmente a través del agua. Se componen de extensiones de células membranosas que contienen microtúbulos. En seres humanos, se encuentran en grandes cantidades en una sola superficie de las células, donde más allá de mover células, transportan materiales. El escalador mucociliar del sistema respiratorio está compuesto de células que secretan mucosa, inclinado hacia la tráquea y bronquios; y la célula epitelial ciliada que mueven la mucosa hacia arriba. De esta manera, las esporas, bacterias y desechos son atrapados por la mucosidad y se remueven de la tráquea y son empujados al esófago (para ser absorbidos por un recipiente de ácido). En el oviducto, el cilio mueve el óvulo desde el ovario al útero, un viaje que toma un par de días.

Unión Celular

Imagen ampliada de muchas células, con cilio visible.

Las membranas plasmáticas de células adyacentes son comúnmente separadas por fluidos extracelulares que permiten el transporte de nutrientes y desechos hacia y desde el torrente sanguíneo. Sin embargo, en ciertos tejidos, las membranas de células adyacentes se pueden juntar y formar una unión. Se conocen tres tipos de unión celular:

• Desmosomas: son proteínas unidas entre las células adyacentes. Dentro de la membrana plasmática, un desmosoma sostiene una estructura en forma de disco desde donde las fibras de proteínas se extienden hacia el citoplasma. Los desmosomas actúan como una unión que contiene tejidos unidos que se someten a una tensión considerable, como los de la piel o el corazón.

• Las uniones estrechas u ocluyentes son tejidos estrechos entre las células. La unión encierra cada célula por completo, previniendo el movimiento de material entre las células. Las uniones estrechas son características del revestimiento celular del tracto digestivo, donde se requieren materiales para pasar a través de las células, más que en espacios intercelulares, para penetrar el torrente sanguíneo.

• Las uniones en hendidura son túneles angostos que conectan directamente el citoplasma de dos células vecinas, que se constituyen de proteínas llamadas conexones. Estas proteínas permiten sólo el paso de los iones y pequeñas moléculas. De esta manera, las uniones en hendidura permiten la comunicación entre células a través del intercambio de materiales o la transmisión de impulsos eléctricos.

Metabolismo Celular

El metabolismo celular es la energía total que es liberada y consumida por una célula. El metabolismo describe todas las reacciones químicas que ocurren en el cuerpo. Algunas reacciones, llamadas reacciones anabólicas, crean los productos necesarios. Otras reacciones llamadas reacciones catabólicas, descomponen los productos. El cuerpo funciona con ambas reacciones al mismo tiempo, veinticuatro horas al día, manteniendo el cuerpo vivo y funcionando. Incluso mientras duermes, las células están metabolizando.

• Catabolismo: el proceso de liberación de energía en el que un químico o alimento es usado (descompuesto) por degradación o descomposición, en pequeñas partículas.

• Anabolismo: Anabolismo es lo opuesto de catabolismo. En esta porción de metabolismo, las células consumen energía para producir moléculas más grandes a través de moléculas más pequeñas.

Moléculas de Alta Energía

Trifosfato de adenosina (ATP)

Diagrama químico de una molécula de ATP

El ATP es la moneda de una célula. Cuando las células necesitan usar energía, como cuando se necesita mover sustancias cruzando la célula membranosa a través del sistema trasportador activo, se “paga” con moléculas de ATP. La cantidad de ATP en el cuerpo humano en cualquier momento es aproximadamente de 0.1 mol.

La energía usada por las células humanas requiere de hidrolisis de 200 a 300 moles de ATP diariamente. Esto significa que cada molécula de ATP es reciclada 2000 a 3000 veces durante un día. El ATP no puede ser almacenado, así que el consumo debe ser seguido de la síntesis. Un kilogramo de ATP es creado, procesado y reciclado en el cuerpo en una hora. Visto de otro modo, una sola célula usa alrededor de 10 millones de moléculas de ATP por segundo para satisfacer las necesidades metabólicas y reciclar todas las moléculas de ATP cada 20-30 segundos.

Dinucleótido de flavina adenina (FAD)

Cuando dos átomos de hidrógenosestán vinculados, el FAD es reducido a FADH₂ y se convierte en una molécula transportadora de energía. El FAD proporciona dos equivalentes de hidrogeno, los iones de hidruros y protones. Esto es usado por los organismos para transportar energía requerida en los procesos. El FAD es reducido en el ciclo de ácido cítrico durante la respiración aeróbica.

Dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADH)

El dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD⁺)y nicotinamida adenina dinucleotido fosfato (NADP)son dos co-factores importantes encontrados en las células. NADH es la forma reducida de NAD⁺,y NAD⁺ es la forma oxidada de NADH. Se forma NADP con la adicción del grupo de fosfato a la 2'posición del nucleótido adenosina a través del enlace ester.

NAD es usado ampliamente en la glicolisis y el ciclo del acido cítrico de la respiración celular. El potencial reducido almacenado en NADH se puede convertir en ATP a través de la cadena de transporte de electrones o usadas para el metabolismo anabólico. La "energía" ATP es necesaria para que un organismo viva. Las plantas verdes obtienen ATP a través de la fotosíntesis, mientras que otros organismos la obtienen por la respiración celular.

NADP es usado en la reacción anabólica, como ácido graso y síntesis de ácido nucleico que requiere NADPH como agente reductor. En cloroplastos el NADP es un agente oxidante importante en la reacción preliminar de la fotosíntesis. El NADPH producido por la fotosíntesis entonces se usa para reducir el poder de la reacción biosintética en el ciclo de Calvin de la fotosíntesis.

Diagrama químico de una molécula de NADH.

MH₂ + NAD⁺ → NADH + H⁺ + M: + energía,

donde M es un metabolito. Dos iones de hidrogeno (un ion de hidruro y uno de H+) son transferidos desde el metabolito. Un electrón es transferido al nitrógeno cargado positivamente y un hidrógeno añade un átomo de carbono opuesto al nitrógeno.

El cuerpo humano sintetiza NAD desde la vitamina niacina en forma de ácido nicótico o nicotinamida.

Respiración Celular

La respiración celular es el proceso de liberación de energía, en el cual las moléculas de azúcar se descomponen por una serie de reacciones y la energía química que se convierte en energía almacenada en las moléculas de ATP. La reacciones que convierten el combustible (glucosa) en energía celular disponible (ATP) son glicolisis, el ciclo de Krebs (a veces llamado el ciclo del ácido cítrico) y la cadena de transporte de electrones. Todas estas reacciones hacen referencia a la “respiración celular” o “respiración aerobica”. El oxigeno es necesario en el electrón final aceptante, lo que indica que la respiración celular es la razón principal por la que respiramos y comemos.

Diagrama de respiración celular

Glicolisis

La secuencia glicótica (glicolisis) es donde la glucosa, la molécula más pequeña que los carbohidratos pueden descomponer en la digestión, se oxida y se rompe en dos moléculas de carbono 3 (piruvatos) que continúan el ciclo de Krebs. La glicolisis es el principio de la respiración celular y se localiza en el citoplasma. Se requieren dos moléculas de ATP para la glicolisis, pero se producen cuatro, por lo que hay una red que atrapa dos ATP por molécula de glucosa. Dos moléculas de NADH transfieren electrones (en forma de iones de hidrógeno) a la cadena de transporte de electrones en la mitocondria, donde serán usados para generar ATP adicional.

Durante el esfuerzo físico, cuando la mitocondria ya está produciendo el máximo ATP posible con la cantidad de oxigeno disponible, la glicolisis puede continuar produciendo 2 ATP adicionales por molécula de glucosa sin enviar electrones a la mitocondria. Sin embargo, durante esta respiración anaeróbica se produce ácido láctico, que se podría acumular y producir calambres musculares temporales.

Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs fue llamado así en honor a Sir Hans Krebs (1900-1981), quien propuso los elementos claves de este camino en 1937, y fuera premiado con el premio Nobel de Medicina por su descubrimiento en 1953.

Dos moléculas de piruvatos entran en el ciclo de Krebs, lo que se conoce como secuencia aeróbica debido a que requiere presencia de oxígeno para que ocurra. Este ciclo es una vía biológica importante que ocurre en los seres humanos y en todas las plantas y animales.

Después que la glicolisis se haya producido en el citoplasma celular, las moléculas de ácido pirúvico viajan al interior de la mitocondria. Una vez que el ácido pirúvico está dentro, el dióxido de carbono se elimina enzimáticamente de cada molécula de ácido pirúvico de tres carbonos para formar ácido acético. Entonces, las enzimas combinan el acido acético con la coenzima A, para producir acetil coenzima A, también conocida como acetil CoA.

Una vez que se forma el acetil CoA, comienza el ciclo de Krebs. El ciclo está dividido en ocho etapas, cada una de ellas serán explicadas a continuación:

• Etapa 1: la subunidad de ácido acetil CoA se combina con oxalacetato para formar una molécula de citrato. La acetil coenzima A actúa sólo como transportador de ácido acético desde una enzima a otra. Después de la etapa 1, la coenzima es liberada por hidrólisis, de manera que se pueda combinar con otra moléculas de acido acético para comenzar de nuevo el ciclo de Krebs.
• Etapa 2: la molécula del acido cítrico experimenta una isomerización. Un grupo de hidróxilo y una molécula de hidrógeno se eliminan de la estructura del citrato en forma de agua. Los dos carbonos forman un enlace doble hasta que la molécula de agua se añade de nuevo. Solo entonces el grupo hidroxilo y la molécula de hidrogeno se invierten con respecto a la estructura original de la molécula de citrato. Por consiguiente, se forma el isocitrato.
• Etapa 3: en esta etapa, la molécula de isocitrato es oxidada por una molécula de NAD. La molécula de NAD es reducida por el átomo de hidrogeno y el grupo hidróxilo. El NAD se une con un átomo de hidrógeno y se lleva el otro átomo de hidrógeno dejando un grupo carbonilo. Esta estructura es muy inestable, por lo que se libera una molécula de CO₂ creando alfa cetoglutarato.
• Etapa 4: en este paso, la coenzima A, oxida la molécula de alfa cetoglutarato. Una molécula de NAD es reducida nuevamente para formar NADH y quedar con otro hidrogeno. Esta inestabilidad causa que sea liberado un grupo carbonilo como dióxido de carbono y se forma un enlace tioéster en su lugar entre el alfa-cetoglutarato anterior y la coenzima A para crear una molécula del complejo succinil-coenzima A.
• Etapa 5: una molécula de agua dona sus átomos de hidrogeno a la coenzima A. Entonces, un grupo flotante libre de fosfato desplaza a la coenzima A y forma un enlace con el complejo de succinilo. El fosfato es entonces transferido a una molécula de GDP para producir una molécula de energía de GTP. Queda una molécula de succinato.
• Etapa 6: en esta etapa, el sucinato es oxidado por una molécula de FAD(dinucleotido flavino adenina). El FAD elimina dos átomos de hidrogeno del succinato y fuerza un doble enlace que se forma entre dos átomos de carbono creando fumarato.
• Etapa 7: una enzima añade agua a la molécula de fumarato para formar malato. El malato se crea por la adición de un átomo de hidrogeno a un átomo de carbono y luego añadiendo un grupo hidroxilo a un carbono junto a un grupo carbonilo terminal.
• Etapa 8: en esta etapa final, la molécula de malato es oxidada por una molécula de NAD. El carbono que fue llevado por el grupo hidroxilo ahora se convierte en un grupo de carbonilo. El producto final es oxalacetato que se combina con acetil-coenzima A y así puede comenzar el ciclo de Krebs de nuevo.

Resumen: en resumen, ocurren tres grandes eventos durante el ciclo de Krebs. Se produce un GTP (trifosfato de guanosina) que al eventualmente dona un grupo fosfato al ADP para formar ATP; se reducen tres moléculas de NAD y se reduce una molécula de FAD. Aunque una molécula de GTP lidera la producción de un ATP, la producción de un NAD y FAD reducidos, son mucho más significativos en el proceso de generación de energía celular. Esto se debe a el NADH y el FADH₂ donan sus electrones a un sistema de transporte de electrón que genera una gran cantidad de energía formando muchas moléculas de ATP.

• Para ver un resumen visual de "ciclo de Krebs" por favor haga clic aquí.

Sistema de transporte de electrón

Es el sistema más complicado de todos. En la cadena respiratoria, las reacciones de oxidación y reducción se producen repetidamente como forma de transportar energía. La cadena respiratoria se denomina también cadena de transporte de electrones. Al final de la cadena, el oxígeno acepta el electrón y se produce agua.

Reacción Redox

Se trata de un proceso simultáneo de oxidación-reducción mediante el cual se produce el metabolismo celular, tal como la oxidación del azúcar en el cuerpo humano, a través de una serie de procesos de transferencia de electrones muy complejos.

La secuencia química que se observa en los procesos redox es que la sustancia que se está oxidando transfiere electrones a la sustancia que se está reduciendo. Por consiguiente, en la reacción, la sustancia que está siendo oxidada (llamada agente reductor) pierde electrones, mientras la sustancia que está siendo reducida (llamada agente oxidante) gana electrones. Cabe recordar que: PEO (por su sigla, Perdida de Electrones es Oxidación), GER (Ganar Electrones es Reducción )o alternativamente OEP (Oxidación es Perdida) REG (Reducción es Ganancia).

El término estado redox se utiliza a menudo para describir el equilibrio de NAD⁺/NADH y NADP⁺/NADPH en un sistema biológico tal como una célula o un órgano. El estado redox se refleja en el equilibrio de varios conjuntos de metabolitos (por ejemplo, lactato y piruvato, β-hidroxibutirato y acetoacetato) cuya interconversión depende de estas relaciones. Un estado redox anormal puede desarrollarse en una variedad de situaciones perjudiciales, tales como hipoxia, shock y sepsis.

Componentes básicos de las células

¿Qué clases de moléculas se encuentran dentro de las células?

Lípidos

El término es específicamente usado para referirse a los ácidos grasos y sus derivados (incluyendo el tri, di y mono glicérido y fosfolípidos ) como también a metabolitos que contienen esterol y solubles grasos, como el colesterol. Los lípidos sirven en muchas funciones de los organismos vivientes, incluyendo el almacenaje de energía, sirve como componente estructural de las células membranosas y constituyen moléculas de señalización importantes. Aunque, el termino lípido a veces es usado como sinónimo de grasa, esta última en en realidad un subgrupo de lípidos llamados triglicéridos y no se debieran confundir con el término de acido graso.

Carbohidratos

Las moléculas de carbohidratos se constituyen de carbono, hidrogeno y oxigeno. Tienen una formula general Cn (H2O)n. Están subdivididos en base al tamaño molecular.

Los carbohidratos son compuestos químicos que contienen oxigeno, hidrogeno y átomos de carbono y ningún otro elemento. Consiste en azúcares monosacáridos de cadenas de distinto largo.

Ciertos carbohidratos son formas importantes de almacenaje y transporte de energía en la mayoría de los organismos, incluyendo plantas y animales. Los carbohidratos se clasifican por su número de unidades de azúcar: monosacáridos (como la glucosa y fructosa), disacáridos (como sacarosa y lactosa), oligosacáridos y polisacáridos (como el almidón, glicógeno y celulosa).

Los carbohidratos más simples son los monosacáridos, que son pequeñas cadenas de aldehídos cetones con muchos grupos de hidroxilo añadido, usualmente uno en cada carbono excepto el grupo funcional. Los otros carbohidratos se componen de unidades de monosacáridos y se descomponen bajo la hidrólisis. Estos se pueden clasificar como disacáridos, oligosacaridos o polisacáridos, dependiendo de cuantas unidades tenga el monosacárido.

Proteínas

Todas las proteínas contienen carbono, hidrogeno, oxígeno y nitrógeno . Algunas también contienen fosforo y sulfuro. La composición básica de la proteína son aminoácidos. Hay 20 diferentes tipos de aminoácidos usados por el cuerpo humano. Unidos por péptidos se enlazan para formar largas moléculas llamadas poli péptidos. Los poli péptidos son ensamblajes dentro de las proteínas .Las proteínas tienen cuatro niveles de estructuras:

• Primaria

La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos enlazados dentro de los poli péptidos

• Secundaria

Estas estructuras secundarias se forman por hidrogeno que se enlaza entre los aminoácidos .Los poli péptidos pueden enrollarse en la hélice o formar una hoja plegada.

• Terciaria

La Estructura terciaria se refiere al pliegue tridimensional de la hélice u hoja plegada.

• Cuaternario

La Estructura cuaternaria se refiere a la relación espacial dentro del polipéptido en la proteína.

Enzimas

Son moléculas biológicas que catalizan una reacción química. Las enzimas son esenciales para la vida ya que la mayoría de las reacciones químicas están en células vivas que pueden ser producidas también sin enzimas, pero lentamente o con resultados diferentes. La mayoría de las enzimas son proteínas y la palabra “enzima” es a menudo usada para referirse a una enzima de proteína. Algunas RNA moleculares también tienen actividad catalítica y para diferenciarse de las enzimas proteicas, se les llama enzimas RNA o ribosomas.

Cuestionario

1. Listado de las funciones de las células membranosas. Preguntas 2-6 unir los siguientes orgánulos con sus funciones
2. Mitocondria
3. Vacuolas
4. Cilio
5. Retículo endoplasmático liso
6. Aparato de Golgi
   1. Movimiento de la célula
   2. Síntesis lípido y transporte
   3. "energía principal " de la célula, hacen ATP
   4. áreas de almacenaje, principalmente encontrados en células de plantas.
   5. empaque y distribución de productos celulares.
7. La difusión de H2O que cruza una semipermeable o permeable membrana se denomina:
   1. Transporte activo
   2. Difusion
   3. Osmosis
   4. Endocitosis
8. ¿Oxigeno entrando a una vía celular?
   1. Difusion
   2. Filtracion
   3. Osmosis
   4. Transporte activo
9. ¿El término usado para describir la alimentación celular es?
   1. Exocitosis
   2. Fagocitosis
   3. Pinocitosis
   4. Difusion
10. ¿Cuál de los siguientes requiere energía?
    1. Difusion
    2. Osmosis
    3. Transporte activo
    4. Difusión facilitada
11. La síntesis de proteínas ocurre en:
    1. Mitocondria
    2. Lisosomas
    3. Dentro del núcleo
    4. Ribosomas
12. ¿Cuál de los siguientes no se encuentran en la célula membranosa?
    1. Colesterol
    2. Fosfolipidos
    3. Proteínas
    4. Galactosa
    5. Ácido nucleído
13. ¿Qué es una célula?
    1. las grandes unidades dentro del cuerpo.
    2. Enzimas que comen bacterias
    3. unidades microscópicas fundamentales de toda cosa viva.
    4. Todas las anteriores

Glosario

Transporte activo: el movimiento de un soluto en contra de un gradiente y requiere de mucha energía.

Trifosfato Adenosino (ATP): fuente de energía de una célula.

Corriente generada: el movimiento colectivo de una sustancia en la misma dirección, en respuesta a una fuerza.

Células: la unidad microscópica fundamental que hace que todas las cosas se mantengan vivas.

Célula membranosa: limite de una célula, algunas veces llamadas membranas plasmáticas.

Citoplasma: un agua como sustancia que rellena células. El citoplasma se constituye de citosol y los orgánulos de las células, excepto los núcleos celulares. El citosol está compuesto de agua, sal, moléculas orgánicas y muchas enzimas que catalizan reacciones .El citoplasma de orgánulos celulares fuera del núcleo, mantienen la forma y consistencia de la célula y sirve como almacenaje para las sustancias químicas.

Citoesqueleto: hecho de proteínas, ayuda a las células a mantener su forma y permite mover su contenido.

Diálisis: la difusión de solutos que cruzan una membrana permeable. La más común cuando una persona tiene un problema renal .En medicina, diálisis es un tipo de terapia que reemplaza el riñón, que es usado para proveer un reemplazo artificial para la pérdida de las funciones del riñón. Es una gran ayuda el tratamiento pero no cura la enfermedad del riñón.

Células endocrinas: similares a las células exocrinas, pero segregan su productos directamente en el torrente sanguíneo a través de un ducto

Endocitosis: la captura de una sustancia fuera de la célula cuando la membrana plasmática emerge para engullirla.

Retículo endoplasmático: orgánulo que juega un rol, importante haciendo proteínas y transportador de productos celulares, además se involucra en el metabolismo de las grasas y la producción de varios materiales.

Célula epitelial: células que auxilian la secreción, absorción , protección ,transporte transcelular ,detección de sensación y selectiva permeabilidad.

Células exocrinas: células que secretan productos a través de los ductos, como mucosidad, transpiración o enzimas digestivas.

Exocitosis: el proceso cuando se fusión la vesicular con la membrana plasmática liberando su contenido hacia afuera de la célula

Difusión facilitada: la difusión de solutos a través del canal de proteínas de la membrana plasmática

Aparato de Golgi: "empaques " de productos celulares en sáculos llamados vesículas que el producto puede cruzar la membrana celular y salir de la célula

Glicolisis: proceso donde el azúcar (glucosa) se convierte en acido.

Lisosomas: compartimentos similares a los sáculos que contienen un numero de poderosas enzimas gradativas .

Microfilamentos: provee de soporte mecánico para la célula, en la forma de la célula y en ocasiones en el movimiento de ellas.

Microtúbulos: funcionan como un diagrama cuyos orgánulos y vesícula se mueven dentro de la célula.

Mitocondria: los orgánulos que funcionan como la energía principal, generando ATP.

Núcleo: controla la célula, centro del material genético.

Orgánulos: cuerpos presentes en el citoplasma que sirve para la separación física de varias actividades metabólicas que ocurren dentro de la célula.

Osmosis: la difusión de las moléculas de agua que cruzan la membrana permeable desde un área de alta concentraciones de soluto a un área de concentración flotante

Transporte pasivo: el movimiento de sustancias de baja concentración gradiante que no necesita usar energía.

Peroxisomas: orgánulos que cuyo oxigeno es usado para oxidar sustancias, en la descomposición lípida y detoxificacion de ciertos químicos.

Fagocitosis: una forma de Endocitosis donde una gran parte está envuelta por una membrana celular de una célula y internalizada para formar fagosoma o alimento vacuolo. En animales, fagocitosis se presenta por células especializadas llamadas fagocitos que sirven para remover cuerpos extraños e infecciones. En vertebrados, esto incluye grandes macrófagos y pequeños granulocitos, tipos de célula sanguínea. Las bacterias, células muertas y pequeños minerales son todos ejemplos de ellos.

Pinocitosis: también llamadas células bebestibles, se forman de endocitosis, un proceso donde pequeñas partículas se convierten en diminutas partículas. Las partículas forman pequeñas vesículas que se fusionan con otras hidrolizadas, o se descomponen .Este proceso requiere de ATP.

Endocitosis mediante receptor: ocurre cuando moléculas específicas en el fluido bordean las células receptoras en la membrana plasmática. Glóbulos rojos (eritrocitos): célula que recolecta oxigeno puro y es liberado a través del torrente sanguíneo a los tejidos

Ribosomas: juega un rol, activo en el proceso complejo de síntesis de proteínas, donde sirven de estructuras facilitadoras de la unión de aminoácidos.

Difusión simple: el movimiento de una sustancia desde un área de mucha concentración a una de poca concentración.

Vacuolas: espacios en el citoplasma, que algunas veces sirven para transportar material a las células para una descarga hacia afuera de la célula.

Glóbulo blanco (leucocitos): producido en la medula ósea, que ayuda al cuerpo a combatir las infecciones que pueden atacar el sistema inmunológico.