2.2 morfología y tamaño celular PDF

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La morfología y el tamaño celular...

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2.2 Morfología y tamaño celular. Existe una gran variedad de tamaños perfiles y formas celulares. Algunas de las bacterias más pequeñas por ejemplo, sólo tienen unos 0,2 - 0,3 μm de diámetro, son tan pequeñas que caben unas 40.000 en la cabeza de una chincheta. En el otro extremo, se encuentran algunas células nerviosas que tienen expansiones que pueden llegar a medir un metro o más. Aquellas que discurren por el cuello o las patas de una jirafa, son un ejemplo ilustrativo. Otros ejemplos citados muy a menudo, son los huevos de aves, especialmente los de avestruz, si bien hay que matizar que, aunque son realmente una célula, la mayoría de su volumen interno está ocupado por la yema gran depósito de reserva nutricia destinada a la alimentación del embrión, que se desarrollará si el huevo es fecundado. Prescindiendo de esos extremos, la mayoría de las células encajan dentro de un rango estrecho y predecible de tamaño. Por ejemplo, las células procariontes suelen medir de 1 a 5 μm de diámetro y la mayoría de las células de vegetales superiores y de animales oscilan entre los 10 y 50 μm. Entre los factores que limitan el tamaño celular, los tres más importantes son los requerimientos de una adecuada relación superficie/volumen, la tasa de difusión de moléculas y la necesidad de mantener una concentración local adecuada de ciertas sustancias implicadas en diferentes procesos celulares. Las unidades de medición lineal para describir el interior de una célula es el micrómetro (μm) y el nanómetro (nm). Un micrómetro es igual a 10¯6 metros y un nanómetro a 10¯9 metros, la unidad menos usada en la nomenclatura métrica es el angstrom (Å) que es igual a una decima parte de de un nanómetro (equivale a el diámetro de un átomo de hidrógeno). Las macromoléculas se describen en Å o nanómetros. La mioglobina proteína globular típica cuyo tamaño es 4.5 nm x 3.5nm x 2.5nm, las proteínas muy largas (colágena y miosina) son mayores de 100nm de longitud y el DNA es de 2.0 nm de ancho. Los complejos moleculares como los ribosomas, microtúbulos y microfilamentos oscilan entre 5 y 25 nm de diámetro, a pesar de las dimensiones son capaces de realizar diversas actividades mecánicas químicas y eléctricas. Las células y sus organelos son medibles en micrómetros (µ), el núcleo posee un diámetro de 5 a 10 μm y la mitocondria de 2 μm de largo. Las células eucariótas se encuentran en los límites de 10 a 30 μm. Relación superficie/volumen. En la mayoría de los casos el factor más restrictivo para el tamaño celular, viene definido por la necesidad de mantener una adecuada relación superficie/volumen. El área es importante, puesto que en la superficie celular se producen los intercambios entre la célula y el medio. El volumen de la célula determina la cantidad de nutrientes que tendrán que ser importados, así como la cantidad de productos de desecho que deberán ser excretados pero es la superficie la que determina la cantidad de membrana disponible para las citadas importación y excreción. El problema de mantener la magnitud apropiada de superficie, se debe a que el volumen de una célula se incrementa al cubo con el aumento longitudinal del diámetro, mientras que la superficie se incrementa sólo al cuadrado. Una de las mayores limitaciones del tamaño celular, cuando una célula aumenta de tamaño, su superficie no lo hace en la misma medida que el volumen y el intercambio con el medio de las sustancias necesarias se hace cada vez más problemático. Por tanto el tamaño sólo puede incrementarse en un rango de valores, que permita que la membrana siga intercambiando adecuadamente sustancias con el medio. Una vez alcanzado el límite de la relación área/volumen, los subsiguientes aumentos en el tamaño generarán un incremento del volumen citoplásmico, por tanto, unos requerimientos de intercambio mayores de los que se pueden acometer con el modesto incremento de la superficie de la membrana. Algunas células especialmente las que intervienen en la absorción desarrollan soluciones que maximizan la superficie. La forma más frecuente de incrementar ésta, consiste en el desarrollo de invaginaciones y evaginaciones de la membrana. Por ejemplo, las células que tapizan el intestino delgado contienen multitud de expansiones en forma de dedo denominadas microvellosidades que aumentan considerablemente la superficie de la membrana por ende la capacidad de absorción de dichas células. Tasa de difusión de las moléculas. El tamaño celular viene también impuesto por la tasa a la que las moléculas se desplazan en la célula para alcanzar el lugar en el que van a ejercer su función. En general las moléculas se mueven por el citoplasma (o en las membranas, en el caso de proteínas y lípidos de membrana) por difusión desde regiones de alta a baja concentración. El movimiento de las moléculas está limitado por su tasa de difusión, que depende del tamaño. Dado que la tasa de difusión es inversamente proporcional al tamaño de la molécula, esta limitación es más significativa en las macromoléculas como las proteínas o los ácidos nucleídos. Algunas células de organismos superiores superan, en cierta medida, esta limitación gracias a las corrientes citoplásmicas (llamadas ciclosis en células vegetales) un proceso que supone el movimiento activo del citoplasma. Sin embargo, casi siempre el tamaño de una célula está limitado por las tasas de difusión de las moléculas que contiene. La necesidad de concentraciones adecuadas de reactivos y catalizadores. El tercer límite al tamaño celular está determinado por la necesidad de mantener la concentración adecuada de los compuestos esenciales y los catalizadores (enzimas) que intervienen en los procesos que la célula debe llevar a cabo. Para que tenga lugar una reacción química en una célula, los reactivos apropiados tienen que colisionar con y unirse a la superficie de una enzima determinada. La frecuencia con la cual se producen esas colisiones aleatorias crece al aumentar las concentraciones de los reactivos y la propia enzima. Para mantener los niveles apropiados en una célula que duplique su tamaño, el número de estas moléculas debe multiplicarse por ocho. Ese incremento grava, obviamente las capacidades sintéticas de la célula. Las células eucarionte se valen de orgánulos para compartimentar sus funciones: Una solución eficaz para los problemas de concentración consiste en la compartimentación de actividades en regiones específicas de la célula. Si todas las

enzimas y compuestos necesarios para un proceso particular se localizan en una determinada región, sólo se requiere una alta concentración de esas sustancias en la mencionada región y no en el resto de la célula. Para compartimentar actividades, la mayoría de las células eucariontes tienen orgánulos, que son compartimientos rodeados de membrana, especializados en funciones específicas. Por ejemplo, las células de la hoja de un vegetal contienen la mayoría de las enzimas, compuestos y pigmentos necesarios para la fotosíntesis, localizados en unas estructuras denominadas cloroplastos. Estas células pueden, por tanto, mantener la concentración apropiada de todo lo necesario para la fotosíntesis dentro del cloroplasto, sin necesidad de que estas sustancias aparezcan en otros lugares. De manera análoga otras funciones se localizan en otros compartimientos celulares. La compartimentación de funciones específicas permite a las grandes células animales y vegetales mantener concentraciones altas de enzimas y compuestos necesarios para los procesos celulares. Así, estos procesos pueden desarrollarse de forma eficaz, incluso en estas células que son varios órdenes de magnitud mayores que las bacterias.

2.2.- MORFOLOGIA Y TAMAÑO DE LA CELULA Las unidades de medición lineal para describir el interior de una célula es el micrómetro (mcm) y el nanómetro (nm). Un micrómetro es igual a 10¯6 metros y un nanómetro a 10¯9 metros, la unidad menos usada en la nomenclatura métrica es el angstrom (Å) que es igual a una decima parte de de un nanómetro (equivale a el diámetro de un átomo de hidrógeno. Las macromoléculas se describen en Å o nanómetros. La mioglobina proteína globular típica cuyo tamaño es 4.5 nm x 3.5nm x 2.5nm, las proteínas muy largas (colágena y miosina) son mayores de 100nm de longitud y el DNA es de 2.0 nm de ancho. Los complejos moleculares como los ribosomas, microtubulos y microfilamentos oscilan entre 5 y 25 nm de diámetro, a pesar de las dimensiones son capaces de realizar diversas actividades mecánicas químicas y eléctricas. Las células y sus organelos son medibles en micrómetros (µ), el núcleo posee un diámetro de 5 a 10 mcm y la mitocondria de 2 mcm de largo. Las células eucarioticas se encuentran en los límites de 10 a 30 mcm. RAZONES POR LO CUAL SON LAS CELULAS TAN PEQUEÑAS: 1.- Las células eucariotas posee un solo núcleo que contiene dos copias de la mayoría de los genes. Debido a que los genes sirven como moldes para la producción de RNA mensajeros portadores de información, una célula solo puede producir un número limitado de estos RNA en un tiempo específico. El gran volumen citoplasmático de la célula hace posible sintetizar los mensajes que requiere esta célula. 2.- A medida que la célula incrementa su tamaño decrece la relación área de superficie/volumen. La capacidad de una célula para intercambiar sustancias con su medio ambiente es proporcional a su área de superficie. Si una célula creciera mas allá de cierto tamaño su superficie podría ser insuficiente para captar sustancias (oxigeno y nutrientes) necesarias para sustentar sus actividades metabólicas. Las células especializadas en la absorción de solutos (células del epitelio intestinal) poseen micro vellosidades por medio de las cuales incrementan en gran medida el área de superficie disponible para el intercambio. 3.- La célula depende en buena medida del movimiento aleatorio de sus moléculas (difusión). Por ejemplo el oxigeno debe difundirse desde la superficie de la célula a través del citoplasma hasta el interior de las mitocondrias. El tiempo requerido para esta difusión es proporcional al cuadrado de la distancia que se recorre. Cuando una célula es grande y aumenta la distancia de la superficie del interior, el tiempo requerido para el movimiento por difusión de las sustancias hacia adentro y fuera de una célula activa en sentido metabólico puede ser muy grande e inoperante.

Capítulo 5. Cómo están organizadas las células En la naturaleza existe una sorprendente diversidad de tipos celulares que, a la vez, tienen una notable similitud. Cada célula es capaz de llevar a cabo esencialmente los mismos procesos: obtener y asimilar nutrientes, eliminar los residuos, sintetizar nuevos materiales para la célula y, en muchos casos, moverse y reproducirse. Las células son las unidades básicas de la estructura y función biológicas pero pueden diferir grandemente en su tamaño y forma. El tamaño de las células está limitado por la relación entre superficie y volumen; cuanto mayor es la superficie de una célula en proporción a su volumen, mayor será la cantidad de materiales que pueden entrar o salir de ella en un espacio de tiempo dado. El tamaño celular también está limitado por la capacidad del núcleo para regular las actividades celulares. Las células metabólicamente más activas tienden a ser pequeñas. Las células tienen una compleja arquitectura interna que les permite realizar todas sus funciones. En las células eucarióticas existe una variedad de estructuras internas, las organelos, que son similares o, en algunos casos, idénticos de una célula a otra en una amplia gama de tipos celulares. Las células están separadas del medio circundante por una membrana celular. Esta membrana restringe el paso de sustancias de afuera hacia el interior y viceversa, y protege de esta manera su integridad estructural y funcional. Las células de las plantas, de la mayoría de las algas, hongos y procariotas, están además separadas del ambiente por una pared celular elaborada por las células

mismas. El núcleo de las células eucarióticas está separado del citoplasma por la envoltura nuclear, formada por dos bicapas lipídicas. Los poros de la envoltura nuclear suministran los canales a través de los cuales pasan las moléculas desde y hacia el citoplasma. El núcleo contiene el material genético, los cromosomas, que, cuando la célula no está dividiéndose, existen en una forma extendida llamada cromatina. Al actuar juntamente con el citoplasma, el núcleo ayuda a regular las actividades de la célula. El citoplasma de la célula es una solución acuosa concentrada que contiene enzimas, moléculas disueltas e iones -además de organelos en el caso de las células eucarióticas que desempeñan funciones especializadas en la vida de la célula. Las células eucarióticas contienen una gran cantidad de organelos, la mayoría de los cuales no existen en las células procarióticas. El citoplasma eucariótico tiene un citoesqueleto que sirve de soporte e incluye microtúbulos, filamentos de actina y filamentos intermedios. El citoesqueleto mantiene la forma de la célula, le permite moverse, fija sus organelos y dirige su tránsito. Tamaño y forma celular La mayoría de las células que constituyen el cuerpo de una planta o de un animal miden entre 10 y 30 micrómetros de diámetro. La principal restricción al tamaño de la célula es la que impone la relación entre el volumen y la superficie. Las sustancias como el oxígeno, el dióxido de carbono, los iones, los nutrientes y los productos de desecho que entran y salen de una célula viva deben atravesar su superficie, delimitada por una membrana. Estas sustancias son los materiales simples y los productos del metabolismo celular que representa el total de las actividades químicas en las que se encuentra comprometida una célula. Cuanto más activo es el metabolismo celular, más rápidamente deben intercambiarse los materiales con el ambiente para que la célula siga funcionando. En células grandes, la relación superficie-volumen es menor que en células más chicas, es decir, las células de mayor tamaño disponen de una superficie de intercambio con el medio ambiente proporcionalmente menor. El cubo de 4 centímetros, los ocho cubos de 2 centímetros y los sesenta y cuatro cubos de 1 centímetro, tienen el mismo volumen total. Sin embargo, a medida que el volumen se divide en unidades más pequeñas, la cantidad total de superficie se incrementa al igual que la relación superficie a volumen. Por ejemplo, la superficie total de los sesenta y cuatro cubos de 1 centímetro es 4 veces mayor que la superficie del cubo de 4 centímetros y la relación superficie a volumen en cada cubo de 1 centímetro es 4 veces mayor que la del cubo de 4 centímetros. De modo similar, las células más pequeñas tienen una mayor relación de superficie a volumen que las células más grandes. Esto significa, no sólo más superficie de membrana a través de la cual los materiales pueden entrar en la célula o salir de ella, sino también menos materia viva para atender y distancias más cortas a recorrer por los materiales en el interior de la célula.

Por ese motivo y, dado que una célula más grande requiere del intercambio de cantidades mayores de materiales para satisfacer sus necesidades, el tamaño de las células se ve así limitado. Una estrategia que permite aumentar la superficie de intercambio con el entorno es el plegamiento de la membrana. Una segunda limitación al tamaño de una célula eucariótica parece estar relacionada con la capacidad del núcleo -el centro de control de la célula- para suministrar suficientes copias de moléculas con la información necesaria para regular los procesos que ocurren en una célula grande, metabólicamente activa. No es sorprendente que las células con un metabolismo más activo sean habitualmente pequeñas. Al igual que las gotas de agua y las burbujas de jabón, las células tienden a ser esféricas. Sin embargo, a menudo tienen otras formas. Esto ocurre a causa de la existencia de las paredes celulares, encontradas en plantas, hongos y muchos organismos unicelulares. La forma de la célula también se debe a la adhesión y la presión de otras células o de superficies vecinas (como ocurre con las células del epitelio intestinal). También, la forma depende de la disposición de ciertos elementos estructurales internos, como el citoesqueleto, y está generalmente relacionada con las funciones especiales que esas células cumplen. Organización subcelular Las técnicas microscópicas modernas han confirmado que las células eucarióticas contienen una multitud de estructuras

especializados en forma y función, y así desempeñan actividades particulares requeridas por la economía celular. Así como los órganos de los animales multicelulares trabajan juntos en sistemas de órganos, las organelos de las células están comprometidas en varias funciones cooperativas e interdependientes. Las adquisiciones de los eucariotas marcaron muchas diferencias con sus predecesores procariotas. En las células procarióticas, todos los procesos ocurren en un único compartimiento limitado por la membrana celular. Por el contrario, en las células eucarióticas existe una separación espacial de las funciones: el DNA se mantiene en un compartimiento separado, el núcleo , y en el citoplasma se encuentran distintas organelos, entre ellos las mitocondrias , presentes en todas las células eucarióticas, o los cloroplastos , presentes en células fotosintéticas. Es importante comprender que una célula no es una combinación fortuita de componentes, sino una entidad dinámica e integrada....