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Bloque 2:Organización y fisiología celular

BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO

2. ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGIA CELULAR CONTENIDOS 2.1.- TEORIA CELULAR 2.2.- CELULA PROCARIÓTICA Y EUCARIÓTICA. DIVERSIDAD CELULAR. ORIGEN EVOLUTIVO DE LAS CÉLULAS. 2.3. CELULA EUCARIOTA. COMPONENTES ESTRUCTURALES Y FUNCIONES.

2.3.1. Membranas celulares: Composición, estructura y funciones. Importancia de la compartimentación celular. 2.3.2. Pared celular en células vegetales. 2.3.3. Citosol y ribosomas. Citoesqueleto. Centrosoma. Cilios y flagelos. 2.3.4. Orgánulos celulares: mitocondrias, peroxisomas, cloroplastos, retículo endoplasmático, complejo de Golgi, lisosomas y vacuolas. 2.3.5. Núcleo: envoltura nuclear, nucleoplasma, cromatina y nucleolo. Niveles de compactación del ADN.

ORIENTACIONES 1. Describir los principios fundamentales de la Teoría celular como modelo universal de la organización morfofuncional de los seres vivos. 2. Describir y diferenciar los dos tipos de organización celular. 3. Comparar las características de las células vegetales y animales. 4. Exponer la teoría endosimbiótica del origen evolutivo de la célula eucariota y explicar la diversidad de células en un organismo pluricelular. 5. Describir, localizar e identificar los componentes de la célula procariótica en relación con su estructura y función. 6. Describir, localizar e identificar los componentes de la célula eucariótica en relación con su estructura y función.

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2.1. TEORIA CELULAR La teoría celular moderna se puede resumir en los siguientes puntos: 1. La célula es la unidad morfológica de los seres vivos (todos los seres vivos están formados por una o más células). 2. La célula es la unidad fisiológica de los seres vivos (las reacciones químicas del ser vivo, incluyendo los procesos de obtención de energía y las reacciones de biosíntesis, tienen lugar en el interior de la célula). 3. La célula es la unidad genética de los seres vivos (Toda célula procede de otra ya existente. Además, las células contienen el material hereditario, transmitiéndose de célula madre a células hijas). 4. La célula es la unidad vital de los seres vivos (la célula es la entidad más pequeña que cumple las funciones vitales). 2.2. CÉLULA PROCARIÓTICA Y EUCARIÓTICA. DIVERSIDAD CELULAR. Las células que forman todos los seres vivos presentan los siguientes rasgos comunes: • Membrana plasmática que es la envuelta externa y regula el intercambio de sustancias entre la célula y el medio. • El citoplasma que es el medio interno de la célula, formado por un líquido viscoso en el que se realizan numerosas reacciones metabólicas y en el que se encuentran diversas estructuras, los orgánulos celulares, que realizan funciones concretas. Entre los procesos metabólicos que realizan todas las células hay que destacar la respiración y fermentación para obtener energía y la síntesis de proteínas que realizan los ribosomas. • Material genético: representado por el ADN que dirige las actividades celulares y transmite la información genética a las células hijas. Según su complejidad tenemos dos tipos de células: Procariotas y eucariotas. Características

Procariota

Eucariota

Tamaño . . . . . . . . . . . . . . . . Más pequeña (1-10 m). . . . . . . . . . . . . . . . . .Más grande (5-100 m) Complejidad. . . . . . . . . . . . . . Menor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mayor Membrana celular. . . . . . . . . .Si. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Si Citoplasma. . . . . . . . . . . . . . . Si. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Si Pared celular. . . . . . . . . . . . . .Pared bacteriana (no de celulosa). . . . . . . . . . . . Pared de celulosa en células vegetales Ribosomas. .. . . . . . . . . . . . . .70 S. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 S Orgánulos membranosos. . . . No. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ,Numerosos Envoltura nuclear. . . . . . . . . . No. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Si Verdadero núcleo. . . . . . . . . . No. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .Si ADN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Bicatenario circular desnudo. . . . . . . . . . . . . . . . . Bicatenario lineal asociado a proteínas. Cromosomas. . . . . . . . . . . . . . 1 circular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . varios lineales Citoesqueleto. . . . . . . . . . . . . No. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Si Locomoción. . . . . . . . . . . . . . .Flagelo bacteriano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cilios, flagelos y pseudópodos. División celular. . . . . . . . . . . .Binaria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Mitosis Enzimas respiratorios. . . . . . En mesosomas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mitocondrias Organismos en los que. . . . . . Unicelulares (bacterias, . . . . . . . . . . .. . . . . . . . En unicelulares y pluricelulares se encuentran Cianofitas y micoplasmas) (protozoos,algas,hongos,animales y vegetales) 2º de Bachillerato

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Dentro de las células eucariotas distinguimos dos tipos: célula eucariota animal y célula eucariota vegetal. Célula animal

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Célula vegetal

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Las diferencias fundamentales entre las células animales y vegetales son: • Las células vegetales suelen ser de mayor tamaño que las animales y presentan una cubierta rígida por fuera de la membrana plasmática denominada pared celular.

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En las células vegetales las vacuolas están más desarrolladas que en las animales y existen unos orgánulos especiales, los plastos, cuya función es la síntesis y acumulación de determinadas sustancias. Un tipo especial de plastos son los cloroplastos. Las células animales tienen unos orgánulos denominados centriolos que forman parte del centrosoma y que participan en la organización de los cilios y flagelos y en la formación del huso acromático durante la división celular.

Origen y evolución celular Hoy en día está admitido que el ARN constituyó el primer sistema genético. El ARN rodeado de una membrana de fosfolípidos produciría su propia replicación y la síntesis de proteínas, al tener actividad enzimática, formando el modelo celular más sencillo y primitivo. Posteriormente surgieron células con ADN como material genético al ser una molécula más estable y de mayor tamaño lo que permite almacenar más información, quedando el ARN para la expresión de la información (transcripción, traducción). Los procariotas primitivos evolucionaron desde organismos quimioheterótrofos y anaerobios, que obtenían la energía y el carbono a partir de moléculas orgánicas, hasta organismos quimioautótrofos, capaces de utilizar el CO2 como fuente de carbono y la energía de compuestos químicos oxidables. El paso siguiente fue el desarrollo de formas fotoautótrofas que podían utilizar la energía procedente de la luz y compuestos químicos inorgánicos; algunas de estas células procariotas evolucionaron hacia un metabolismo fotosintético oxigénico, en el cual se liberaba oxígeno. Al enriquecerse la atmósfera de oxígeno, surgieron los organismos procarióticos aerobios. El siguiente paso en la evolución celular fue la aparición de las células eucarióticas hace unos 1500 millones de años. Actualmente se acepta la teoría endosimbiótica propuesta por la bióloga Lynn Margulis, que considera que las células eucarióticas se originaron a partir de una primitiva célula procariótica (célula huésped), que en un momento dado englobaría a otras células u organismos procariotas, estableciéndose entre ambas una relación endosimbionte. Según esta teoría, tanto los flagelos como las mitocondrias y los cloroplastos debieron ser organismos independientes, que en un determinado momento pudieron penetrar por endocitosis en el interior de otras células procarióticas que habían perdido la pared celular, llegando así a constituir una asociación, que en un principio hubiera podido ser temporal, y que se consolidó al cabo del tiempo, llegando a ser permanente. Esta teoría se ve avalada por los siguientes hechos: 1. 2. 3. 4. 5.

Tanto mitocondrias como cloroplastos contienen ADN del tipo de las células procarióticas, es decir, bicatenario circular no unido a proteínas. Los dos poseen ribosomas 70 S como los presentes en células procarióticas. Ambos orgánulos proceden de otros preexistentes. Poseen doble membrana, que representaría la membrana de la propia célula hospedadora, que englobaría a estos simbiontes como actualmente introduce partículas en su interior mediante vesículas endocíticas. La membrana interna de las mitocondrias posee un tipo de fosfolípido, que se ha encontrado únicamente en la membrana de organismos procariotas. iescarin.educa.aragon.es payala.mayo.uson.mx

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Diversidad celular Las células presentan una enorme diversidad morfológica. La forma de una célula depende de la estirpe celular a la que pertenece, de su edad y de su momento funcional. También está condicionada por su situación, es decir, si se encuentran libres, formando tejidos o en cultivo. En general, puede decirse que la forma de una célula es aquella que le permite llevar a cabo su función con el mínimo gasto energético. El tamaño de la mayoría de las células varía entre 10 y 15 micras, las vegetales son generalmente de mayor tamaño que las animales; aunque existen numerosas excepciones; hay células que son visibles a simple vista, como el óvulo del avestruz: el diámetro de este óvulo (yema) puede medir unos 85 mm. Otra célula extraordinariamente grande es la constituye el organismo unicelular del alga Acetabularia mediterránea, que vive en el mar Mediterráneo y puede alcanzar una altura de hasta 10 cm. 1 µ (micra) = 10-3 mm. Las células de los organismos pluricelulares, presentan una gran diversidad funcional al agruparse en conjuntos que se especializan en una determinada función constituyendo los tejidos y perdiendo la totipotencia de los seres unicelulares; esto les permite tener una actividad continuada, una mayor eficacia en la realización de la función y un gran ahorro energético. La evolución seleccionó las formas pluricelulares que desarrollaron tejidos por las ventajas económicas que suponen para el organismo y por la gran variedad y complejidad de seres vivos que han originado, lo que ha permitido la colonización de nuevos medios.

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2.3. CELULA EUCARIOTA. COMPONENTES ESTRUCTURALES IMPORTANCIA DE LA COMPARTIEMNTACIÓN CELULAR.

Y

FUNCIONES.

IMPORTANCIA DE LA COMPARTIMENTACIÓN CELULAR

La compartimentación celular consiste en la separación de determinadas regiones del citoplasma celular envolviéndolas en una membrana y originando sistemas de endomembranas y orgánulos membranosos especializados en realizar funciones determinadas. Con esto se consigue una gran eficiencia al poder realizar la célula muchas funciones a la vez, una mayor velocidad en los procesos metabólicos y un gran ahorro energético. La estrategia evolutiva de la célula eucariota sobre la procariota ha sido rodear mediante invaginaciones de la membrana determinadas fracciones citoplasmáticas con moléculas específicas, creando orgánulos especializados en una función, o rodear e in troducir dentro células procariotas especializadas en oxidar moléculas orgánicas, o en hacer fotosíntesis, dando lugar a las mitocondrias y cloroplastos (teoría de Margullis). Esta especialización morfológica y funcional permite que la célula eucariota aumente mucho de tamaño(1000 a 10.000 veces) y pueda 2º de Bachillerato

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asociarse con otras células dando lugar a niveles de organización más complejos hasta llegar a los organismos pluricelulares. Los sistemas de endomembranas son el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi. Los orgánulos membranosos son: núcleo, mitocondrias, plastos (exclusivos de la célula vegetal), lisosomas, peroxisonas y vacuolas. Los orgánulos de las células eucariotas se presentan en muchas de ellas ordenados específicamente y a esto se llama polaridad y es necesaria para el funcionamiento de células muy especializadas como las neuronas, células musculares, células secretoras etc. 2.3.1. Membranas celulares: composición, estructura y funciones. La membrana plasmática es una envoltura delgada de 75 A de espesor que rodea a la célula y la separa de su medio externo. No es visible al microscopio óptico. Está formada por lípidos (fosfolípidos, esfingolípidos y colesterol –si la célula es animal-); proteínas (estructurales y enzimáticas) y glúcidos (oligosacáridos). Estructura de la membrana El modelo aceptado actualmente es el denominado de mosaico fluido y que fue postulado por Nicholson y Singer en 1972. - Bicapa lipídica. Los lípidos se disponen en forma de bicapa, de tal manera que las cabezas hidrofilicas se sitúan hacia el exterior, es decir, en contacto con los medios hídricos del interior y del exterior de la célula, y las colas hidrofóbicas se disponen enfrentadas en el interior de la doble capa. Otro lípido importante, aunque sólo presente en células animales, es el colesterol, que se intercala entre los fosfolípidos y tiende a mantener fijas y ordenadas sus colas aumentando la resistencia de la membrana. Los lípidos confieren a la membrana fluidez debido a que sus moléculas pueden desplazarse libremente. - Proteínas. Las proteínas que forman la membrana son de dos tipos según su posición en la misma: . Proteínas integrales o intrínsecas. Atraviesan total o parcialmente la bicapa. Estas proteínas tienen, al igual que los fosfolípidos, carácter anfipático: la parte que se sitúa en el interior de la bicapa, en contacto con las colas de los ácidos grasos, es hidrofóbica, mientras que los extremos expuestos serán hidrofílicos. . Proteínas periféricas o extrínsecas. Cuando se sitúan en el exterior (en cualquiera de las caras) de la bicapa. Son proteínas unidas a la membrana por enlaces de tipo iónico y se separan de ella con facilidad. Aparecen principalmente en la cara interna de la membrana. - Glúcidos. Proteínas y lípidos pueden estar unidos a cadenas glucídicas (oligosacáridos) para formar glucoproteínas y glucolípidos de membrana, pero solamente en la cara externa de la bicapa, constituyendo lo que se denomina glucocalix (con función receptora).

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Propiedades de la membrana 1. Asimetría. Las dos caras de la bicapa no son iguales, algo que se debe, esencialmente, a la presencia de oligosacáridos en la cara externa y a ligeras variaciones en la distribución de los fosfolípidos. 2. Permeabilidad selectiva. La membrana es impermeable a moléculas hidrófilas, polares o con cargas eléctricas y permeables a moléculas lipófilas. 3. Fluidez. Debida a que los fosfolípidos pueden desplazarse. 4. Especificidad funcional. Según las diferencias de composición, las membranas de los diferentes tipos celulares van a desarrollar unas funciones u otras con mayor especificidad. Funciones de la membrana -

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Separa a la célula del medio externo. Controla el intercambio de sustancias con el exterior. Control y conservación del gradiente electroquímico entre fuera y dentro de la célula. Intercambio de señales entre el medio externo y el medio celular. Función en la que juegan un importante papel las glucoproteínas. Inmunidad celular. En la membrana se localizan algunas moléculas con propiedades antigénicas, relacionadas, por ejemplo, con el rechazo en trasplantes de tejidos u órganos de otros individuos. Endocitosis y exocitosis. La membrana está relacionada con la captación de partículas de gran tamaño (endocitosis) y con la expulsión de sustancias al exterior (exocitosis).

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Matriz extracelular en células animales Es un producto de secreción que se deposita sobre la superficie externa de la membrana plasmática de las células animales. Está formada por fibras proteicas (colágeno, elastina...) y sustancia fundamental amorfa (estructura gelatinosa de glucoproteínas hidratadas). Funciones - Dar soporte y rigidez a las células y tejidos. - Mantener unidas las células y comunicarlas entre sí. - Actuar en la organización del citoesqueleto. 2.3.2 Pared celular en células vegetales. Es una membrana de secreción que se sitúa sobre la superficie externa de la membrana plasmática de las células vegetales. Estructura y composición. La pared tiene dos componentes diferenciados: - Moléculas fibrilares de celulosa. - Matriz: formada por pectina, hemicelulosa, agua y sales minerales. En las células diferenciadas, la pared celular aparece como una estructura gruesa compuesta por varias capas que se van depositando a medida que madura la célula. Estas capas son: • Lámina media. Es la capa más externa y la primera en formarse, y puede ser compartida por las células adyacentes de un tejido. Está formada fundamentalmente por pectina. • Pared primaria. Situada por debajo de la lámina media hacia el interior de la célula. Está constituida, fundamentalmente, por largas fibras de celulosa cohesionadas por polisacáridos hemicelulosa y pectinas) y glucoproteínas. Las moléculas de celulosa se disponen en red. • Pared secundaria. Es la capa más interna y se encuentra por debajo de la pared primaria en algunos tipos especiales de células vegetales (tejidos de soporte o vasculares). Consta de varias capas fibrilares, semejantes en su en composición a la pared primaria, aunque contienen celulosa en mayor proporción y carecen de pectinas. Las fibras de celulosa se disponen en paralelo dando lugar a varias capas. En ocasiones, entran a formar parte de su composición polímeros, como la lignina (Xilema), ceras y cutina (haz de las hojas) o suberina (corcho).

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Funciones de la pared celular Dar forma y rigidez a las células vegetales. Mantener el balance osmótico. Une células adyacentes. Posibilita el intercambio de fluidos y la comunicación celular. Sirve de barrera al paso de agentes patógenos.

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Diferenciaciones de la pared - Plasmodesmos. Puentes de comunicación intercelulares. En el centro de un plasmodesmo aparece un tubo, éste es continuación del R.E. - Punteaduras. Zonas delgadas de pared, formadas por lámina media y pared primaria muy fina. Suelen situarse al mismo nivel en dos células vecinas. www.encyclopaedia.es

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2.3.3. Citosol y ribosomas. Citoesqueleto. Centrosoma, Cilios y flagelos. Se denomina Citosol a la región del citoplasma que no está incluida en ningún orgánulo. Es una solución coloidal constituida por: - Agua: 85 %. - Diversas moléculas: enzimas, sales minerales, nucleótidos, etc...