Biología bloque 2 - la célula, estructura y metabolismo PDF

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Apuntes sobre el bloque 2 de los contenidos relativos a la estructura y metabolismo celular de la asignatura biología....

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Biología 2º bachillerato BLOQUE II: LA CLULA (ESTRUCTURA Y METABOLISMO) 1. Teora celular 2. Membranas y transporte 3. El medio interno celular 4. Sistemas de membranas 5. Metabolismo: Enzimas 5a. Fotosntesis y quimiosntesis 5b. Respiraci"n celular y fermentaciones

FISIOLOGA CELULAR 1) ORGANIZACIN CELULAR DE LOS SERES VIVOS TEORA CELULAR En 1665, Robert Hooke, al observar al mi- croscopio, muy rudimentario en aquella poca, un fragmento de corcho, descubre que est! compuesto por una serie de estruc- turas parecidas a las celdas de los panales de las abejas, por lo que las llam# clulas. El posterior desarrollo de la microscop%a permi- ti# que en 1838 Scheleiden y en 1839 Schwan, uno para los vegetales y el otro para los animales, planteasen la denominada TEOR - A CELULAR, que, resumidamente, indica: 11- Todos los organismos son clulas o est!n constituidos por clulas. 2 1- Las unidades reproductoras,los gametos y esporas, son tambin clulas. 31- Las clulas no se crean de nuevo, toda clula proviene siempre de otra clula. 41- Existen seres unicelulares y seres pluri- celulares. En pocas palabras, seg6n la TEOR - A CELULAR, la clula es la unidad estructural, fisiol$gica y reproductora de los seres vivos; pues todo ser vivo est! constituido por clu- las:UNIDAD ANATMICA, su actividad es consecuencia de la actividad de sus clulas:UNIDAD FISIOLGICA y se reproduce a travs de ellas: UNIDAD REPRODUCTORA. La TEOR-A CELULAR ha sido de gran importancia y supuso un gran avance en el campo de las Biolog%a pues sent# las bases para el estudio estructurado y l#gico de los seres vivos. UNICELULARES Y PLURICELULARES Como consecuencia del cuarto punto de la teor%a celular, vamos a dividir los seres vivos en dos grandes grupos: -Unicelulares: con una sola clula. -Pluricelulares: con muchas clulas. No todos los seres vivos est!n constituidos por clulas. Un claro ejemplo son los virus, a estos organismos que no son clulas se les conoce como acelulares. EUCARIOTAS Y PROCARIOTAS

Por su estructura se distinguen dos tipos de clulas: procari#ticas y eucari#ti cas: -PROCARITICAS. Muy simples y primitivas. Apenas tienen estructuras en su interior. Se caracterizan por no tener un n6cleo propia- mente dicho; esto es, no tienen el material gentico envuelto en una membrana y separado del resto del cito plasma. Adem!s, su ADN no est! asociado a ciertas prote%nas como las histonas y est! for- mando un 6nico cromosoma. Son proca- riotas, entre otras: las bacterias y las cianof% ceas. -EUCARITICAS: Clulas caracter%sti cas del resto de los organismos unicelulares y pluricelulares, animales y vegetales. Su estructura es m!s evolucionada y compleja que la de los procariotas. Tienen org!nulos celulares y un n6cleo verdadero separado del citoplasma por una envoltura nuclear. Su ADN est! asociado a prote%nas (histonas y otras) y estructurado en numerosos cromosomas. ESTRUCTURA GENERAL DE LA C,LULA EUCARITICA En toda clula eucari#tica vamos a poder distinguir la siguiente estructura: - Membrana plasm!tica - Citoplasma - N6cleo El aspecto de la clula es diferente seg6n se observe al microscopio #ptico (MO) o al electr#nico (MET). Al MO observaremos la estructura celular y al MET la ultraestructura. DIFERENCIAS ENTRE LAS C,LULAS VEGETALES Y ANIMALES Por lo general las clulas vegetales son de mayor tama@o que las animales, tienen plastos y est!n envueltas en una gruesa pared celular, tambin llamada pared celul#sica o membrana de secreci#n. Sus vacuolas son de gran tama@o y no tienen centriolos. ULTRAESTRUCTURA DE LA C,LULA CLULA VEGETAL 1 Membrana plasmtica 2 Retculo endoplasmtico granular 3 Retculo endoplasmtico liso 4 Aparato de Golgi 5 Mitocondria 6 N&cleo 7 Ribosomas 8 Cloroplasto 9 Pared celul+sica 10 Vacuola CLULA ANIMAL 1 Membrana plasmtica 2 Retculo endoplasmtico granular 3 Retculo endoplasmtico liso 4 Aparato de Golgi 5 Mitocondria 6 N&cleo 7 Ribosomas 8 Centrosoma (Centriolos) 9 Lisosomas 10 Microt&bulos (citoesqueleto) BREVE DESCRIPCIN DE LA ESTRUCTURA Y FUNCIN DE LOS ORGNULOS CELULARES MEMBRANA Membrana plasm tica: Delgada lmina que recubre la c3lula. Est formada por lpidos,

protenas y oligosacridos. Regula los intercambios entre la c3lula y el exterior. Pared celular: Gruesa capa que recubre las c3lulas vegetales. Est formada por celulosa y otras sustancias. Su funci+n es la de proteger la c3lula vegetal de las alteraciones de la presi+n osm+tica. CITOPLASMA Hialoplasma: Es el citoplasma desprovisto de los orgnulos. Se trata de un medio de reacci+n en el que se realizan importantes reacciones celulares, por ejemplo: la sntesis de protenas y la glicolisis. Contiene los microt&bulos y microfilamentos que forman el esqueleto celular. Ret(culo endoplasm tico: Red de membranas intracitoplasmtica que separan compartimentos en el citoplasma. Hay dos clases: granular y liso. Sus funciones son: sntesis de oligosacridos y maduraci+n y transporte de glicoprotenas y protenas de membrana. Ribosomas: Peque>os grnulos presentes en el citoplasma, tambi3n adheridos al retculo endoplasmtico granular. Intervienen en los procesos de sntesis de protenas en el hialoplas- ma. Aparato de Golgi: Sistema de membranas similar, en cierto modo, al retculo pero sin ribosomas. Sirve para sintetizar, transportar y empaquetar determinadas sustancias elaboradas por la c3lula y destinadas a ser almacenadas o a la exportaci+n. Lisosomas: Vesculas que contienen enzimas digestivas. Intervienen en los procesos de degradaci+n de sustancias. Vacuolas: Estructuras en forma de grandes vesculas. Almacenamiento de sustancias. Mitocondrias: En ellas se extrae la energa qumica contenida en las sustancias orgnicas (ciclo de Krebs y cadena respiratoria). Centrosoma: Interviene en los procesos de divisi+n celular y en el movimiento celular por cilios y flagelos. Plastos: Orgnulos caractersticos de las c3lulas vegetales. En los cloroplastos se realiza la fotosntesis. N*CLEO Contiene la informaci+n celular. Nucleoplasma: En 3l se realizan las funciones de replicaci+n y transcripci+n de la informaci+n celular. Esto es, la sntesis de ADN y ARN. Nucleolo: Sntesis del ARN de los ribosomas. Envoltura nuclear: Por sus poros se realizan los intercambios de sustancias entre el n&cleo y el hialoplasma.

II-2A) LAS MEMBRANAS BIOLGICAS. LA MEMBRANA UNITARIA Muchas estructuras de la clula est!n formadas por membranas. Las membranas biol#gicas constituyen fronteras que permiten no s#lo separar sino tambin poner en comunicaci#n diferentes compartimentos en el interior de la clula y a la propia clula con el exterior. La estructura de todas las membranas biol#gicas es muy parecida. Las diferencias se establecen m!s bien al nivel de la fun- ci#n particular que tienen los distintos org!nulos formados por membranas; funci#n que va a depender de la composici#n que tengan sus membranas. Este tipo de mem- branas se denomina, debido a esto, unidad de membrana o membrana unitaria. La membrana plasm!tica de la clula y la de los org!nulos celulares est! formada por membranas unitarias. ORG3NULOS Y OTRAS ESTRUCTURAS FORMADOS POR MEMBRANAS UNITARIAS - Membrana plasm!tica - Ret%culo endoplasm!tico granular y liso - Aparato de Golgi - Lisosomas - Peroxisomas

- Mitocondrias - Plastos - Vacuolas - Envoltura nuclear CAR3CTER ANFIP3TICO DE LOS LPIDOS. Ciertos l%pidos, y en particular los fosfol%pi- dos, tienen una parte de la molcula que es polar: hidr#fila y otra (la correspondiente a las cadenas hidrocarbonadas de los !cidos grasos) que es no polar: hidr#foba. Las molculas que presentan estas caracter%sticas reciben el nombre de anfip4ticas. A partir de ahora representaremos la parte polar (hidr#fila) y la no polar (hidr#foba) de los l%pidos anfip!ticos FORMACIN DE BICAPAS LIPDICAS Si se dispersa por una superficie acuosa una peque@a cantidad de un l%pido anfip!tico, se puede formar una capa de una molcula de espesor: monocapa. Esto es debido a que las partes hidr#filas se dispo- nen hacia el interior y los grupos hidr#fobos hacia el exterior de la superficie acuosa. Pueden tambin formarse bicapas, en particu- lar entre dos compartimentos acuosos. Entonces, las partes hidr#fobas se disponen enfrentadas y las partes hidr#filas se colocan hacia la soluci#n acuosa. Los l%pidos anfip!ticos forman este tipo de estructuras espont!neamente. Las bicapas pueden formar compartimentos cerrados denominados liposomas. Las bicapas lip %dicas poseen caracter%sticas similares a las de las mem- branas celulares: son permeables al agua pero impermeables a los cationes y aniones y a las grandes molculas polares. En reali- dad, las membranas celulares son, esencialmente, bicapas lip%dicas. ESTRUCTURA EN MOSAICO DE LAS MEMBRANAS BIOLGICAS agua bicapa lipdica agua

Las membranas biol#gicas est!n constituidas por una doble capa de fosfol%pidos con prote% nas. Las prote%nas se pueden encontrar adosadas a la membrana pero sin penetrar en la doble capa lip%dica: prote5nas perif6ricas, o empotradas:prote5nas integrales. Las prote%nas forman as% una especie de mosaico (estructura en mosaico). Las partes hidr#filas de las prote% nas integrales quedan hacia el interior o hacia el exterior de la capa lip%dica y las partes lip#filas (hidr#fobas) se sit6an en su seno. Las prote% nas integrales atraviesan completamente la membrana. CARACTERSTICAS DE LAS MEMBRANAS BIOLGICAS Las molculas que constituyen las membra- nas se encuentran libres entre s% pudiendo desplazarse en el seno de ella, girar o inclu- so rotar, aunque esto 6ltimo m!s raramente. La membrana mantiene su estructura por uniones muy dbiles: Fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrof#bicas. Esto le da a la membrana su caracter%stica fluidez. T odos estos movi mientos se realizan sin consumo de energ%a. Los l%pidos pueden presentar una mayor o menor movilidad en funci#n de factores internos: cantidad de colesterol o de !cidos grasos insaturados, o externos: temperatura, composici#n de molculas en el exterior, etc. As %, una mayor cantidad de !cidos grasos insaturados o de cadena corta hace que la membrana sea m!s fluida y sus componentes tengan una mayor movilidad; una mayor

temperatura hace tambin que la membrana sea m!s fluida. Por el contrario, el colesterol endurece la membrana y le da una mayor estabilidad y por lo tanto una menor fluidez. Otra caracter%stica de las membranas biol#gicas es su asimetr5a , debida a la presencia de prote%nas distintas en ambas caras. Por lo tanto, las dos caras de la membrana realizar!n funciones diferentes. Estas diferencias son de gran importancia a la hora de interpretar correctamente las funciones de las estructuras constituidas por membrana.

II-2B) FLUJO DE SUSTANCIAS ENTRE LA C,LULA Y EL EXTERIOR LA MEMBRANA PLASM3TICA. CONCEPTO Es una fina membrana que limita y relaciona el interior de la clula, el protoplasma, con el exterior. Como toda membrana biol#gica est! constituida sobre todo por l%pidos y prote%nas. En la membrana plasm!tica encontramos muchas prote%nas diferentes, hasta 50 clases diferentes. Tambin hay oligosac!ridos asociados a las prote%nas y a los l%pidos. ESTRUCTURA EN MOSAICO FLUIDO DE LA MEMBRANA PLASM3TICA La membrana plasm!tica es extraordinaria- mente delgada, teniendo un espesor medio de aproximadamente 10 nm (100F), por lo que s#lo se ve con el microscopio electr#nico. La estructura de la membrana plasm!tica es la misma que la de cualquier membrana biol#gica. Est! formada por una doble capa lip%dica con prote%nas integrales y perifricas que se encuentran dispuestas formando unaestructu ra en mosaico fluido. En su cara externa presenta una estructura fibrosa, que no se encuentra en las membranas de los org!nulos celulares: el glicoc4lix, constituido por oligosac4ridos. Los oligosac!ridos del glicoc!lix est!n unidos tanto a los l%pidos, glicol5pidos, como a las prote%nas, glicoprote5nas. En la cara interna las prote%nas est!n asociadas a microt6bulos, a microfilamentos y a otras prote%nas con funci#n esqueltica. MECANISMOS DE FUSIN DE MEMBRANAS La fluidez de los componentes de la mem- brana plasm!tica permite su crecimiento por fusi#n con membranas provenientes de otros org!nulos celulares, como las llamadas ves%culas de exocitosis. Gstas van a poder fusionarse con la membrana. De esta manera las sustancias que puedan contener las ves%culas pasan al exterior y al mismo tiempo los componentes de la membrana de la ves%cula se integran en la membrana plasm!tica hacindola crecer. DIFERENCIACIONES DE LA MEMBRANA PLASMTICA La membrana plasmtica puede tener las siguientes diferenciaciones morfol+gicas: MICROVELLOSIDADES. Las c3lulas que por su funci+n requieren una gran superfi cie, por ejemplo, las que realizan la absorci+n de los nutrientes en el tubo digestivo, tienen una membrana con una gran canti- dad de repliegues que reciben el nombre de microvellosidades. DESMOSOMAS. Se dan en c3lulas que necesitan estar fuertemente soldadas con sus vecinas; por ejemplo: las c3lulas de la epidermis de las mucosas. En ellas, el espacio intercelular se ampla en la zona de los desmosomas y por la parte interna de ambas membranas se dispone una sustancia densa asociada a finos filamentos (tonofilamentos), lo que da a estas uniones una gran solidez.

UNIONES IMPERMEABLES. Se dan entre c3lulas que forman barreras que impiden el paso de sustancias, incluso del agua. En ellas, el espacio intercelular desaparece y las membranas de ambas c3lulas se sueldan. FUNCIONES DE LA MEMBRANA PLASMTICA INTERCAMBIOS. La membrana es, bsicamente, una barrera selectiva (permeabilidad selectiva). Limita a la c3lula e impide el paso de sustancias, no de todas, pero s de muchas, tanto del exterior al interior como en sentido inverso. No obstante, y a pesar de esta funci+n limitante, la c3lula va a necesitar intercam- bios constantes con el medio que la rodea. Necesita sustancias nutritivas y tiene que eliminar productos de desecho, que sern transportados a trav3s de la mem- brana y por la propia membrana. La membrana es un elemento activo que "escoge" lo que entrar o saldr de la c3lula. RECEPTORA. Algu nas prote  nas de la membrana plasmti ca van a tener esta funci+n, por ejemplo: receptoras de sustancias hormonales. Muchas hormonas regu- lan la actividad de la c3lula fijndose en determi nados puntos de prote  nas receptoras especficas. La protena receptora va a liberar en el interior de la c3lula una mol3cula orgnica: el mediador hormonal. Esta sustancia va a actuar regulando ciertos aspectos del metabolismo celular, por ejemplo, activando determinadas enzi- mas o desencadenando la activaci+n de determinados genes. Al existir diferentes prote nas receptoras en la membrana celular y al tener las c3lulas diferentes receptores, la actividad de cada c3lula ser diferente seg&n sean las hormonas presentes en el medio celular. RECONOCIMIENTO. Se debe a las glicoprote  nas de la cara externa de la membrana. As, las c3lulas del sistema inmunol+gico, c3lulas que nos defienden de los agentes pat+genos, van a reconocer las c3lulas que son del propio organismo diferencindolas de las extra>as a 3l por las glicoprotenas de la membrana. Estas sustancias constituyen un verdadero c+digo de identidad. DIFUSIN Es el fen+meno por el cual las part culas de un soluto se distribuyen uniformemente en un disolvente de tal forma que en cualquier punto de la disoluci+n se alcanza la misma concentraci+n. As, si ponemos un grano de az&car en un recipiente que contenga 1 litro de agua destilada y esperamos el tiempo suficiente, el az&car se disolver y en cualquier parte de la disoluci+n un volumen dado de 3sta contendr la misma cantidad de mol3culas que cualquier otro. Esto es debido a que las mol3culas del soluto se comportan, en cierto modo, como las de un gas encerrado en un recipiente desplazndose en todas las direcciones. CLASES DE MEMBRANAS En los medios orgnicos la difusi+n est dificultada por la existencia de membranas. Las c3lulas estn separadas del medio inter- celular y de las otras c3lulas por la membrana plasmtica y determinados orgnulos celulares estn tambi3n separados del hialoplasma por membranas biol+gicas. En general, las membranas pueden ser: permeables, impermeables y semipermeables. Las membranas permeables permiten el paso del soluto y del disolvente, las impermeables impiden el paso de ambos y las semipermeables permiten pasar el disolvente pero impiden el paso de determinados solutos. Esto <imo puede ser debido a diferentes causas. As, por ejemplo, muchas membranas tienen peque>os poros que permiten el paso de las peque>as mol3culas y no de las que son mayores; otras, debido a

su composici+n, permiten el paso de las sustancias hidr+fi- las y no de las lip+filas, o a la inversa. LA PERMEABILIDAD SELECTIVA Las membranas biol+gicas se comportan en cierto modo como membranas semipermeables y van a permitir el paso de peque>as mol3culas, tanto las no polares como las polares. Las primeras se disuelven en la membrana y la atraviesan fcilmente. Las segundas, si son menores de 100 u tambi3n pueden atravesarla. Por el contrario, las mol3culas voluminosas o las fuertemente cargadas, iones, quedarn retenidas. La membrana plasmtica es permeable al agua y a las sustancias lipdicas. No obstante, como veremos ms adelante, determinados mecanismos van a permitir que atraviesen la membrana algunas mol3culas que por su composici+n o tama>o no podran hacerlo. Esto es, las membranas biol+gicas tienen permeabilidad selectiva. De este modo la c3lula asegura un medio interno diferente del exterior. SMOSIS Si a ambos lados de una membrana semipermeable se ponen dos disoluciones de concentraci#n diferente el agua pasa desde la m!s diluida a la m!s concentrada. Este proceso se denomina $smosis y la presi#n necesaria para contrarrestar el paso del agua se llama presi$n osm$tica. La #smosis se debe a que la membrana semipermeable impide el paso del soluto del medio m!s concentrado al menos concentrado, pero si puede pasar el disolvente, el agua, en la mayor % a de los casos, en compartimento cerrado, este aumento de la canti dad de disolvente a un lado de la membrana semipermeable es el responsable de la presi#n osm#tica. Al medio que tiene una mayor concentraci#n en part%cu las que no pueden atravesar la membrana (soluto), se le deno- mina hipert$nico, mientras que al menos concentrado en solutos se le llama hipot$nico. Si dos disoluciones ejercen la misma presi#n osm#tica, por tener la misma concentraci#n de part%culas que no se pueden difundir a ambos lados de la membrana semipermeable, diremos que son isot$nicas. LAS C,LULAS Y LA PRESIN OSMTICA Cuando una clula se encuentra en un medio hipert#nico, el hialoplasma y el interior de los org!nulos formados por membranas, por ejemplo: las vacuolas de las clulas vegetales, pierden agua, producindose la plasmolisis del contenido celular. Por el con- trario, si la clula se introduce en una disoluci#n hipot#nica se producir! una penetra- ci#n del disolvente y la clula se hinchar!: turgencia o turgescencia. En las clulas vegetales la turgencia no suele presentar un grave problema pues est!n protegidas por una gruesa pared celular. En las clulas animales la turgencia puede acarrear la rotura de la membrana plasm!tica. As%, los gl#bulos rojos introducidos en agua destilada primero se hinchan y despus explotan (hemolisis) liberando el contenido ce- lular1. TRANSPORTE DE SUSTANCIAS A TRAV,S DE LA MEMBRANA PLASM3TICA La clula necesita sustancias para su metabolismo. Como consecuencia de ste se van a producir sustancias de desecho que la clula precisa eliminar. As% pues, a travs de la membrana plasm!tica se va a dar un continuo transporte de sustancias en ambos sentidos. Seg6n la direcci#n de este y el tipo de sustancia tendremos:

- Ingesti$n:Es la entrada en la clula de aquellas sustancias necesarias para su metabolismo. - Excreci$n: Salida de los productos de desecho. - Secreci$n: Si lo que sale no son productos de desecho sino sustancias destinadas a la exportaci#n. Aunque vamos a referirnos 6nicamente al transporte a travs de la membrana plasm!tica, deber! tenerse en cuenta que los fen#menos de transporte que estudiare- mos a continuaci#n se dan tambin a travs de las membranas biol#gicas de los org!nulos formados por membranas: ret%cul...