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BIOLOGÍA HUMANA 2019 - Ficha bibliográfica TP2

FACULTAD DE PSICOLOGÍA UNMdP.

LA CÉLULA COMO SISTEMA ABIERTO Autores: Gustavo Manazza & Liliana Bakker, 2019.

Introducción La condición de ser vivo se define a partir de una serie de características que son el resultado de la composición y la organización de los seres vivos. Así, la vida se reconoce como una propiedad que poseen todas aquellas entidades que cumplen con los principios de la biología. Estos son: • Ser sistemas abiertos que almacenan y procesan información, es decir, que intercambian materia y energía con el ambiente. La materia y la energía que ingresa al organismo son transformadas durante las propias actividades (metabolismo), manteniendo por sí mismo (autorregulación) las condiciones de funcionamiento dentro de límites estables (homeostasis). • Perpetuar la especie: Los seres vivos pueden producir otros nuevos, iguales a ellos, a través de la transmisión de información hereditaria a esa descendencia. • Estar formados por células: Todos los seres vivos están constituidos por una o más unidades similares llamadas células. Estas son las menores porciones de materia que cumplen, obviamente, con los dos principios anteriores. La célula se define como la unidad de estructura y función de los seres vivos. Todo ser viviente, entonces, consta de por lo menos una célula, y como organismo unicelular puede llevar a cabo todas las funciones necesarias para la supervivencia y la reproducción. Por lo tanto: Todas las propiedades que se asocian a la vida surgen en el nivel de organización

LA CÉLULA: unidad estructural y funcional de los seres vivos El estudio de las células está íntimamente relacionado con la evolución de la tecnología, más particularmente con el desarrollo del microscopio. En el siglo XVII, Robert Hooke (1635-1703), observó que una pequeña porción de corteza de alcornoque estaba dividida en pequeñísimas porciones organizadas en forma similar a la de un panal de abejas. Debido a esto denominó a cada pequeño compartimento, célula (que significa pequeña celda). Con posterioridad se pudo determinar que lo que Hooke había observado eran las cavidades vacías, formadas por las paredes Robert Hooke celulares, donde había estado el material vivo de la planta. En memoria a su descubrimiento, actualmente se sigue utilizando esta palabra para denominar a las que actualmente se reconocen como células. 1

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Tuvieron que pasar muchos años, y muchas observaciones con distintos tipos de microscopios para que, en el siglo XIX se enunciara lo que hoy se conoce como la Teoría Celular. El primer postulado de esta Teoría fue realizado en 1838 por el botánico alemán Mattias Schleiden (1804-1881), basándose en los trabajos que había realizado con vegetales: “Todas las plantas están formadas por células”. El zoólogo Theodor Schwann (1810-1882), un año después, descubre que puede aplicarse la misma aseveración a los animales. Así la idea de Schleiden se Mattias Schleiden generaliza a todos los seres vivos: “Todos los organismos están compuestos por células”. Schwann lo expresaría diciendo: “Hay un principio universal de desarrollo de las partes elementales de los organismos por distintos que Theodor Schwann sean, y ese principio es la formación de células.” Algunos años más tarde (1850), Rudolf Virchow (1821-1902), propuso: “omnis cellulla e cellulla.” (“Las células presentes provienen de células preexistentes”). Desde que la Teoría Celular se enuncia, en el siglo XIX, hasta la actualidad, la tecnología ha avanzado mucho y a su par, la generación de conocimiento. Hoy, la Teoría Celular, considerando los enunciados básicos de Schleiden y Schwann ha sido ampliada y puede enunciarse de la siguiente forma: • Todos los organismos están formados de una o más células. • Las reacciones químicas de los seres vivos, incluyendo los procesos de obtención de energía y las reacciones de biosíntesis, tienen lugar en el interior de las células. • Las células provienen de otras células. • Las células contienen información hereditaria de los seres que forman y esta información pasa de las células madre a las células hijas. Siguiendo los enunciados de la Teoría Celular y los Principios de la Biología, se podría suponer que todas las células son iguales, ya que comparten características estructurales y funcionales. Pero esto no es así. La gran diversidad de seres vivos, así como la diversidad de estructuras que constituyen a los organismos multicelulares entre los que se incluye al hombre, hacen evidente que existe una gran multiplicidad de tipos celulares. Las bacterias, son los organismos más pequeños, formados por una sola célula. Sus células son muy sencillas si se las compara con las del resto de los seres vivos. Las células bacterianas (figura 1) están limitadas por una membrana plasmática y una estructura que la envuelve completamente: la pared celular. La región que se encuentra por dentro de la membrana se denomina citoplasma. En dicha región se puede observar una molécula circular de ácido desoxirribonucleico (ADN), que constituye el material hereditario de este tipo de organismos. La zona donde se encuentra localizado el ADN se denomina nucleoide, no encontrándose aislada del resto del citoplasma.

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Figura 1. Estructura idealizada de una bacteria

En células más evolucionadas, el material hereditario se aísla del citoplasma a través de una membrana que constituye el núcleo celular. Debido a que esto no ocurre en las células bacterianas, se dice que no poseen núcleo. Por esto reciben el nombre de procariotas (pro ="antes del núcleo" karion = núcleo). En el citoplasma de la célula procariota tampoco se observan otros compartimentos limitados por membranas. Pero pueden observarse un gran número de partículas, compuestas por ácido ribonucleico (ARN), son los ribosomas, que cumplen la misma función que en otros tipos de células: la síntesis (fabricación) de proteínas. Todos los seres vivos que no pertenecen al Reino Moneras (en el que se incluyen las bacterias), poseen células limitadas externamente, y con su citoplasma dividido en compartimentos, por membranas. La existencia de diversos compartimentos permite que en cada uno se produzca un tipo diferente de proceso. Por lo que dentro de la célula se llevan a cabo simultáneamente una gran variedad de procesos. Cuando se observa al microscopio alguna célula con estas características, el más evidente de los compartimentos es el núcleo que aísla al material hereditario (ADN), junto con las proteínas a las que está asociado, del resto del citoplasma. Esta condición le da, a estas células, su nombre: eucariota (eu = verdadero, karion = núcleo). Ambos tipos celulares, procariota y eucariota, pueden constituir el cuerpo de un organismo unicelular, pero sólo las células eucariotas se encuentran en seres vivos multicelulares, como el hombre. La condición de multicelular permite a un organismo de este tipo distribuir las tareas en diferentes grupos de células, esto favorece un cierto grado de eficacia en su ejecución. Para realizar distintas funciones, es necesario que las células de un mismo individuo desarrollen características estructurales y funcionales diferenciales: el proceso de “diferenciación celular” permite que células con un plan básico general, adquieran características distintivas para poder ejecutar tareas disímiles. En general, la actividad que una célula puede desarrollar está asociada a la forma particular que ésta posea. Por ejemplo, las células musculares, especializadas en la contracción, presentan una forma alargada; y las células nerviosas, especializadas en la conducción de estímulos, tienen largas prolongaciones que se ramifican (figura 2). 3

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Otras células, como los glóbulos blancos de la sangre, adoptan una forma esférica debido a la tensión superficial dentro de los vasos sanguíneos, pero cuando salen de los mismos a ejercer sus funciones de defensa, presentan una forma irregular con pequeñas prolongaciones ó seudópodos que facilitan su movimiento. Las células de los epitelios que están muy unidas entre sí son poliédricas y pueden verse aplanadas, cúbicas ó cilíndricas. Neuronas

Glóbulos blancos

Células musculares

Otros tipos celulares

Neutrófilo Neurona multipolar

Adipocito Músculo estriado Eosinófilo

Neurona unipolar

Músculo cardíaco

Células epiteliales

Basófilo

Neurona bipolar

Células óseas Músculo liso

Monocito

Figura 2. Distintos tipos celulares

La mayoría de las células miden en promedio entre 10 µm (micrómetro) y 30 µm tanto de largo como de ancho o espesor (un µm es la millonésima parte de un metro). Las células deben captar alimento y otros materiales a través de su membrana plasmática y deben eliminar rápidamente los productos de desecho, generados en las distintas reacciones metabólicas, antes de que estos se acumulen hasta niveles tóxicos que puedan comprometer la supervivencia celular. Por lo tanto, el tamaño celular pequeño la favorece, porque de este modo las moléculas recorren distancias cortas, lo que acelera las actividades celulares. Además, a mayor superficie celular, mayor es el transporte de moléculas a través de la membrana, siendo importante para la continuidad de los procesos metabólicos la proporción superficie celular sobre volumen celular, que es mayor cuanto más pequeño es el cuerpo geométrico que se considere. Por otra parte, el material genético (localizado en el núcleo, en células eucariontes), posee un área limitada de influencia sobre el citoplasma circundante, que es el que incrementa marcadamente su tamaño durante el crecimiento celular, siendo otra limitante del tamaño celular la relación núcleo/citoplasma. Si se considera la forma en la que las células llevan a cabo sus funciones, se puede decir que todas, desde las que constituyen organismos unicelulares hasta las que forman parte de los multicelulares, son pequeños sistemas, unidades dinámicas de partes integradas en las que 4

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la mayor parte de las actividades se producen simultáneamente y se influyen entre sí cumpliendo todas las propiedades de un sistema abierto. Esta condición hace que su medio interno se encuentre en constante cambio. Para mantener un funcionamiento óptimo, es necesario que la célula organice mecanismos de control y de regulación. Estos son los mecanismos homeostáticos, que le otorgan la propiedad de mantener un equilibrio dinámico en su medio interno en relación con los cambios que se producen en el exterior. En los organismos multicelulares, los procesos homeostáticos celulares repercuten en el equilibrio total del individuo. En resumen: Una célula: • Es una unidad biológica. • Tiene una estructura organizada. • Es un sistema abierto. • Puede autorregular sus procesos. Y que todos los tipos celulares: • Contienen ADN como material genético. • Realizan el mismo tipo de reacciones químicas. • Están limitadas externamente por una membrana externa de diseño común. • Poseen ribosomas para sintetizar proteínas. • Realizan esencialmente los mismos procesos básicos: obtener y asimilar nutrientes, eliminar los residuos, sintetizar (fabricar) nuevos materiales y, en muchos casos, ser capaz de moverse y reproducirse.

QUÍMICA CELULAR Todos los cuerpos que forman parte del mundo material, independientemente de que se trate de entidades vivientes o no, comparten una misma característica, están formados por materia. Debido a esto todos tienen una constitución común, la asociación de unidades más simples, los átomos. Estos se unen formando moléculas y, a su vez, éstas se reúnen para formar estructuras cada vez más complejas. En la antigüedad, Demócrito supuso que los átomos eran partículas indivisibles, sin embargo, hoy se afirma que están constituidos por elementos más pequeños: los protones, los neutrones y los electrones. Estas pequeñas partículas subatómicas se distribuyen en el espacio de una forma particular: los protones y los neutrones forman un cuerpo central (el núcleo atómico) y los electrones giran alrededor de éste, en distintos niveles. Los átomos adquieren diferentes características, dependiendo de la cantidad de partículas subatómica que los constituyan. Cuando se unen dos o más átomos, se forman moléculas (figura 3) que poseen propiedades diferentes a las de cada uno de los átomos que las forman. Así una molécula 5

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de Dióxido de Carbono (CO2) no posee las mismas características que un átomo de Oxígeno (O) o uno de Carbono (C). Si se considera, particularmente, la composición química de los seres vivos se puede observar que en ella participan cerca de cuarenta elementos químicos, de los pocos más de cien que existen en la naturaleza. Las moléculas que se forman por la unión de éstos pueden clasificarse en dos grandes grupos: orgánicas e inorgánicas, si se consideran algunas de sus propiedades físico-químicas.

Las moléculas inorgánicas Básicamente, se consideran inorgánicas a aquellas moléculas que no contienen Carbono, entre las que se Figura 3. Algunas moléculas. encuentran el agua, el oxígeno, el dióxido de carbono y muchas sales, entre otras. El compuesto que se encuentra en mayor proporción en las células es el agua, que generalmente se presenta en porcentajes mayores al 70%. Actúa como principal diluyente de las sustancias que entran y salen de la célula y es imprescindible para las reacciones químicas que se llevan a cabo en el interior de ella. También actúa regulando la temperatura o como medio de transporte de sustancias. Muchas moléculas inorgánicas, como las sales, los ácidos y las bases (que forman entre el 1 y el 5% de la materia celular), al disolverse en el agua se disocian formando iones que son necesarios para la realización de muchas reacciones químicas celulares o para formar nuevas moléculas. Entre los iones1 que se pueden encontrar disueltos en el medio interno o externo de la célula, están el Protón-Hidrógeno (H+), el Calcio (Ca++), el Sodio (Na+), el Potasio (K+), el Magnesio (Mg++) y el Hidroxilo (OH-).

Las moléculas orgánicas Las moléculas orgánicas se originan casi exclusivamente en el interior de las células, y siempre están compuestas por átomos de Carbono (C) que se unen entre sí dando origen a cadenas, a las que se acoplan otros átomos como Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, etc. Constituyen aproximadamente el 20% del material celular. Por lo general tienen un tamaño mucho mayor que las inorgánicas y su estructura es mucho más compleja. Así pueden constituirse como: • Moléculas sencillas a las que se denomina monómeros. • Cadenas de moléculas sencillas. Estas se clasifican según el número de eslabones (monómeros) que las constituyen. Así a las cadenas cortas (hasta diez eslabones) se las denomina oligómeros y a las más largas (más de diez monómeros hasta miles), polímeros. En la materia viva se pueden encontrar cuatro grupos de compuestos orgánicos principales. Estos son: Hidratos de Carbono, Lípidos, Proteínas y Ácidos Nucleicos. 1

Un ion o ión (del griego ión (ἰών), es un átomo o una molécula cargada eléctricamente. Esto se debe a que ha ganado o perdido electrones de su dotación, originalmente neutra, fenómeno que se conoce como ionización. Los iones cargados negativamente, se conocen como aniones y los cargados positivamente, se conocen como cationes.

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HIDRATOS DE CARBONO Son también llamados glúcidos, carbohidratos o, simplemente, azúcares. Están formados por átomos de Carbono, Hidrógeno y Oxígeno. Constituyen aproximadamente del 2 al 3% del peso corporal total del organismo humano. Los más sencillos son los monosacáridos, entre los que se encuentran la glucosa, la ribosa y la desoxirribosa. Como funciones importantes podemos nombrar: fuente de energía celular, como es el caso de la glucosa; bloque estructural (monómero) de hidratos de carbono más complejos (polisacáridos) como el almidón o el glucógeno. La ribosa y la desoxirribosa son monómeros que se unen a otras especies moleculares para constituir nucleótidos (que serán tratados más adelante). En orden de complejidad, a los monosacáridos les siguen los oligosacáridos que son moléculas formadas por la unión de dos hasta diez monosacáridos. Fisiológicamente, los más importantes son los disacáridos (formados por dos monosacáridos) como la sacarosa (o azúcar común); la lactosa (o azúcar de la leche); y la maltosa (o azúcar de malta). Los oligosacáridos pueden combinarse con otros tipos de macromoléculas formando nuevos compuestos. Cuando se unen a proteínas forman glicoproteínas y unidos a lípidos forman los glucolípidos que participan en el reconocimiento celular. Los polisacáridos están constituidos por una gran cantidad de monómeros unidos formando cadenas lineales o ramificadas. Una de las principales funciones de estas grandes moléculas es actuar como reservas de energía. Los más importantes son el glucógeno y el almidón (reserva energética en animales y vegetales, respectivamente). PROTEÍNAS Las proteínas son grandes moléculas constituidas, principalmente, por Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno, aunque algunas contienen otros elementos químicos. En el hombre aportan entre el 12 y el 18% del peso corporal total. Son macromoléculas formadas por la unión de otras moléculas más simples, los aminoácidos. Si se unen unos pocos aminoácidos se obtendrá un oligopéptido, que al igual que en los hidratos de carbono pueden estar formados por dos eslabones (dipéptido) o más, hasta 10. Si el número de aminoácidos que se unen supera dicha cantidad, la cadena formada se denomina polipéptido (que a los fines de este curso será considerado como “proteína”). Todas las proteínas existentes en la naturaleza se forman a partir de sólo 20 aminoácidos diferentes. El tipo y número de éstos varía de una proteína a otra, haciendo así posible una diversidad casi infinita de estas. El orden y número que deben tener los aminoácidos dentro de una proteína se conoce como estructura primaria de la proteína y están codificados por el ADN, transmitiéndose de padres a hijos. Esta estructura primaria es fundamental para la forma tridimensional que adquirirá la proteína. Cualquier cambio en la secuencia de aminoácidos producirá una modificación en la estructura espacial de la proteína e indefectiblemente afectará su funcionalidad biológica. Las proteínas presentan una extraordinaria variedad de funciones: • Estructurales: desempeñando un papel fundamental en la arquitectura celular. Las proteínas aparecen formando parte de todas las estructuras celulares, como por 7

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ejemplo en las membranas, mitocondrias, ribosomas. En los tejidos de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso), las fibras de colágeno forman parte importante de la matriz extracelular y son las encargadas de conferir resistencia mecánica tanto a la tracción como a la compresión. • Reguladoras: numerosas hormonas son de estructura proteica. Tal es el caso de la insulina, el glucagón, la hormona de crecimiento, etc. • Transportadoras: en los seres vivos son esenciales los fenómenos de transporte bien para llevar una molécula a través de un medio acuoso (transporte de oxígeno a través de la sangre) como es el caso de la hemoglobina; o bien para transportar moléculas o iones a través de la membrana de la célula. Los transportadores biológicos son siempre proteínas. • Inmunológicas: como los anticuerpos. • De reconocimiento de señales químicas: la superficie celular alberga un gran número de proteínas (receptores) encargadas del reconocimiento de s...