Organización celular de los seres vivos

El descubrimiento de la célula y la teoría celularEn 1665 Robert Hooke, con un microscopio construido por él mismo que

llegaba a unos 50 aumentos, observo tejidos vegetales. Descubrió que el tejido suberoso (corcho) y los otros tejidos observados estaban constituidos por una serie de celdillas, similares a las de un panal de abejas y estableció para ellas el término de células. En realidad, al observar el corcho , no vio células vivas sino que las paredes celulares de células muertas, sin embargo, en los demás tejidos sí pudo observar células vivas.

En 1674, el holandés Van Leeuwenhoek, construyó microscopios simples que llegaban a tener hasta 200 aumentos, con los que, al observar el agua de las charcas y los fluidos internos de los animales, realizó interesantes descubrimientos. Así, pudo ver por primera vez protozoos y rotíferos (animales microscópicos planctónicos de aguas dulces), levaduras, espermatozoides, glóbulos rojos de la sangre e, incluso, bacterias. Con ello, obtuvo una gran popularidad entre los científicos de su época.

Durante el siglo XVIII apenas hubo avances en citología.Durante el siglo XIX, gracias a la mejora en los instrumentos de observación

óptica y a la mejora de las técnicas de preparación microscópicas (fijación, inclusión y tinción), se pudo estudiar las células con más detalle y observar diversas estructuras de su interior. Así, en 1831, Brown descubrió en las células vegetales un corpúsculo al que denominó núcleo y al que atribuyó importantes funciones, aunque desconocía cuáles podrían ser éstas.

En 1838, el fisiólogo alemán Purkinje descubrió el medio interno de una célula vegetal, al que denominó protoplasma.

En 1839, el zoólogo alemán Schwann estableció el paralelismo entre los tejidos animales y los vegetales al observar que el tejido cartilaginoso estaba constituido por células separadas claramente entre sí por una abundante materia extracelular y en cuyo interior también había un núcleo. Schwann se dio cuenta de que en la célula no solo es importante la estructura sino también su funcionamiento, al que denominó, metabolismo.

A partir de los postulados del botánico alemán Schleiden (1838) y del zoólogo Schwann (1839) se inició el desarrollo de la llamada teoría celular, al enunciar de forma clara sus dos primeros principios:

1. Todos los seres vivos están constituidos por una o más células: la célula es la unidad morfológica (estructural) de todos los seres vivos.

2. La célula es capaz de realizar todos los procesos metabólicos necesarios para permanecer con vida, es decir, la célula es la unidad fisiológica de los organismos. La estructura más sencilla capaz de realizar las funciones propias de la vida.

En 1855, el médico alemán, Virchow contribuyó a mejorar la teoría celular, aportando una idea correcta sobre el origen de las células, punto en el que Schwann y Schleiden estaban equivocados, al enunciar un tercer principio:

3. Toda célula procede de otra por división de la misma. Las células solo pueden aparecer a partir de otras ya existentes. Es una unidad reproductiva de la vida.En 1899, Ramón y Cajal, autor de la teoría neuronal, puso de manifiesto la

universalidad de la teoría celular al aplicarla también al tejido nervioso. Ramón y Cajal demostró que las neuronas eran elementos independientes que contactaban con sus extensiones citoplasmáticas, y llevaban a cabo la propagación del impulso nervioso a través de esos contactos.

1

En 1902, Sutton y Boveri, autores de la teoría cromosómica de la herencia, propusieron que la información de la herencia reside en los cromosomas de la célula. A partir de ello y de los actuales conocimientos sobre genética se puede añadir un cuarto principio a la teoría celular:

4. La célula contiene la información sobre la síntesis de su estructura y el control de su funcionamiento, y es capaz de transmitirla a sus descendientes, es decir, la célula es la unidad genética autónoma de los seres vivos.En 1932, el alemán Ruska inventó el microscopio electrónico, aunque quedó

perfeccionado para su uso en microbiología en 1952.

Concepto de célulaLa célula es la unidad estructural y funcional básica de los seres vivos,

ya que es capaz de realizar por si misma las tres funciones vitales. La célula es una estructura constituida por tres elementos básicos: membrana plasmática, citoplasma y material genético (ADN), que tiene la capacidad de realizar las tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción.

La forma de las célulasLas células presentan una gran variedad de formas e, incluso, algunas no

presentan una forma fija. Las células con forma definida pueden ser redondas, elípticas, fusiformes, estrelladas, prismáticas, aplanadas, etc.

Tamaño de las célulasEl tamaño de las células es extremadamente variable. Así las bacterias

suelen medir entre 1 y 13 micras de longitud y las células eucariotas entre 10 y 100 micras de diámetro. La yema de huevo de gallina mide 2 cm, algunas neuronas más de 1 metro.

Las unidades de medida en citología: La micra (), que es la milésima de milímetro, también denominada

micrómetro (m) El nanómetro (nm) que equivale a una milésima de micra ( 10-6 mm), también

se suele denominar milimicra (m).

Estructura de las célulasLa estructura común a todas las células es: la membrana plasmática, el

citoplasma y el material genético o ADN.La membrana plasmática está constituida básicamente por una doble capa

lipídica en la que hay, englobadas o adheridas a su superficie, ciertas proteínas. Los lípidos hacen que la membrana se comporte como una barrera aislante entre el medio acuoso interno y el medio acuoso externo. Las proteínas, en cambio, son las que permiten la entrada y salida de sustancias.

El citoplasma abarca el medio interno líquido o citosol y una serie de estructuras con forma propia denominadas orgánulos celulares y el citoesqueleto.

El material genético está constituido por una o varias moléculas filamentosas de ADN. Éstas pueden encontrarse dentro de una vesícula formada por una doble membrana, denominada envoltura nuclear, formando el núcleo, o sin dicha envoltura, encontrándose entonces una sola fibra de ADN, más o menos condensada, en una región del citoplasma denominada nucleoide. Las células sin núcleo, es decir con nucleoide, se denominan células procariotas. Las células con núcleo se denominan células eucariotas.

Las células procariotas son las bacterias y las cianobacterias, y las células eucariotas son el resto (animales, plantas, hongos, protozoos y algas).

Bacterias

2

Las bacterias son un grupo abundante y heterogéneo de microorganismos con una organización celular procariota, con un tamaño que oscila entre 1 y 13 .

Las bacterias poseen cuatro tipos morfológicos: Los bacilos, en forma de bastón Los cocos, en forma esférico Los espirilos, en forma de bastón espiralado Los vibrios, como una coma ortográfica

Algunas bacterias forman agrupaciones de individuos ya que, al dividirse, las bacterias hijas se mantienen unidas mediante sus cápsulas.Estructura bacteriana:

La organización interna de las bacterias es mucho más simple que la de las células eucariotas; sin embargo, su estructura superficial es más compleja. Los principales componentes estructurales de las bacterias son los siguientes:

Cápsula bacteriana (puede faltar) de naturaleza mucosa.

Pared bacteriana formada por un polisacárido denominado mureina.

Membrana plasmática Su estructura es idéntica a la de las células eucariotas. Una peculiaridad que presenta la membrana bacteriana es la existencia de unos repliegues internos que reciben el nombre de mesosomas.

Citoplasma: carecen de orgánulos citoplasmáticos, solamente tienen ribosomas y vesículas cargadas de gases.

No poseen citoesqueleto. ADN bacteriano está constituido por una

sola molécula circular de tipo bicatenario muy plegada y situada en el citoplasma.

Fisiología bacterianaLas bacterias, como cualquier ser vivo, desarrollan funciones de nutrición, de

relación y reproducción.Las células procariotas colonizan todos los ambientes, por lo que presentan

todas las formas conocidas de nutrición y metabolismo. Según la fuente de carbono que utilizan, los seres vivos se dividen en autótrofos (principal fuente de carbono, el CO2) y heterótrofos (moléculas orgánicas o biomoléculas como principal fuente de carbono). Por otra parte, según la fuente de energía, la clasificación de los seres vivos se establece en dos grupos: los organismos fotótrofos, cuya principal fuente de energía es la luz, y los organismos quimiótrofos, cuya principal fuente de energía es un compuesto químico que se oxida.

La mayor parte de las bacterias son heterótrofas y utilizan modos muy diversos de obtener el alimento. Algunas bacterias heterótrofas son parásitas (viven a expensas de otros seres vivos) y ocasionan enfermedades, mientras que otras son beneficiosas, como las simbiontes (viven asociadas a otros organismos produciendo beneficios mutuos) o las saprófitas (descomponen la materia orgánica).

En cuanto a las necesidades de oxígeno pueden ser: aerobias, anaerobias estrictas y anaerobias facultativas.

La célula eucariotaCélulas animales y vegetales

Las células eucariotas presentan dos tipos de organización general: células animales y vegetales.Las diferencias entre las células animales y las vegetales son:

3

a) En las células de los vegetales destaca la presencia de una pared de secreción gruesa de celulosa, la existencia en general de una vacuola grande que desplaza el núcleo desde el centro a un lado, la presencia de plastos que almacenan el polisacárido almidón y que si son estimulados por la luz, se enriquecen en clorofila y se convierten en cloroplastos fotosintéticos.

b) En las células de los animales, las vacuolas son pequeñas, el núcleo suele estar en el centro, hay un diplosoma formado por dos centriolos, puede presentar cilios, o flagelos o emitir pseudópodos

4

5

6

7

La membrana plasmáticaLa membrana plasmática es una delgada lámina que envuelve a la célula y la

separa del medio externo. Esta lámina puede variar su forma permitiendo movimientos y deformaciones de la célula (es fina y deformable).

Su estructura es prácticamente la misma en todas las células y en todos los orgánulos citoplasmáticos (mitocondrias, retículos endoplasmáticos, vacuolas, etc), por lo que también recibe los nombres de membrana unitaria o membrana celular.

Según el modelo propuesto por Singer y Nicholson en 1972, está constituida por una doble capa de lípidos a la que se asocian moléculas proteicas, que pueden situarse en ambas caras de la superficie de dicha doble capa o englobadas en la misma, formando una estructura denominada mosaico fluido dada la facilidad de todas las moléculas para moverse lateralmente.

La bicapa lipídica se halla compuesta básicamente por fosfolípidos, colesterol y glucolípidos, siendo los fosfolípidos los componentes más abundantes.

El glucocálix es el conjunto de cadenas de oligosacáridos pertenecientes a los glucolípidos y glucoproteínas de la membrana celular. Aparece en la cara externa de la membrana plasmática de muchas células animales.Función de la membrana plasmática: Su principal función es mantener estable el medio intracelular, regulando el paso de agua, moléculas y elementos. Limita a la célula y, por tanto, separa el citoplasma y sus orgánulos del medio que le rodea. Protege a la célula y es el lugar de recepción de la información procedente del exterior.Transporte a través de la membrana:

La membrana actúa como una barrera selectiva que deja pasar ciertas sustancias e impide el paso a otras. Según el tamaño de las partículas, el paso se produce por diferentes mecanismos:Moléculas pequeñas. Las moléculas de baja masa molecular, como el agua, las sales minerales, los gases o moléculas orgánicas sencillas como monosacáridos y aminoácidos, pueden atravesar la membrana mediante mecanismos de difusión, ósmosis o transporte activo.

8

Difusión simple: Es el paso de pequeñas moléculas a favor del gradiente electroquímico. Se produce siempre a favor de gradiente, es decir, del medio en donde hay más hacia el medio en donde hay menos. Se puede realizar a través de la bicapa lipídica o a través de canales proteicos.Difusión facilitada: Permite el transporte de pequeñas moléculas polares, como los aminoácidos, la glucosa, la sacarosa, etc., que al no poder atravesar la bicapa lipídica, requieren que proteínas transmembranosas específicas para cada sustrato faciliten su paso. Estas proteínas reciben el nombre de proteínas transportadoras o permeasas que, al unirse a la molécula a transportar, sufren un cambio en su estructura que arrastra a dicha molécula hacia el interior de la célula.El transporte activo: En este proceso también actúan proteínas de membrana, pero estas requieren energía, en forma de ATP, para transportar moléculas al otro lado de la membrana. Se produce cuando el transporte se realiza en contra de gradiente electroquímico. Son ejemplos de transporte activo la bomba de Na+- K+ y la bomba de Ca2+.Osmosis: La ósmosis es un fenómeno en el que se produce el paso o difusión de un disolvente a través de una membrana semipermeable (permite el paso de disolventes, pero no de solutos) desde una disolución más diluida a otra más concentrada. Fenómeno que se produce cuando dos disoluciones de distinta concentración están separadas por una membrana semipermeable que permite el paso de disolvente, pero nada o casi nada el de soluto. En este caso, las moléculas de disolvente, generalmente agua, pasan de la zona donde existe mayor concentración de ésta, a la zona donde hay menor concentración de la misma, o lo que es lo mismo, el agua pasa de la disolución diluida a la concentrada hasta que las concentraciones de soluto se igualan. El porcentaje de moléculas de agua el mayor en la solución más diluida; por tanto, el número de choques es superior en el medio más diluido. Aparece un impulso de agua hacia la más concentrada.Moléculas de gran tamaño:

Consiste en la ingestión de macromoléculas y partículas mediante la invaginación de una pequeña región de la membrana que engloba la sustancia a ingerir y que posteriormente se estrangula formando una nueva vesícula intracelular.

Los procesos de introducción de macromoléculas en el interior de vesículas reciben el nombre de endocitosis. Por el contrario, la expulsión de macromoléculas transportadas por vesículas al medio externo recibe el nombre de exocitosis.

9

La pared celularLa pared celular es una envoltura gruesa y rígida. Su composición química es

muy variada, pero en general la pared celular de todas las células eucariotas está formada principalmente por polisacáridos. En los hongos, el polisacárido es la quitina, y en la mayoría de las algas y plantas superiores es la celulosa.

La pared celular se halla formada por dos elementos: una red de fibras de celulosa y una matriz, en la que hay agua, sales minerales, hemicelulosa y pectina (sustancia con una gran capacidad para retener el agua).

Función: La pared celular da forma y rigidez a la célula e impide se ruptura.

El citoplasmaEl citoplasma es el espacio celular comprendido entre la membrana plasmática y

la envoltura nuclear. Está constituido por el citosol, el citoesqueleto y los orgánulos celulares.El citosol

El citosol, también denominado hialoplasma, es el medio interno del citoplasma (la fracción soluble del citoplasma). En él están inmersos el citoesqueleto y los ribosomas.

Es un medio acuoso, con un 85% de agua, en el cual aparecen disueltas gran cantidad de moléculas (aminoácidos, enzimas, lípidos, glúcidos, ácidos nucleicos, nucleótidos, nucleósidos y sales minerales disueltas).El citoesqueleto

El citoesqueleto aparece en todas las células eucariotas. Lo forma una red de filamentos proteicos, entre los que destacan los microfilamentos o filamentos de actina, los filamentos intermedios y los microtúbulos. .Su función es mantener la forma de la célula y es responsable de sus movimientos.El centrosoma

El centrosoma está solo en células animales, próximo al núcleo y es considerado como un centro organizador de microtúbulos.Estructura: En el interior del centrosoma aparece el diplosoma, formado por dos centríolos dispuestos perpendicularmente entre sí. El diplosoma se encuentra inmerso en un material denso ópticamente, el material pericentriolar, que es el centro organizador de microtúbulos. En él se organiza una serie de microtúbulos que parten radialmente y que reciben el nombre de áster.

Cada centríolo consta de nueve grupos de tres microtúbulos o tripletes que se disponen formando un cilindro, estructura que se mantiene gracias a proteínas que unen a los tripletes entre sí formando los llamados puentes.Función: Se encarga de organizar los filamentos del citoesqueleto y de la separación de los cromosomas durante la división celular (forma el huso acromático).

10

Cilios y flagelosLos cilios y flagelos son prolongaciones filiformes citoplasmáticas móviles

situadas en la superficie celular.Su función es la de permitir el desplazamiento de la célula, y también, en los

cilios, crear turbulencias alrededor de ella para atraer el alimento.Los ribosomas

Los ribosomas son estructuras globulares carentes de membrana, que están constituidas por varios tipos de proteínas asociadas a ácidos ribonucleicos ribosómicos (ARNr) procedentes del nucleolo. Pueden encontrarse dispersos en el citosol o estar adheridos a la membrana del retículo endoplasmático rugoso, gracias a unas proteínas, las riboforinas, que posibilitan su anclaje.Función: Los ribosomas realizan la biosíntesis de proteínas.Retículo endoplasmático

El retículo endoplasmático es un sistema membranoso compuesto por una red de sáculos aplastados o cisternas, sáculos globosos o vesículas y túbulos sinuosos, que se extienden por todo el citoplasma y que se halla en comunicación con la membrana nuclear externa. Se distinguen dos clases de retículo endoplasmático: el retículo endoplasmático rugoso o granular (RER), que posee ribosomas en su cara externa, y el retículo endoplasmático liso o agranular (REL), que carece de ribosomas.Función del retículo endoplasmático: En él se sintetiza y transportan las proteínas y los lípidos constituyentes de las membranas plasmáticas, o destinadas a ser transportados al exterior de la célula (secreciones), gracias al concurso del aparato de Golgi.Aparato de Golgi

El aparato de Golgi (AG) forma parte del sistema membranoso celular. Está formado por uno o varios dictiosomas (agrupaciones en paralelo de cuatro a ocho sáculos discoidales denominados cisternas), acompañados de vesículas de secreción. Funciones:

Transporte, maduración, acumulación y secreción de proteínas procedentes del retículo endoplasmático que posteriormente son concentradas y pasan al interior de vesículas de secreción.

11

Los lisosomasLos lisosomas son vesículas procedentes del aparato de Golgi que contienen

enzimas digestivas.Función: Los lisosomas realizan la digestión de materia orgánica. La digestión puede ser extracelular, cuando los lisosomas vierten sus enzimas al exterior, o intracelular, cuando se unen a una vacuola que contiene la materia a digerir.

Las vacuolasLas vacuolas son vesículas constituidas por una membrana plasmática, y cuyo

interior es predominantemente acuoso. Las vacuolas de las células animales suelen ser pequeñas, y actualmente se

denominan vesículas. Las vacuolas de las células vegetales suelen ser muy grandes. Funciones: Las vacuolas poseen tres funciones principales:

Acumular en su interior gran cantidad de agua. Sirven de almacén de muchas sustancias. Son medio de transporte entre orgánulos del sistema endomembranoso y entre

éstos y el medio externo.

Las mitocondriasLas mitocondrias son los orgánulos de

las células eucariotas que se encargan de la obtención de energía mediante la respiración celular, un proceso de oxidación. La energía obtenida se guarda en forma de ATP.Estructura: Las mitocondrias poseen dos membranas: una membrana externa lisa y una membrana interna con numerosos repliegues internos, denominados crestas mitocondriales. Estas membranas originan dos compartimentos: el espacio intermembranoso, entre las dos membranas, y la matriz, espacio delimitado por la membrana interna.

Funciónes: La respiración celular proceso que consiste en la oxidación de las moléculas combustibles por el oxígeno molecular para obtener energía en forma de ATP.

Los plastos

12

Son orgánulos celulares exclusivos de las células vegetales. Se caracterizan por poseer pigmentos (clorofila y carotenoide) y por su capacidad para sintetizar y acumular sustancias de reserva (almidón, aceites, proteínas).

Se clasifican en dos grandes grupos: Leucoplastos. Son plastos que carecen de pigmentos y en la mayoría de los

casos almacenan diversas sustancias, como almidón (amiloplastos). Cromoplastos. Son plastos que llevan en su interior un pigmento que les da

color. Así, por ejemplo, los que contienen clorofila son de color verde y se llaman cloroplastos.

CloroplastosLos cloroplastos son unos

orgánulos típicos de las células vegetales que poseen clorofila, por lo que pueden realizar la fotosíntesis, proceso en el que se transforma la energía luminosa en energía química contenida en la molécula de ATP Son orgánulos constituidos por una doble membrana (membrana plastidial interna y externa), un espacio intermembranoso y un espacio interno o estroma, en el seno del cual se localizan formaciones membranosas denominadas tilacoides. Los tilacoides tienen forma de sáculos aplanados. Los tilacoides pueden extenderse por todo el estroma, por lo que reciben el nombre de tilacoides del estroma o pueden ser pequeños, tener forma de disco y presentarse apilados como montones de monedas, los denominados tilacoides de grana, ya que cada montón recibe el nombre de grana.

El núcleo celularEl núcleo es una estructura constituida por una doble membrana, denominada

envoltura nuclear, que rodea el material genético (ADN) de la célula separándolo así del citoplasma. El medio interno nuclear recibe el nombre de nucleoplasma. En él se encuentran, más o menos condensadas, las fibras de ADN, que reciben el nombre de cromatina, y uno o más corpúsculos, muy ricos en ARN, denominados nucléolos.

La cromatina es la sustancia fundamental del núcleo celular. Se halla constituida por filamentos de ADN en diferentes grados de condensación. Existen tantos filamentos como cromosomas presentará la célula durante la división del núcleo. Estos filamentos forman ovillos.

La célula como unidad funcionalNutrición celular

La nutrición es el conjunto de procesos mediante los cuales la célula intercambia materia y energía con el medio que le rodea. Todas las células necesitan materia para construir y renovar sus estructuras, y energía para realizar sus actividades vitales. Las sustancias químicas que las células toman del medio y que transforman en su interior en materia y energía se denominan nutrientes.

Unas células son capaces de fabricar su propia materia orgánica, mientras que otras necesitan disponer de materia orgánica ya elaborada. En ambos casos, se incorporan del medio los nutrientes necesarios para su metabolismo y a él se expulsan los desechos.Tipos de nutrición: Todas las células necesitan las mismas moléculas. Según la forma de obtener estas moléculas, se distinguen dos tipos de nutrición:

Nutrición autótrofa: Las células de los organismos autótrofos toman del exterior moléculas inorgánicas sencillas (dióxido de carbono, agua, algunas

13

sales) con las que construyen las moléculas orgánicas que necesitan (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). La síntesis de moléculas orgánicas sencillas ricas en energía a partir de moléculas inorgánicas pobres en energía requiere el aporte de una fuente energética. Esta fuente energética puede ser la luz (organismos fotosintéticos) o energía procedente de reacciones químicas de oxidación de compuestos inorgánicos reducidos (quimiosintéticos). Este tipo de nutrición es propia de las plantas y de algunos protoctistas (algas) y bacterias.

Nutrición heterótrofa: Las células de los organismos heterótrofos son incapaces de sintetizar las moléculas orgánicas y deben obtenerlas ya fabricadas. Dependen, pues de la materia orgánica sintetizada por los seres autótrofos. Todos los animales, los hongos y la mayoría de las bacterias y protoctistas tienen nutrición heterótrofa.

Procesos de la nutrición:La nutrición celular comprende tres tipos de procesos:

Incorporación de sustancias procedentes del medio extracelular. Metabolismo o utilización química de los nutrientes. Excreción o expulsión al medio externo de los productos residuales resultantes

del metabolismo.El metabolismo celular: Conjunto de reacciones químicas que se producen en el interior de la célula y que conducen a la transformación de unas biomoléculas en otras.

Las reacciones metabólicas presentan las siguientes características: Se trata de reacciones encadenadas, es decir, el producto final de una reacción

constituye el reactivo inicial de otra. Se establecen así, secuencias de reacciones encadenadas, que se denominan rutas o vías metabólicas, que pueden ser lineales, ramificadas o cíclicas.Se denomina vía metabólica a la sucesión de reacciones químicas que conduce desde una sustancia inicial (sustrato), a través de distintos compuestos intermedios (metabolitos), hasta una sustancia final (producto). En las rutas ramificadas, según las necesidades celulares, pueden obtenerse distintos productos a partir de un mismo sustrato.

Todas las reacciones metabólicas son catalizada; es decir, necesitan la presencia de una molécula denominada catalizador para llevarse a cabo. Los biocatalizadores son sustancias que posibilitan y favorecen las reacciones químicas que se producen en los seres vivos.

Un catalizador es una molécula que no interviene como reactivo en una reacción química, pero sin la cual esta no podrá realizarse. Al no ser un reactivo, no se consume y puede actuar de forma indefinida, por lo que solo se requiere en cantidades muy pequeñas.

Las enzimas son específicas (solo actúan sobre un determinado sustrato y solo cataliza un tipo de reacción).

La mayor parte de las reacciones metabólicas son de oxidación-reducción. En la oxidación, las moléculas orgánicas se rompen en moléculas más sencillas y se produce energía. Por el contrario, la construcción de moléculas grandes a partir de otras más sencillas tiene lugar, normalmente, mediante un proceso de reduc-ción para la cual se requiere energía.

Tipos de procesos metabólicos: El metabolismo celular comprende dos tipos de procesos metabólicos: catabolismo y anabolismo.

Catabolismo: Fase degradativa del metabolismo y su finalidad es la obtención de energía. Consiste en una serie de reacciones de oxidación que transforman las moléculas orgánicas complejas en otras más pequeñas y sencillas. La energía li -berada en el cababolismo se almacena en los enlaces fosfato del ATP y posterior-mente podrá ser utilizada para reacciones de síntesis orgánicas o para realizar actividades celulares (división celular, transporte de nutrientes a través de la membrana, etc.) Una parte de esta energía se desprende también en forma de calor. El catabolismo es semejante en organismos autótrofos y heterótrofos.

14

Anabolismo: Fase constructiva del metabolismo y su finalidad es fabricar sus pro-pios componentes a partir de sustancias químicas o nutrientes que incorpora del medio. Consiste en un conjunto de reacciones de reducción. Es la síntesis de mo-léculas orgánicas complejas a partir de otras más sencillas, para lo cual se nece-sita suministrar energía, proporcionada por los enlaces fosfato del ATP. Las molé-culas del ATP pueden proceder de las reacciones catabólicas, de la fotosíntesis o de la quimiosíntesis.

Las reacciones anabólicas y catabólicas son interdependientes: la energía desprendida en el catabolismo se utiliza en el anabolismo, y las moléculas complejas sintetizadas en el anabolismo pueden, a veces, ser catabolizadas.

Sin embargo, para que la energía pueda intercambiarse de una manera tan simple, es necesaria la intervención de un intermediario que capte la energía desprendida en los procesos oxidativos catabólicos y la ceda, cuando sea necesario, en los procesos anabolólicos.

El ATP una molécula transportadora de energía, al ser capaz de almacenar o ceder energía gracias a sus dos enlaces éster-fosfóricos que son capaces de almacenar cada uno de ellos 7,3 kcal/mol. Cuando uno de estos enlaces se rompe, la molécula se transforma en ADP, y se libera un grupo fosfato y una gran cantidad de energía, la misma que se necesita para formar ATP.

energía

ATP ADP + fosfato

energía

La energía desprendida en los procesos catabólicos se usa para formar ATP, y la energía necesaria para llevar a cabo los procesos anabólicos procede de la ruptura de las moléculas de ATP, que constituyen, por tanto, auténticos acumuladores energéticos que permiten transportar fácilmente energía cuando la célula lo necesita.

ANABOLISMO

energía

Moléculas sencillas ATP ADP + P Moléculas complejas

energía

CATABOLISMOCatabolismo:

Las reacciones del catabolismo son reacciones de oxidación, es decir, de pérdida de electrones. Dado que la materia que experimenta el catabolismo es materia orgánica, constituida básicamente por carbono e hidrógeno, la forma de oxidarse es mediante la pérdida de átomos de hidrógeno que se encuentran unidos al carbono (deshidrogenación) o por ganancia de átomos de oxígeno (oxigenación).

Un átomo sólo puede perder electrones (oxidación) si hay otro que los acepta (reducción). Por ello estos procesos se denominan reacciones de oxidación-reducción (reacciones “redox”). Las reacciones catabólicas son reacciones redox. En ellas unos componentes se oxidan y otros se reducen. Una molécula se oxida cuando pierde electrones y otra se reduce cuando los gana; cuando una molécula pierde hidrógenos, también se oxida, ya que un átomo de hidrógeno se compone de un protón y un electrón. De manera equivalente, una molécula se reduce cuando gana átomos de hidrógeno. En la materia orgánica, para que una molécula pueda perder hidrógenos, ha de haber otra que acepte esos hidrógenos (molécula aceptora de hidrógenos). Los átomos desprendidos en las reacciones de oxidación son captados por unas moléculas llamadas transportadoras de hidrógeno, como son el NAD+, el NADP+ y el FAD,

15

hasta que finalmente son traspasados a la molécula aceptora final de hidrógeno, que se reduce.

En las reacciones de oxidación y reducción, frecuentemente los protones (H+) y los electrones (e-) van separados; estos últimos, antes de llegar a la molécula aceptora final de electrones, son captados por los llamados transportadores de electrones. El paso de los electrones de un transportador a otro conlleva una disminución del nivel energético del electrón y la liberación de una energía que es utilizada para fosforilar el

ADP y formar moléculas de ATP.Según sea la naturaleza de la sustancia que se reduce, es decir, que acepta los

hidrógenos, se distinguen dos tipos de catabolismo: la fermentación y la respiración. En la fermentación la molécula que se reduce es siempre orgánica. En la respiración la molécula que se reduce es un compuesto inorgánico, por

ejemplo, O2, NO3-, SO4

2-, etc. Si es el oxígeno se denomina respiración aerobia, y si es una sustancia distinta del oxígeno, por ejemplo, el NO3

-, SO42-, etc., se

denomina respiración anaeróbia.Respiración aerobia: En la respiración aerobia se produce la oxidación total de las moléculas energéticas y se obtienen productos inorgánicos (dióxido de carbono y agua). El rendimiento energético es alto. Por ejemplo, la oxidación de la molécula de glucosa libera la energía suficiente para sintetizar 38 moléculas de ATP.

Glucosa (C6H12O6) + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATPLa respiración aerobia se realiza, en su mayor parte, en las mitocondrias de las

células eucariotas. En las procariotas el proceso ocurre en loa mesosomas.El proceso de respiración aerobia consta de tres fases:

16

1.- Las macromoléculas de los materiales estructurales y de las sustancias de reserva energética son transformadas en moléculas más simples, como la glucosa, aminoácidos, ácidos grasos y glicerina. Este proceso de digestión se puede realizar en el interior de las células (organismos unicelulares y algunas células de los pluricelulares como los glóbulos blancos) (los nutrientes entran en la célula por endocitosis), en los pluricelulares se realiza en el tubo digestivo (también ocurre en el interior de las células animales y vegetales cuando se utilizan las reservas energéticas).2.- Las moléculas más simples obtenidas en la fase anterior, se convierten mediante diferentes procesos químicos en acetil CoA (compuesto de 2 carbonos). En el caso de los azúcares la glucosa se convierte previamente en moléculas de ácido pirúvico en el citoplasma. Este proceso de la glucólisis es común a las fermentaciones y respiraciones celulares, y se producen 2 moléculas de ATP por cada una de glucosa.3.- Tiene lugar en el interior de las mitocondrias (eucariotas). Las moléculas de acetil CoA se degradan a moléculas de CO2 en un proceso cíclico de 8 reacciones conocido como ciclo de Krebs que se realiza en la matriz mitocondrial. Además se liberan H+ y electrones que son captados por transportadores (NAD+ y FAD). Los transportadores

17

transfieren los protones y electrones a moléculas transportadoras localizadas en las crestas mitocondriales, las cuales se los van pasando de unas a otras, hasta que finalmente son transferidos al aceptor final que es el O2, el cual se reduce formando H2O. Durante el transporte de electrones de transportador a transportados, los electrones van ocupando niveles de menor energía, por los que se va perdiendo energía, que es utilizada para formar ATP.

Este tipo de respiración es propia de organismos aerobios como los animales, las plantas, los hongos, los protoctistas y la mayoría de las bacterias, que han de tomar oxígeno del entorno para llevarla a cabo.Fermentación: Siempre se realiza en el citoplasma celular. La oxidación de las moléculas energéticas es incompleta y origina, como productos finales, moléculas orgánicas menos degradadas que en la respiración. Ello explica la baja rentabilidad energética de las fermentaciones. Por ejemplo, una glucosa al degradarse produce 38 ATP mediante respiración y sólo 2 ATP mediante fermentación.

Según la naturaleza del producto final, se distinguen varios tipos de fermentaciones. Las principales son la fermentación alcohólica, la fermentación láctica, la fermentación butírica y la putrefacción.Anabolismo

Todas las células sintetizan moléculas complejas a partir de otras más sencillas.Se distinguen dos tipos de procesos anabólicos: Anabolismo heterótrofo,

realizado por todos los seres vivos, se parte de moléculas orgánicas y se sintetizan otras más complejas. En el anabolismo autótrofo se elaboran moléculas orgánicas a partir de inorgánicas (solo lo realizan los autótrofos). Para ello, es necesario reducir los compuestos inorgánicos aportando energía. Según cuál sea la naturaleza de esta fuente energética, se diferencian dos procesos anabólicos distintos: la fotosíntesis y la quimiosíntesis.Fotosíntesis: La realizan las plantas y algunas bacterias y protoctistas, que obtienen la energía necesaria para sintetizar las moléculas orgánicas de la luz del Sol.

La fotosíntesis consiste en un proceso de oxido-reducción, en el que existe un dador de H+ y de electrones (en las plantas es el agua) y un aceptor inorgánico (dióxido de carbono, nitratos, sulfatos,...):

AH2 + B A + BH2

De esta manera, la molécula dadora queda oxidada, y la aceptora, reducida.Cuando el dador es el agua, y el aceptor, el dióxido de carbono:

n H2O + n CO2 (CH2O)n + n O2

En la reacción se libera oxígeno procedente de la molécula de agua. De este modo, las plantas desprenden a la atmósfera grandes cantidades de esta molécula.

Si se compara el proceso de la fotosíntesis con el de la respiración aerobia, se observa que son opuestos.

La fotosíntesis se realiza en los cloroplastos de las células vegetales. En el caso de las bacterias fotosintéticas, que carecen de estos orgánulos, se lleva a cabo en los mesosomas, unos repliegues de la membrana celular.

6 H2O + 6 CO2 (CH2O)6 + 6 O2 En la fotosíntesis se distinguen dos etapas: la fase luminosa y la fase oscura.

Fase luminosa: Se realiza en la membrana de los tilacoides de los cloroplastos. Son imprescindibles en esta fase la luz y la presencia de pigmentos fotosintéticos, como la clorofila y los carotenoides, moléculas que absorben energía de distintas longitudes de onda.

Como consecuencia de esta fase se produce la fotólisis (rotura por la luz) de la molécula de agua, lo cual proporciona los H+ necesarios para obtener una molécula reductora, NADPH, que será empleada en la siguiente fase.

La energía de la luz solar, captada por la clorofila, se utiliza para: - Romper las moléculas de agua, quedando libre el oxígeno molecular y por

otra parte, átomos de hidrógeno (H+ y e-). - Empujar los electrones procedentes del agua a través de una cadena de

moléculas transportadoras hasta un compuesto denominado aceptor final,

18

que se reduce (NADPH). La energía liberada en las sucesivas oxidaciones se utiliza para sintetizar ATP.

Fase oscura: Tiene lugar en el estroma de los cloroplastos y no requiere la presencia de la luz.

En esta etapa se utiliza el ATP y el NADPH originados en la fase lumínica para sintetizar moléculas orgánicas a partir de la reducción de moléculas inorgánicas (dióxido de carbono, sales minerales...).

Quimiosíntesis: Solo la realizan algunas bacterias. La energía necesaria para sintetizar las moléculas orgánicas procede de las reacciones de oxidación de determinadas sustancias inorgánicas. Muchos de los compuestos reducidos que utilizan, como el NH3 o el H2S, son sustancias procedentes de la descomposición de la materia orgánica. Al oxidarlas las transforman en sustancias minerales, NO3

- y SO42-

respectivamente, que pueden ser absorbidos por las plantas. Cierran, pues, los ciclos biogeoquímicos, posibilitando la vida en el planeta.

Bacterias nitrificantes, bacterias sulfatizantes, bacterias del hierro.

19

Organización celular de los seres vivos1.- ¿A qué se llama poder de resolución de un microscopio? ¿Qué valor tiene el límite de resolución del microscopio óptico? ¿A cuantos nanómetros equivale un milímetro?2.- ¿A qué llamó Hooke “célula”? 3.- Define el concepto de célula según la teoría celular. ¿Cuáles son las características comunes a cualquier tipo de célula?4.- ¿Qué diferencia hay, respecto a la organización del material genético, entre células procariotas y eucariotas? ¿Qué grupos de organismos son procariontes y cuáles eucariontes?5.- Dibuja una célula procariota y nombra sus partes.6.- Todas las células presentan los siguientes rasgos comunes:

a) Membrana plasmática, citoplasma con orgánulos membranosos y núcleo.

b) Membrana plasmática, citoplasma con ribosomas y material genético.

c) Pared celular, citoplasma con mitocondrias y membrana nuclear.

7.- Señala las diferencias entre las células vegetales y las animales.8.- El siguiente dibujo ha sido realizado a partir de la imagen de una célula obtenida con un microscopio electrónico.

a) ¿Se trata de una célula animal o de una célula vegetal? Razona la respuesta.

b) Nombra las estructuras numeradas del 1 al 9

c) ¿En cuál de las estructuras numeradas se encuentra el ADN cromosómico? ¿En qué otro lugar de la célula podrías encontrar moléculas de ADN?

9.- ¿Qué división se puede hacer en los seres vivos en función del número de células?

20

10.- ¿De qué esta formada la pared celular de las células vegetales? ¿Es continua? ¿Por qué?11.- Relaciona cada orgánulo celular con su función.

Orgánulos Función1. Núcleo celular a. Almacenamiento de sustancias nutritivas2. Aparato de Golgi b. Síntesis de proteínas3. Vacuolas c. Realizar la fotosíntesis4. Membrana plasmáticas d. Control de la actividad celular5. Mitocondrias e. Producción de energía6. Lisosomas f. Secreción de sustancias (proteínas y

lípidos) y 7. Ribosomas formación de lisosomas8. Cloroplastos g. Almacenar proteínas y transporte9. Centrosoma h. Digestión de sustancias10. Retículo endoplasmático i. Formación de cilios y flagelos e

intervención en la rugoso división celular. Organización de los filamentos

del citoesqueleto12.- ¿Qué es la cromatina? ¿Dónde se encuentra?13.- Razona si las afirmaciones son correctas o no correctas:

a) Una célula eucariótica heterótrofa posee mitocondrias pero no cloroplastos.b) Una célula eucariótica fotosintética tiene cloroplastos pero no tiene

mitocondrias.c) Una célula procariótica fotosintética posee cloroplastos y mitocondrias.

14.- ¿En qué consiste la nutrición celular? Define los conceptos de metabolismo, anabolismo y catabolismo.15.- ¿Qué significa que los enlaces que unen los grupos fosfato en el ATP son “enlaces de alta energía”?16.- Explica el significado de la siguiente frase: “El ATP es el intermediario energético del metabolismo”.17.- El transporte por difusión y por ósmosis recibe también el nombre de transporte pasivo. ¿En qué se diferencia este tipo de transporte y el transporte activo?18.- ¿En qué se diferencia la nutrición autótrofa de la heterótrofa?

21

a) Completa los esquemas. Para ello: sustituye los números por el nombre del orgánulo correspondiente. Sustituye las letras por el proceso metabólico que se está representando. Rellena los cuadros indicando si se trata de un proceso catabólico o anabólico.

b) ¿Qué tipo de nutrición está representado en cada esquema?c) ¿A qué tipo de célula corresponde cada esquema?

19.- ¿En qué se parecen y en qué se diferencian los procesos de secreción y de excreción? Cita algunos productos de secreción y de excreción del cuerpo humano.20.- ¿Qué es la respiración celular, qué tipo de células la realizan y para qué lo hacen?21.- Define el proceso de respiración aerobia e indica en qué consiste, básicamente, cada una de sus fases y dónde se realizan.22.- Define el proceso de fermentación y establece las semejanzas y las diferencias entre el mismo y la respiración aerobia.23.-¿Por qué la fermentación se considera un proceso catabólico, si los productos finales son compuestos orgánicos? 24.- Explica en qué consiste básicamente cada una de las fases de la fotosíntesis y la relación que hay entre ellas. ¿En cuál de ellas se libera O2 y de qué sustancia procede? ¿En cuál de ellas se consume CO2 y las sales minerales y para qué se utilizan?25.- Completa la siguiente tabla comparando los procesos de la fotosíntesis y la respiración aerobia:

Aspectos Fotosíntesis Respiración aerobiaSustancias de las que se parteProductos finales que se obtienenLugar de la célula eucariótica en el que sucedenDestino del ATP que se obtieneTipos celulares en que se realizanResumen global de cada proceso

26.- ¿Qué seres vivos realizan anabolismo y cuáles catabolismo?:

a) Los autótrofos anabolismo, y los heterótrofos catabolismo.

b) Autótrofos y heterótrofos ambos procesos.

c) Los autótrofos anabolismo y los heterótrofos los dos procesos.

27.- La fotosíntesis se realiza en:

a) Algunas células vegetales. b) Todas las células vegetales.

c) Todas las células vegetales, a excepción de las que constituyen la raíz.

28.- ¿En qué consiste el proceso de respiración celular?:

a) En el intercambio de O2 por CO2.b) En la transformación de cualquier sustancia compleja en otra más sencilla.

c) En la oxidación de sustancias orgánicas.

22

29.- ¿Cuándo respiran las plantas?:

a) Durante la noche. b) Continuamente. c) No respiran.

30.- El ciclo de Calvin forma parte de:

a) La fase oscura de la fotosíntesis. b) La fase luminosa de la fotosíntesis.

c) La fase aerobia de la respiración.

31.- Indica cuál de las siguientes frases es correcta:

a) Todos los seres vivos, sin excepción, obtienen energía de la materia orgánica.

b) Los seres fotosintéticos obtienen energía de las sustancias inorgánicas.

c) Los seres heterótrofos obtienen la energía del oxígeno.

32.- ¿Por qué las bacterias son también células? ¿Por qué los virus no pueden fabricar sus propias enzimas?

33.- Dibuja un virus y nombra sus diferentes partes. ¿Poseen todos los virus las mismas partes que el que has dibujado? ¿Qué diferencias encontrarías?

34.- Según la teoría endosimbionte, ¿qué característica de los cloroplastos y de las mitocondrias apoyaría la idea de su incorporación por fagocitosis al procarionte primitivo?

23