Idea Fundamental: Loseucariotas poseen una estructuracelular mucho más compleja quelos procariotas.

Tema 5. Biología Celular5.2 Ultraestructura de las célulasDP/PAU

Germán Tenorio

Biología NS-Diploma BI

Curso 2015-2017

Tanto las células procariotas como las eucariotas tienene un tamañomicroscópico, por lo que se hace necesario el uso del microscopio parasu observación.

El microscopio óptico no puede producir imágenes claras de estructurasinferiores a 1 µm, que son la mayoría de los componentes celulares, porlo que la invención de los microscopios electrónicos condujo auna mejor comprensión de la estructura celular.

NATURALEZA CIENCIAS: Mejora en equipos y

aparatos conllevan avances científicosDP

El microscpio electrónico permite observar estructuras de hasta 0.001µm, es decir, mil veces más pequeñas que con el óptico.

El microscopioelectrónico fueinventado en Alemaniaa comienzos del sigloXX, usándose en lainvestigación científicaa mediados de siglo.

El microscopio electrónico permitió demostrar que la estructura celularera mucho más compleja de lo que en un principio se había pensado,permitiendo distinguir la crestas mitocondriales y las granas en lasmitocondrias y cloroplastos, respectivamente, no visibles al micrioscopioóptico.

NATURALEZA CIENCIAS: Mejora en equipos y

aparatos conllevan avances científicosDP

El microscopio electrónico permitió revelar la ultraestructura de las células,lo cual queda ilustrado con el descurbimiento de los ribosomas, lisosomasy retículo endoplásmico a partir del desarrollo del microscopio electrónico.

Resolución de los microscopiosDP

El ojo humano no puede distinguir dos objetos como separados si poseenun tamaño inferior a 0.1 mm (100 µm). Para ello, deben usar elmicroscopio.

Se denomina resolución a la capacidad delo ojo de distinguir dos objetoscomo seprados. La máxima resolución del microscopio óptico es de 0.2um, dado que está limitadno por la longitud de onda de la luz blanca.

Los microscopioselectrónicos tienen unaresolución mucho mayorque los microscopiosópticos, dado que el haz deelctrones tiene una longitudde onda mucho menor quela del visible (400-700nm).

Su resolución es de 0.001µm, permitiendo visualizarla ultraestructura de lascélulas y a los virus.

Los procariotas presentan una estructura celular simple, sincompartimentacion.

La ultraestructura de las bacterias sólo es visible al microscopioelectrónico, distinguiéndose hacia el interior:

Ultrastructura de célula procariotaDP/PAU

- Cápsula o glucocálix: Capaviscosa formada por polisacáridos ysólo presente en algunas bacterias.Protege de la desecación, delataque de los anticuerpos y virus, yde la fagocitosis por los leucocitos.

- Pared celular: Responsable de larigidez de la célula, la protege deuna rotura osmótica en mediosacuosos.

Las bacterias Gram - tienen una pared celular mucho más compleja quelas Gram +.

El peptidoglucano es un polímero formado de azúcares unidos apolipéptidos que actúa como una gigante red molecular protectora.

La diferencia entre ambos tipos de bacterias es la cantidad depeptidoglicano, teniendo las Gram + mayor cantidad (80% de la pared)de peptidoglucano que las Gram - (20% de la pared).

Ultrastructura de célula procariotaDP/PAU

Las bacterias Gram + tienen una pared celular formada únicamente poruna gran cantidad de peptidoglucano.

Las bacterias Gram - tienen una pared celular formada por una delgadacapa de peptidoglucano y una membrana externa con lipopolisacáridos(exclusivas de bacterias) responsables de la resistencia a bactericidas.

¿Contra cuál tipode bacteria sonmás eficaces losantibióticos?

Gram + Gram -

Ultrastructura de célula procariotaDP/PAU

Pared celular Bacteria Gram + Bacteria Gram -

Estructura Simple Compleja

Cantidad de peptidoglucano

Mucha Poca

Localizaciónpeptidoglucano

Exterior de la membrana celular

Entre membrana celular y membrana

externa

Membrana externa Ausente Presente conpolisacáridos unidos

Ultraestructura de la célula procariotaDP/PAU

- Membrana plasmática: Al igual que la de células eucariotas, estáformada por una bicapa lipídica, pero a diferencia de las eucariotas,carece de esteroles.

- Invaginaciones de la membrana: Son zonas donde la membranase repliega, aumentando su superficie, lo que permite una mayoractividad metabólica. Por ejemplo, en las bacterias fotosintéticas, esosrepliegues contienen los enzimas fotosintéticos. Las principalesinvaginaciones son:

* Mesosomas: En ellos se localizansistemas enzimáticos responsablesde la formación de la pared,replicación y distribución del ADNdurante la división celular, etc.

Ultraestructura de célula procariotaDP/PAU

* Flagelos: Apéndice largos y finos que realizan un movimiento derotación para permitir el desplazamiento de la bacteria por el medio.Están formados por muchas unidades de la proteína flagelina, que en labase se anclan al citoplasma mediante un ensanchamiento llamadocorpúsculo basal.

* Fimbrias: Filamentos proteicos más cortos y numerososque los flagelos y que no intervienen en el movimiento, sinoque favorecen la adherencia a otras células o superficies.

Ultraestructura de la célula procariotaDP/PAU

* Pili: Apéndices huecos semejantes a lasfimbrias, pero más anchos y largos queintervienen en el intercambio de ADN durantela conjugación.

- Citoplasma: Matriz compuesta de agua (70%) y proteínas en la queocurren la mayor parte de las reacciones vitales. Carece de orgánuloslimitados por mebrana, pero contiene:

* Nucleoide: Zona que contiene el cromosoma bacteriano,constituido por una molécula de ácido nucleico de doblecadena desnudo (no asociado a proteínas histonas).

* Plásmidos: ADN circular portador de genes noesenciales, como la resistencia a antibióticos. Se replicanindependientemente del cromosoma bacteriano. No todaslas bacterias lo poseen.

Ultraestructura de la célula procariotaDP/PAU

* Ribosomas 70S: Pequeños orgánulos formados por dos subunidades(30S + 50S) responsables de la síntesis de proteínas.

* Inclusiones: Gran variedad de gránulos que son depósitos de sustanciasde reserva, como polisacáridos o lípidos.

HABILIDAD: Dibujo ultraestructura procariotas

según micrografía electrónicaDP/PAU

1 x 3 µm

Web1

HABILIDAD: Dibujo ultraestructura procariotas

según micrografía electrónicaDP/PAU

HABILIDAD: Dibujo ultraestructura procariotas

según micrografía electrónicaDP/PAU

APLICACIÓN: Reproducción asexual en procariotasDP/PAU

Los procariotas se dividen porbipartición o fisión binaria, unavez ocurrida la replicación del ADN.

La membrana plasmática seinvagina y la pared bacteriana crecehasta formar un tabique transversalque divide a las dos bacterias.

En condiciones normales puedendividirse cada 20 minutos, lo queles permite adaptárse rápidamentea cambios en el ambiente.

Excepto el reino Moneras (bacterias y arqueobacterias), el resto de los seresvivos (los demás reinos) presentan una organización celular eucariota.

Los eucariotas presentan una estructura celular compartimentada.Varias son las ventajas de esta compartimentalización:

Ultraestructura de la célula eucariotaDP/PAU

- Las enzimas y lossustratos para un procesoen particular pueden estarmucho más concentradosque si estuvieranesparcidos por todo elcitoplasma.

- Las condiciones idealespara un determinadoproceso, como el pH,pueden ser mantenidasconstantes y diferentes.

- Las sustancias que puedan causar daño a la célula, como las enzimashidrolíticas de los lisosomas, están controladas dentro de un orgánulorodeado de una membrana.

Hay dos tipos principales de células eucariotas: la célula animal y la vegetal,pero ambos se caracterizan por poseer:

- Citoplasma celular, que contiene los orgánulos, enzimas y solutos endisolución, y que está formado por un entramado de filamentos proteicos(citoesqueleto).

- Complejo sistema internode membranas constituidopor el retículo endoplásmico,conectado con la doblemembrana nuclear, y elcomplejo de Golgi. Otrosorgánulos membranosos sonlas vacuolas, los lisosomas,las mitocondrias y loscloroplastos.

- Núcleo delimitado por unadoble membrana con ADN ensu interior asociado aproteínas histonas.

Ultraestructura de la célula eucariotaDP/PAU

Comparación célula procariota y eucariotaDP/PAU

Característica Célula procariota Célula eucariota

Núcleo No Sí (membrana nuclear doble)

Organismos Moneras (bacterias y arqueobacterias)

Protoctistas, hongos, vegetales y animales

Tamaño célula 1-10 µm 10-100 µm

Metabolismo Anaerobio/aerobio aerobio

ADN Único circular no asociado a histonas + plásmidos

Lineal en varias moléculas asociado a histonas y organizado en cromosomas

ARN y proteínas Ambos sintetizados en citoplasma

ARN sintetizado en núcleo y proteínas en citoplasma

Orgánulos membranosos

No, salvo inclusiones Sí

Ribosomas 70S (50S + 30S) 80S (60S + 40S)

Citoplasma Citoesqueleto poco estructurado

Citoesqueleto más complejo formado de microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios.

Pared celular Sí (con peptidoglucano) Sí en algunos protistas, en vegetales (celulosa) y hongos (quitina)

División celular Bipartición Mitosis

Organización celular unicelular Principalmente pluricelular Animación1

Comparación célula procariota y eucariotaDP/PAU

En el tema siguiente se estudiará la estructura y función de tanto lamembrana plasmática como de los orgánulos membranosos.

Sin embargo, no todos los orgánulos o estructuras celulares eucariotasestán rodeados de membrana, sino que existen orgánulos nomembranosos.

Ultraestructura de la célula eucariotaDP/PAU

CitosolDP/PAU

También llamado hialoplasma, es el medio acuoso en el que se encuentraninmersos los orgánulos citoplásmicos y diversas estructuras como

inclusiones, microtúbulos, microfilamentos y numerosos enzimas, yconstituye la parte soluble del citoplasma.

Funciones:

- Movimientos intracelulares, ymovimiento ameboide.

- Formación del huso mitótico ydivisión celular.

- Contiene las enzimas responsablesde la síntesis de proteínas.

- Procesos metabólicos comoglucolisis, gluconeogénesis, biosíntesis

de aminoácidos, nucleótidos, etc.

- Contiene inclusiones entre las que

destacan las de grasa y glucógeno.

RibosomasDP/PAU

Complejos supramoleculares intracitoplasmáticos compuestos por ARN y

proteínas que realizan la síntesis de proteínas.

Están formados por dos subunidades, una grande y otra pequeña.

Ambas subunidades forman un primer surco, al que se asocia la proteína

que se va sintetizando, y un segundo surco en el que se aloja en ARNm.

Animación3

RibosomasDP/PAU

La subunidad grande está formada por múltiples proteínas y dos tipos (en

procariotas) o tres tipos (en eucariotas) de ARNr; mientras que la pequeña,

está formada por muchas proteínas y un único tipo de ARNr.

Los ribomomas procariotas y de orgánulos tienen un coeficiente de

sedimentación 70S (50S+30S), mientras que es 80S (60S+40S) en

eucariotas.

RibosomasDP/PAU

Pueden encontrarse libres en el citosol formado polirribosomas o

polisomas, o bien asocidos al RER o a la membrana nuclear.

CitoesqueletoDP/PAU

Constituye una red de filamentos proteicos, compleja e

interconectada, responsable de:

- El mantenimiento y los cambios de forma celular.

- La posición y el movimiento de los orgánulos.

- La división y motilidad de la célula.

No es una estructura

estática, sino queresponde con cambios de

forma a los cambios

fisiológicos, y a él seanclan los distintos

orgánulos celulares.

CitoesqueletoDP/PAU

Está formado por tres componentes filamentosos, los microfilamentos,

los filamentos intermedios y los microtúbulos, así como por unconjunto de proteínas accesorias que unen unos elementos con otros.

Citoesqueleto: MicrofilamentosDP/PAU

A este grupo pertenecen los filamentos de actina y miosina, los más delgadosde los tres tipos de filamentos del citoesqueleto (~7 nm de diámetro).

Los microfilamentos de actina están formadospor dos hebras unidas helicoidalmente, que se

originan al polimerizarse la actina, una proteínaglobular. Son filamentos polares, con un extremo

(+) por donde crece y otro (–) por donde decrece,además de lábiles (se polimerizan y

despolimerizarse a gran velocidad).

Los microfilamentos de miosina son más gruesosque los de actina, formados al polimerizarse la

proteína miosina. Cada molécula de miosina constade dos cabezas y una larga cola.

Citoesqueleto: MicrofilamentosDP/PAU

Las funciones de los microfilamentos son:

- Los filamentos de actina y miosina, junto con otras proteínas asociadas,están implicadas en diversos tipos de movimientos celulares, entre losque destaca el movimiento de contracción muscular.

- Participan en la división del citoplasma, al formar el anillo que divideel citoplasma en dos (citodiéresis).

- Movimiento celular al participar en la formación de pseudópodos.

- Mantenimiento de la estructura de lasmicrovellosidades intestinales.

Tienen un diámetro intermedio (~10 nm) entre los microtúbulos y los

microfilamentos.

Citoesqueleto: Filamentos intermediosDP/PAU

Son polímeros estables y muy resistentes de

proteínas fibrosas, distintas en función del tipocelular, distinguiéndose 3 grandes familias:

filamentos de queratina en células

epiteliales, filamentos de vimentina encélulas del tejido conjujtivo, muscular y

nervioso, y neurofilamentos en las neuronas.

Su función es

repartir las tensionesmecánicas a las que

se somenten dichas

células y formar lalámina nuclear en el

núcleo.

Si bien todas las células eucariotas tienen microfilamentos y

microtúbulos, los filamentos intermedios solo están presentes enalgunas células animales, como las células del epitelio intestinal,

donde están presentes los tres tipos de fibras:

- Los microfilamentos se proyectan dentro de las vellosidades, dandoforma a la superficie celular.

-Los microtúbulos crecen desde el centrosoma a la periferia de la célula.

- Los filamentos intermedios conectan células adyacentes a través de

desmosomas.

Citoesqueleto: Filamentos intermediosDP/PAU

Citoesqueleto: MicrotúbulosDP/PAU

Los microtúbulos son estructuras cilíndricas huecas, de ~25 nm de

diámetro, formadas por una proteína llamada tubulina. Cada moléculade tubulina está formada por dos subunidades globulares (alfa y beta

tubulina) fuertemente unidas entre sí.

Cada microtúbulo está formado por 13 protofilamentos, formados por

subunidades alternas de alfa y beta tubulinas, dispuestas paralelamenteformando un cilindro.

Citoesqueleto: MicrotúbulosDP/PAU

Los microtúbulos son estructuras lábiles

que se polimerizan y despolimerizancontinuamente, y polares, con un

extremo que crece al polimerizarse

(extremo +) y otro extremo quedisminuye al despolimerizrse (extremo -).

En células animales

los extremos (-) están

embebidos en unaestructura llamada

centrosoma ocentro organizador

de microtúbulos (nopresente en células

vegetales). En suparte central se

encuentran un par decentriolos dispuestos

en ángulo recto.Animación4

Citoesqueleto: MicrotúbulosDP/PAU

Las funciones de los microtúbulos son:

- Movimiento de cromosomas al fomar del huso mitótico durante ladivisión celular.

- Movimiento celular al formar el interior de cilios y flagelos.

- Mantenimiento de la morfología celular.

- Transporte de orgánulos y partículas en el interior celular.

CentrosomaDP/PAU

Zona central de las células animales que organizala formación de microtúbulos y que actúa como

polo del huso mitótico durante la mitosis.

Contiene un par de centriolos perpendiculares el

uno al otro y que en conjunto se denominadiplosoma. A partir del diplosoma crecen los

microtúbulos y forman el áster.

Durante la interfase se localiza en la proximidad

del núcleo, y al final de la misma, cuando va acomenzar la división, el centrosoma se duplica y

divide en dos partes iguales. Estos centrosomashijos se dividen hacia lados opuestos del núcleo

al empezar la mitosis, formando los dos polosdel huso mitótico.

CentrosomaDP/PAU

Los centriolos son pequeñoscilindros localizados en el interior

del centrosoma, de 0,2 µm dediámetro de 0,4 µm de longitud.

La parte externa de los centriolosestá formada por nueve

tripletes de microtúbulosinclinados hacia el eje central.

Los microtúbulos de cada triplete sedenominan A, B y C, siendo el A el más

interno y el único completo. Los tripletesadyacentes están unidos por la proteína

nexina.

Tienen un papel fundamental en la

formación de cilios y flagelos.

CentrosomaDP/PAU

No todos los centros organizadores de microtúbulos contienen centriolos.

En las células mitóticas de plantas superiores los microtúbulos terminanen regiones electrodensas completamente desprovistas de centriolos. La

mitosis vegetal se denomina anastral.

Web3

ANIMAL VEGETAL

Cilios y flagelosPAU

Son delgadas prolongaciones celulares móviles que presentan la mismaestructura, pero que difieren en que los cilios son cortos y numerosos,

mientras que los flagelos son escasos, más largos y suelen tener otrasestructuras añadidas como mitocondrias, que los hacen más gruesos.

Su función consiste en desplazar las células libres en un medio líquido o enmovilizar fluidos sobre la superficie de células fijas.

Su estructura constade tres partes:

- Axonema.

- Zona de transición.

- Corpúsculo basal.

Cilios y flagelosPAU

Axonema. Parte interna del tallo de un cilio o flagelo, formada por nuevepares de microtúbulos, dispuestos alrededor de un par de microtúbulos

centrales (9x2 +2). Entre las proteínas asociadas a los microtúbulos destacanla proteína motora dineina y la conectora nexina. Esta estructura está

rodeada de membrana plasmática.

Placa basal o zona detransición. Entre el

axonema y el corpúsculobasal y también rodeada

de membrana plasmática.Formada por nueve pares

de microtúbulos al carecerdel par central (9x2 +0).

Corpúsculo basal. Seencuentra en la base del

axonema y está formadopor 9 tripletes de

microtúbulos (9x3 +0). Suestructura es idéntica a la

de un centriolo. Animación5

Pruebas PAU

Pared celular en células vegetalesPAU

Envuelta externa a la membrana plasmática presente en las célulasvegetales, constituyendo un componente extracelular.

Estructura y composición: Presenta dos componentes principales: unocristalino formado por fibras de celulosa y otro amorfo formado por unamatriz de pectinas, hemicelulosa, agua, sales minerales y a veces,ligninas.

Al ser impermeable, unos poros llamados plasmodesmos permiten lacomunicación intercelular.

Pared celular en células vegetalesPAU

Se llama plasmodesmos a cada una de las unidades continuas decitoplasma que pueden atravesar las paredes celulares, manteniendointerconectadas las células continuas en organismos pluricelulares en los queexiste pared celular, como las plantas o los hongos.

Permiten la circulación directa de las sustancias del citoplasma entre célula ycélula comunicándolas, atravesando las dos paredes adyacentes a través deperforaciones acopladas, que se denominan punteaduras cuando sólo haypared primaria.

El movimiento de sustancias a través de los plasmodesmos se denominatransporte simplástico. Las paredes celulares, lúmenes de las célulasmuertas y los espacios intercelulares forman también un continuo, y elmovimiento de sustancias a través del mismo se conoce comotransporte apoplástico.

Cada plasmodesmo esrecorrido a lo largo de sueje por un desmotúbulo,una estructura cilíndricaespecializada del retículoendoplasmático.

Pared celular en células vegetalesPAU

En las células diferenciadas, la paredcelular aparece como una estructuragruesa formada por tres capas:

- Lámina media: capa más externay la primera que se forma tras ladivisión celular. Formada por pectinasy proteínas, que se unen a ionesCa+2.

- Pared primaria: gruesa capafibrilar por debajo de la anterior haciael interior de la célula. Formada porlargas fibras de celulosa cohesionadaspor hemicelulosa, pectinas yglucoproteínas.

- Pared secundaria: es la másinterna y consta de una o variascapas fibrilares, semejantes a laprimaria, aunque con más celulosa ysin pectinas.

Pared celular en células vegetalesPAU

Funciones:

- Rigidez al vegetal y mantenimiento de laforma celular.

- Une las células adyacentes, conectando lascélulas de distintos tejidos.

- Posibilita el intercambio de sustancias y lacomunicación celular.

- Permite a las células vegetales vivir en unmedio hipotónico sin estallar.

- Impermeabiliza la superficie vegetal enciertos tejidos, evitando la pérdida de agua.

- Sirve de barrera a agentes patógenos.